摘要：針對(duì)產(chǎn)生變壓器的過電壓現(xiàn)象的原因提出相應(yīng)的保護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：變壓器 過電壓 原因 保護(hù)措施

變壓器運(yùn)行時(shí)，如果電壓超過它的最大允許工作電壓，稱為變壓器的過電壓。過電壓往往對(duì)變壓器的絕緣有很大的危害，甚至使絕緣擊穿。過電壓分為內(nèi)部過電壓和大氣過電壓兩種。輸電線路直接遭雷擊或雷云放電時(shí)，電磁場(chǎng)的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓(外部過電壓);當(dāng)變壓器或線路上的開關(guān)合閘或拉閘時(shí)，因系統(tǒng)中電磁能量振蕩和積聚而產(chǎn)生的過電壓稱為內(nèi)部過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時(shí)間短促的瞬變過程。

內(nèi)部過電壓一般為額定電壓的3.0~4.5倍，而大氣過電壓數(shù)值很高，可達(dá)額定電壓的8~12倍，并且繞組中電壓分布極不均勻，端頭部分線匝受到的電壓很高。因此，必須采取必要的措施，防止過電壓的發(fā)生并進(jìn)行有效的保護(hù)。

過電壓在變壓器中破壞絕緣有兩種情況，一是將繞組與鐵心(或油箱)之間的絕緣高壓繞組與低壓繞組之間的絕緣(這些絕緣稱為主絕緣)擊穿;另一種是在同一繞組內(nèi)將匝與匝之間或一段繞組與另一段繞之間的絕緣(這些絕緣稱為縱絕緣)擊穿。

由于過電壓時(shí)間極短，電壓從零上升到最大值再下降到零均在極短的時(shí)間內(nèi)完成，因而具有高頻振蕩的特性，其頻率可達(dá)100kHz以上。在正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)的頻率是50Hz，變壓器的容抗很大，而感擴(kuò)ωL很小，因此可以忽略電容的影響，認(rèn)為電流完全從繞組內(nèi)部流過。但對(duì)高頻過電壓波來說，變壓器的容抗變成很小，而感抗變成很大，此時(shí)電流主要由電容流過，所以必須考慮電容的影響。

CFe—繞組每單位長(zhǎng)度上的對(duì)地電容;C''''—高低壓繞組之間每單位長(zhǎng)度上的電容;Ct—繞組每單位長(zhǎng)度上的匝間電容;L''''—過電壓時(shí)繞組每單位長(zhǎng)度上的漏電感;R''''—繞組每單位長(zhǎng)度上的電阻。

下面簡(jiǎn)單說明兩種不同類型過電壓產(chǎn)生的原因：

1內(nèi)部過電壓

我市電網(wǎng)中，絕大多數(shù)是降壓變壓器，下面就以降壓變壓器空載拉閘為例說明內(nèi)部電壓產(chǎn)生的原因。

根據(jù)變壓器參數(shù)的折算法可知，把二次側(cè)(低壓側(cè))電容折算到一次側(cè)(高壓側(cè))時(shí)，電容折算值為實(shí)際值的(1/K2)倍，所以二次側(cè)電容的影響可以略去不計(jì)。這就是說，空載時(shí)可以忽略二次側(cè)的影響。就一次繞組來說，由于每單位長(zhǎng)度上的對(duì)地電容CFe是并聯(lián)的，故對(duì)地總電容為：CFe=ΣCFe

由于一次側(cè)單位長(zhǎng)度上的匝間電容Ct是串聯(lián)的，故它的匝間總電容為：Ct=1/(Σ1/Ct)

在電力變壓器中，通常CFe>>Ct，所以定性分析時(shí)，匝間電容的影響也可略去不計(jì)。當(dāng)再忽略繞組電阻R1時(shí)，可得空載拉閘過電壓時(shí)的簡(jiǎn)化等效電路：

其中L1是一次繞組的全自感。

把空載變壓器從電網(wǎng)上拉閘時(shí)，如果空載電流的瞬時(shí)值不等于零而是某一數(shù)值Ia，這時(shí)相應(yīng)的外施電壓瞬時(shí)值為Ua。于是在拉閘瞬間，電感L1中儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能量為1/2L1i2a，電容CFe上儲(chǔ)藏的電場(chǎng)能量為1/2CFeU2a。由于這時(shí)變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯(lián)的電路，故在拉閘瞬間，回路內(nèi)將發(fā)生電磁振蕩過程。在振蕩過程中，當(dāng)某一瞬間電流等于零時(shí)，此時(shí)磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量，由電容吸收，電容上的電壓便升高到最大值Ucmax。當(dāng)不考慮能量損失時(shí)，根據(jù)能量守恒原理有

CFeU2cmax=L1i2a+CFeU2a

故得，Ucmax=■

上式表明，當(dāng)拉閘電流和電容上的電壓一定時(shí)，繞組的電感愈大，對(duì)地電容愈小，則拉閘時(shí)過電壓愈高。電力系統(tǒng)中，拉閘過電壓通常不超過額定電壓的3.0~4.5倍。

2大氣過電壓

大氣過電壓是輸電線路直接遭受雷擊或雷云放電時(shí)，電磁場(chǎng)的劇烈變化所引起的。當(dāng)輸電線路直接遭受雷擊時(shí)，雷云所帶的大量電荷(設(shè)為正電荷)通過放電渠道落到輸電線上，大量的自由電荷向輸電線路的兩端傳播，就在輸電線上引起沖擊過電壓波，稱為雷電波。雷電波向輸電線兩端傳播的速度接近于光速，持續(xù)的時(shí)間只有幾十微秒，電壓由零上升到最大值的時(shí)間只有幾微秒。雷電波的典型波形如圖3。

曲線由零上升到最大值這一段稱為波頭，下降部分稱為波尾。如果把波頭所占時(shí)間看成是周期波的四分之一周期，則雷電波可看成是頻率極高的周期性波。這樣，當(dāng)過電壓波到達(dá)變壓器出線端時(shí)，相當(dāng)于給變壓器加上了一個(gè)頻率極高的高電壓。這一瞬變過程很快，一開始，由于高頻下，ωL很大的，1/ωC很小，電流只從高壓繞組的匝電容和對(duì)地電容中流過。由于低壓繞組靠近鐵心，它的對(duì)地電容很大，(即容抗很小)，可近似地認(rèn)為低壓繞組接地。可雷電波襲擊時(shí)，沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間電容Ct和對(duì)電容CFe的比例。在一般情況下，由于兩種電容都存在，過電壓時(shí)，一部分電流由對(duì)地電容分流，故每個(gè)匝間電容流的電流不相等，上面的匝間電容流過的電流最大愈往下面則愈小，隨著電壓沿繞組高度的分布變?yōu)椴痪鶆颍妶D4：(圖中UAX是過電壓波加在變壓器兩端的電壓)。

從圖4中可見，起始電壓分布很不均勻，靠近輸電線A端的頭幾匝間出現(xiàn)很大的電壓梯度，因此，在頭幾個(gè)線匝里，匝間絕緣和線餅之間的絕緣都受到很大的威脅，這時(shí)最高匝間電壓可能高達(dá)額定電壓的50~200倍。

3過電壓保護(hù)

為了防止變壓器繞組絕緣在過電壓時(shí)被擊穿，必須采取適當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)措施，目前主要采用下列措施：

(1)避雷器保護(hù)。在變壓器的出線端裝設(shè)避雷器，當(dāng)雷電波從輸電線侵入時(shí)，避雷器的保護(hù)間隙被擊穿，過電壓波對(duì)地放電，這樣雷電波就不會(huì)侵入變壓器，從而保護(hù)了變壓器。

(2)加強(qiáng)絕緣。除了加強(qiáng)變壓器高壓繞組對(duì)地絕緣外，針對(duì)雷電波作用的特性，還要加強(qiáng)首端及末端部分線匝的絕緣，以承受由于起始電壓分布不均勻而出現(xiàn)的較高的匝間電壓。這種方法效果有限，而且加厚絕緣使散熱困難，同時(shí)減少了匝間電容，增大了匝間電壓梯度。目前只在35kV及以下的變壓器中采用。

(3)增大匝間電容。匝間電容相對(duì)于對(duì)地電容愈大時(shí)，則電壓的起始分布愈均勻，電壓梯度越小，因此增加匝間電容是有效的過電壓保護(hù)措施。過去常采用加裝靜電板或靜電屏的方法，現(xiàn)在在110kV以上的高壓變壓器上，廣泛采用糾結(jié)式線圈。糾結(jié)式線圈制造工藝簡(jiǎn)單，不增加材料，與連續(xù)式線圈相比能顯著增大匝間電容，所以現(xiàn)在高壓大型電力變壓器的高壓繞組大多數(shù)采用了這種繞線法。

4結(jié)束語(yǔ)

造成變壓器過電壓的原因多種多樣，針對(duì)不同的過電壓，有不同的過電壓保護(hù)措施。在實(shí)際工作中，我們應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上的全面研究，選擇有效的過電壓保護(hù)措施，確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。