摘要：針對產生變壓器的過電壓現象的原因提出相應的保護措施。

關鍵詞：變壓器 過電壓 原因 保護措施

變壓器運行時，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，電磁場的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓(外部過電壓);當變壓器或線路上的開關合閘或拉閘時，因系統中電磁能量振蕩和積聚而產生的過電壓稱為內部過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。

內部過電壓一般為額定電壓的3.0~4.5倍，而大氣過電壓數值很高，可達額定電壓的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，防止過電壓的發生并進行有效的保護。

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。

由于過電壓時間極短，電壓從零上升到最大值再下降到零均在極短的時間內完成，因而具有高頻振蕩的特性，其頻率可達100kHz以上。在正常運行時，電網的頻率是50Hz，變壓器的容抗很大，而感擴ωL很小，因此可以忽略電容的影響，認為電流完全從繞組內部流過。但對高頻過電壓波來說，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—繞組每單位長度上的對地電容;C''''—高低壓繞組之間每單位長度上的電容;Ct—繞組每單位長度上的匝間電容;L''''—過電壓時繞組每單位長度上的漏電感;R''''—繞組每單位長度上的電阻。

下面簡單說明兩種不同類型過電壓產生的原因：

1內部過電壓

我市電網中，絕大多數是降壓變壓器，下面就以降壓變壓器空載拉閘為例說明內部電壓產生的原因。

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

由于一次側單位長度上的匝間電容Ct是串聯的，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，匝間電容的影響也可略去不計。當再忽略繞組電阻R1時，可得空載拉閘過電壓時的簡化等效電路：

其中L1是一次繞組的全自感。

把空載變壓器從電網上拉閘時，如果空載電流的瞬時值不等于零而是某一數值Ia，這時相應的外施電壓瞬時值為Ua。于是在拉閘瞬間，電感L1中儲藏的磁場能量為1/2L1i2a，電容CFe上儲藏的電場能量為1/2CFeU2a。由于這時變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯的電路，故在拉閘瞬間，回路內將發生電磁振蕩過程。在振蕩過程中，當某一瞬間電流等于零時，此時磁場能量全部轉化為電場能量，由電容吸收，電容上的電壓便升高到最大值Ucmax。當不考慮能量損失時，根據能量守恒原理有

CFeU2cmax=L1i2a+CFeU2a

故得，Ucmax=■

上式表明，當拉閘電流和電容上的電壓一定時，繞組的電感愈大，對地電容愈小，則拉閘時過電壓愈高。電力系統中，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，電磁場的劇烈變化所引起的。當輸電線路直接遭受雷擊時，雷云所帶的大量電荷(設為正電荷)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，持續的時間只有幾十微秒，電壓由零上升到最大值的時間只有幾微秒。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，當過電壓波到達變壓器出線端時，相當于給變壓器加上了一個頻率極高的高電壓。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地電容中流過。由于低壓繞組靠近鐵心，它的對地電容很大，(即容抗很小)，可近似地認為低壓繞組接地。可雷電波襲擊時，沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間電容Ct和對電容CFe的比例。在一般情況下，由于兩種電容都存在，過電壓時，一部分電流由對地電容分流，故每個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為不均勻，見圖4：(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端的頭幾匝間出現很大的電壓梯度，因此，在頭幾個線匝里，匝間絕緣和線餅之間的絕緣都受到很大的威脅，這時最高匝間電壓可能高達額定電壓的50~200倍。

3過電壓保護

為了防止變壓器繞組絕緣在過電壓時被擊穿，必須采取適當的過電壓保護措施，目前主要采用下列措施：

(1)避雷器保護。在變壓器的出線端裝設避雷器，當雷電波從輸電線侵入時，避雷器的保護間隙被擊穿，過電壓波對地放電，這樣雷電波就不會侵入變壓器，從而保護了變壓器。

(2)加強絕緣。除了加強變壓器高壓繞組對地絕緣外，針對雷電波作用的特性，還要加強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。匝間電容相對于對地電容愈大時，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措施。過去常采用加裝靜電板或靜電屏的方法，現在在110kV以上的高壓變壓器上，廣泛采用糾結式線圈。糾結式線圈制造工藝簡單，不增加材料，與連續式線圈相比能顯著增大匝間電容，所以現在高壓大型電力變壓器的高壓繞組大多數采用了這種繞線法。

4結束語

造成變壓器過電壓的原因多種多樣，針對不同的過電壓，有不同的過電壓保護措施。在實際工作中，我們應進行經濟上和技術上的全面研究，選擇有效的過電壓保護措施，確保變壓器的安全穩定運行。