淺析變壓器的過電壓現(xiàn)象及其保護措施

1、淺析變壓器的過電壓現(xiàn)象及其保護措施論文導(dǎo)讀：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，其至使絕 緣擊穿。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。關(guān)鍵詞：變壓器，過電壓，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，其至使絕緣擊穿。 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，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(guān)合閘或

2、拉閘時，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 用時間短促的瞬變過程?？萍颊撐?。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，必須釆 取必要的措施，防止過電壓的發(fā)生和進行有效的保護。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(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。由于過電壓時間極短，電壓從零上 升到

3、最大值再下降到零均在極短的時間內(nèi)完成，因而具有高頻振蕩的特 性，其頻率可達IOokHZ以上。在正常運行時，電網(wǎng)的頻率是50H乙 變壓器的容抗很大，而感擴L很小，因此可以忽略電容的影響，認為電 流完全從繞組內(nèi)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?？萍颊撐摹？紤]電容影響后，變壓器的分布參數(shù)電路（見后面圖 Do其中：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；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(chǎn)生的原因：

4、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，電容折算值為實際值的（1/K2）倍，所以二次側(cè)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(cè)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(lián)的，故對地總電容為 CFe=CFe由于一次側(cè)單位長度上的匝間電容Ct是串聯(lián)的，故它的匝間 總電容為Ct= 1/（1/Ct）在電力變壓器中，通常CFeCt,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Rl時，可得空 載拉閘過電壓時的簡化等效

5、電路（見后面圖2）：其中LI是一次繞組的 全自感。把空載變壓器從電網(wǎng)上拉閘時，如果空載電流的瞬時值不等于 零而是某一數(shù)值Ia,這時相應(yīng)的外施電壓瞬時值為UaO于是在拉閘瞬 間，電感Ll中儲藏的磁場能量為l2LH2a,電容CFe上儲藏的電場能 量為l2CFeU2ao由于這時變壓器的電路是由電感Ll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， 當某一瞬間電流等于零時，此時磁場能量全部轉(zhuǎn)化為電場能量，由電容 吸收，電容上的電壓便升高到最大值UCmaXO當不考慮能量損失時，根 據(jù)能量守恒原理有CFeU2cmax= Lli2a+CFeb2a故得上式表明，當拉閘 電流和

6、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(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， 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(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。雷電波的典型波形為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

7、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，L很大的，1/C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。 科技論文?？衫纂姴ㄒu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?yōu)椴痪鶆颍?/p>

8、見下圖：（圖3是過電壓波加在變壓器兩端的電壓） 從圖中可見，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，必須釆 取適當?shù)倪^電壓保護措施，目前主要釆用下列措施3.1避雷器保護在變壓器的出線端裝設(shè)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。3.2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(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 變壓器中釆用。3.3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(xiàn)在在IlOkV以上的高壓變壓器上，廣泛釆 用糾結(jié)式線圈。糾結(jié)式線圈制造工藝簡單，不增加材料，與連續(xù)式線圈