楊雄鈞

（四川樂(lè)至供電有限責(zé)任公司，四川 樂(lè)至 641500）

前言

在電力系統(tǒng)中變壓器主要起到升壓和降壓的作用，其工作原理簡(jiǎn)單，由于變壓器長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行,往往導(dǎo)致電壓超過(guò)它的最大允許工作電壓,即為過(guò)電壓，這對(duì)變壓器的絕緣造成很大危害,甚至使絕緣擊穿。過(guò)電壓分為操作過(guò)電壓和大氣過(guò)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(guò)電壓稱為大氣過(guò)電壓；當(dāng)變壓器或線路上的開(kāi)關(guān)合閘或拉閘操作時(shí)，因系統(tǒng)中電磁能量振蕩和積聚而產(chǎn)生的過(guò)電壓稱為操作過(guò)電壓。變壓器的這兩種過(guò)電壓都是作用時(shí)間短促的瞬變過(guò)程。

操作過(guò)電壓一般為額定電壓的3至4.5倍,而大氣過(guò)電壓數(shù)值很高,可達(dá)額定電壓的8至2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,必須采取防范措施,防止過(guò)電壓的發(fā)生和進(jìn)行有效的保護(hù)。

過(guò)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(guò)電壓的時(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(guò)。但對(duì)高頻過(guò)電壓波來(lái)說(shuō),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(guò),所以必須考慮電容的影響?？紤]電容影響后,變壓器的分布參數(shù)電路（見(jiàn)圖1）

圖1

其中:

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

1.操作過(guò)電壓和大氣過(guò)電壓產(chǎn)生的原因分析

1.1.操作過(guò)電壓

在一般配電網(wǎng)中，使用的絕大多數(shù)是降壓變壓器，下面就以降壓變壓器空載拉閘操作為例說(shuō)明操作過(guò)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(shuō),空載時(shí)可以忽略二次側(cè)的影響。就一次繞組來(lái)說(shuō),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

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

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(guò)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),假如空載電流的瞬時(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(guò)程。在振蕩過(guò)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)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(guò)電壓愈高。電力系統(tǒng)中,拉閘過(guò)電壓通常不超過(guò)額定電壓的30～4.5倍。

1.2.大氣過(guò)電壓

大氣過(guò)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(guò)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(guò)電壓，稱為雷電過(guò)電壓。雷電波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1/4周期，則雷電波可看成是頻率極高的周期性波。這樣，當(dāng)過(guò)電壓波到達(dá)變壓器接線端時(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(guò)程很快,一開(kāi)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(guò)。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。由于兩種電容都存在,過(guò)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(guò)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?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。

2.過(guò)電壓防護(hù)措施

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

2.1.避雷器保護(hù)

在變壓器的高壓端裝設(shè)金屬氧化物避雷器，其特點(diǎn)是動(dòng)作靈敏，殘壓低，通流容量大，當(dāng)雷電波從輸電線侵入或者在操作過(guò)電壓發(fā)生時(shí)，避雷器動(dòng)作，過(guò)電壓波對(duì)地導(dǎo)通，過(guò)電壓，這樣雷電波就不會(huì)侵入變壓器，從而保護(hù)了變壓器。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997《高壓輸配電設(shè)備的絕緣配合》中對(duì)于變壓器的絕緣水平規(guī)定為："6kV變壓器的短時(shí)（1min）工頻耐受電壓（有效值）為25kV，雷電沖擊耐受電壓（峰值）為60kV；10kV變壓器的短時(shí)（1min）工頻耐受電壓（有效值）為35kV，雷電沖擊耐受電壓（峰值）為75kV"；

以6kV、10kV配電系統(tǒng)為例，分別列舉出保護(hù)變壓器的金屬氧化物避雷器參數(shù)如表1所示。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997《高壓輸配電設(shè)備的絕緣配合》對(duì)于變壓器等設(shè)備的操作過(guò)電的絕緣配合的規(guī)定有如下內(nèi)容：

"相對(duì)地絕緣，范圍I的設(shè)備，根據(jù)設(shè)備上的統(tǒng)計(jì)操作過(guò)電壓水平或者避雷器的操作沖擊保護(hù)水平和設(shè)備的絕緣特性，并取一定的配合因數(shù)Kc計(jì)算、選取設(shè)備的額定操作沖擊耐受電壓"；

"選取配合因數(shù)Kc時(shí)應(yīng)考慮到下列因素:絕緣類型及其特性；性能指標(biāo)；過(guò)電壓幅值及分布特性；大氣條件；設(shè)備生產(chǎn)裝備中的分散性及安裝質(zhì)量；絕緣在預(yù)期壽命間的老化，試驗(yàn)條件及其它未知因素。對(duì)于雷電沖擊：根據(jù)我國(guó)情況，一般取Kc≥1.4；對(duì)于操作沖擊：一般取Kc≥1.15"。

表1 避雷器參數(shù)

結(jié)合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，可以計(jì)算出如下數(shù)據(jù)：

6kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數(shù)值：

同理計(jì)算：

10kV變壓器用避雷器的絕緣配合因數(shù)值：

根據(jù)以上計(jì)算可以看出，金屬氧化物避雷器的參數(shù)完全可以滿足變壓器過(guò)電壓保護(hù)的需要。

2.2.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。

2.3.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(guò)電壓保護(hù)措施。

3.結(jié)語(yǔ)

造成變壓器過(guò)電壓的原因多種多樣,針對(duì)不同的過(guò)電壓,有不同的過(guò)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(guò)電壓保護(hù)措施,確保變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]宋志明,主編.繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].中國(guó)電力出版社,2007.