电压现象及保护措施

摘要：针对产生变压器的过电压现象的原因提出相应的保护措施。

关键词：变压器 过电压 原因 保护措施

变压器运行时，如果电压超过它的最大允许工作电压，称为变压器的过电压。过电压往往对变压器的绝缘有很大的危害，甚至使绝缘击穿。过电压分为内部过电压和大气过电压两种。输电线路直接遭雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所引起的过电压称为大气过电压(外部过电压);当变压器或线路上的开关合闸或拉闸时，因系统中电磁能量振荡和积聚而产生的过电压称为内部过电压。变压器的这两种过电压都是作用时间短促的瞬变过程。

内部过电压一般为额定电压的3.0~4.5倍，而大气过电压数值很高，可达额定电压的8~12倍，并且绕组中电压分布极不均匀，端头部分线匝受到的电压很高。因此，必须采取必要的措施，防止过电压的发生并进行有效的保护。

过电压在变压器中破坏绝缘有两种情况，一是将绕组与铁心(或油箱)之间的绝缘高压绕组与低压绕组之间的绝缘(这些绝缘称为主绝缘)击穿;另一种是在同一绕组内将匝与匝之间或一段绕组与另一段绕之间的绝缘(这些绝缘称为纵绝缘)击穿。

由于过电压时间极短，电压从零上升到最大值再下降到零均在极短的时间内完成，因而具有高频振荡的特性，其频率可达100kHz以上。在正常运行时，电网的频率是50Hz，变压器的容抗很大，而感扩ωL很小，因此可以忽略电容的影响，认为电流完全从绕组内部流过。但对高频过电压波来说，变压器的容抗变成很小，而感抗变成很大，此时电流主要由电容流过，所以必须考虑电容的影响。

CFe—绕组每单位长度上的对地电容;C''''—高低压绕组之间每单位长度上的电容;Ct—绕组每单位长度上的匝间电容;L''''—过电压时绕组每单位长度上的漏电感;R''''—绕组每单位长度上的电阻。

下面简单说明两种不同类型过电压产生的原因：

1内部过电压

我市电网中，绝大多数是降压变压器，下面就以降压变压器空载拉闸为例说明内部电压产生的原因。

根据变压器参数的折算法可知，把二次侧(低压侧)电容折算到一次侧(高压侧)时，电容折算值为实际值的(1/K2)倍，所以二次侧电容的影响可以略去不计。这就是说，空载时可以忽略二次侧的影响。就一次绕组来说，由于每单位长度上的对地电容CFe是并联的，故对地总电容为：CFe=ΣCFe

由于一次侧单位长度上的匝间电容Ct是串联的，故它的匝间总电容为：Ct=1/(Σ1/Ct)

在电力变压器中，通常CFe>>Ct，所以定性分析时，匝间电容的影响也可略去不计。当再忽略绕组电阻R1时，可得空载拉闸过电压时的简化等效电路：

其中L1是一次绕组的全自感。

把空载变压器从电网上拉闸时，如果空载电流的瞬时值不等于零而是某一数值Ia，这时相应的外施电压瞬时值为Ua。于是在拉闸瞬间，电感L1中储藏的磁场能量为1/2L1i2a，电容CFe上储藏的电场能量为1/2CFeU2a。由于这时变压器的电路是由电感L1和电容CFe并联的电路，故在拉闸瞬间，回路内将发生电磁振荡过程。在振荡过程中，当某一瞬间电流等于零时，此时磁场能量全部转化为电场能量，由电容吸收，电容上的电压便升高到最大值Ucmax。当不考虑能量损失时，根据能量守恒原理有

CFeU2cmax=L1i2a+CFeU2a

故得，Ucmax=■

上式表明，当拉闸电流和电容上的电压一定时，绕组的电感愈大，对地电容愈小，则拉闸时过电压愈高。电力系统中，拉闸过电压通常不超过额定电压的3.0~4.5倍。

2大气过电压

大气过电压是输电线路直接遭受雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所引起的。当输电线路直接遭受雷击时，雷云所带的大量电荷(设为正电荷)通过放电渠道落到输电线上，大量的自由电荷向输电线路的两端传播，就在输电线上引起冲击过电压波，称为雷电波。雷电波向输电线两端传播的速度接近于光速，持续的时间只有几十微秒，电压由零上升到最大值的时间只有几微秒。雷电波的典型波形如图3。

曲线由零上升到最大值这一段称为波头，下降部分称为波尾。如果把波头所占时间看成是周期波的四分之一周期，则雷电波可看成是频率极高的周期性波。这样，当过电压波到达变压器出线端时，相当于给变压器加上了一个频率极高的高电压。这一瞬变过程很快，一开始，由于高频下，ωL很大的，1/ωC很小，电流只从高压绕组的匝电容和对地电容中流过。由于低压绕组靠近铁心，它的对地电容很大，(即容抗很小)，可近似地认为低压绕组接地。可雷电波袭击时，沿绕组高度上的电压分布取决于匝间电容Ct和对电容CFe的比例。在一般情况下，由于两种电容都存在，过电压时，一部分电流由对地电容分流，故每个匝间电容流的电流不相等，上面的匝间电容流过的电流最大愈往下面则愈小，随着电压沿绕组高度的分布变为不均匀，见图4：(图中UAX是过电压波加在变压器两端的电压)。

从图4中可见，起始电压分布很不均匀，靠近输电线A端的头几匝间出现很大的电压梯度，因此，在头几个线匝里，匝间绝缘和线饼之间的绝缘都受到很大的威胁，这时最高匝间电压可能高达额定电压的50~200倍。

3过电压保护

为了防止变压器绕组绝缘在过电压时被击穿，必须采取适当的过电压保护措施，目前主要采用下列措施：

(1)避雷器保护。在变压器的出线端装设避雷器，当雷电波从输电线侵入时，避雷器的保护间隙被击穿，过电压波对地放电，这样雷电波就不会侵入变压器，从而保护了变压器。

(2)加强绝缘。除了加强变压器高压绕组对地绝缘外，针对雷电波作用的特性，还要加强首端及末端部分线匝的绝缘，以承受由于起始电压分布不均匀而出现的较高的匝间电压。这种方法效果有限，而且加厚绝缘使散热困难，同时减少了匝间电容，增大了匝间电压梯度。目前只在35kV及以下的变压器中采用。

(3)增大匝间电容。匝间电容相对于对地电容愈大时，则电压的起始分布愈均匀，电压梯度越小，因此增加匝间电容是有效的过电压保护措施。过去常采用加装静电板或静电屏的方法，现在在110kV以上的高压变压器上，广泛采用纠结式线圈。纠结式线圈制造工艺简单，不增加材料，与连续式线圈相比能显著增大匝间电容，所以现在高压大型电力变压器的高压绕组大多数采用了这种绕线法。

4结束语

造成变压器过电压的原因多种多样，针对不同的过电压，有不同的过电压保护措施。在实际工作中，我们应进行经济上和技术上的全面研究，选择有效的过电压保护措施，确保变压器的安全稳定运行。