1 問題提出
變壓器執行時,如果電壓超過其最大允許工作電壓,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。過電壓分為操作過電壓和大氣過電壓兩種。
輸電線路直接遭雷擊或雷雲放電時,電磁場的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓;當變壓器或線路上的開關合閘或拉閘操作時,因系統中電磁能量振盪和積聚而產生的過電壓稱為操作過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。
操作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,並且繞組中電壓分布極不均勻,進線端頭部分線匝承受的電壓很高。
因此,必須採取必要的措施,防止過電壓的發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將匝與匝之間或一段繞組與另一段繞組之間的絕緣擊穿。
由於過電壓時間極短,電壓從零上公升到最大值再下降到零均在極短的時間內完成,因而具有高頻振盪的特性,其頻率可達100khz以上。在正常執行時,電網的頻率是50hz,變壓器的容抗很大,而感抗ωl很小,因此可以忽略電容的影響,電流完全從繞組內部流過。
2 原因分析
以下簡單說明兩種不同型別過電壓產生的原因:
(1)操作過電壓
在一般的電網中,使用的絕大多數是降壓變壓器,下面以降壓變壓器空載拉閘操作為例說明操作過電壓產生的原因。
根據變壓器引數的折演算法可知,把二次側(低壓側)電容折算到一次側(高壓側)時,電容折算值很小,因此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,由於每單位長度上的對地電容cfe''是併聯的,故對地總電容值為:
cfe=σcfe''
由於一次側單位長度上的匝間電容ct''是串聯的,故其匝間總電容值為:
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。
空載變壓器從電網上拉閘時,如果空載電流的瞬時值不等於零而是某一數值ia,這時相應的外施電壓瞬時值為ua。於是在拉閘操作瞬間,一次側電感l1中儲藏的磁場能量為1/2(l1ia2),電容cfe上儲藏的電場能量為1/2(cfeua2)。由於這時變壓器的電路是由電感l1和電容cfe併聯的電路,故在拉閘操作瞬間,迴路內將發生電磁振盪過程。
在振盪過程中,當某一瞬間電流等於零時,此時磁場能量全部轉化為電場能量,由電容吸收,電容上的電壓便公升高到最大值ucmax。
當拉閘操作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,則拉閘操作過電壓愈高。電力系統中,操作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雲放電時,電磁場的劇烈變化所引起的。當輸電線路直接遭受雷擊時,雷雲所帶的大量電荷(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,就在輸電線上引起衝擊過電壓,稱為雷電過電壓。雷電波由零上公升到最大值這一段稱為波頭,下降部分稱為波尾。
如果把波頭所佔時間看成是週期波的四分之一週期,則雷電波可看成是頻率極高的週期性波。這樣,當過電壓波到達變壓器接線端時,相當於給變壓器加上了乙個頻率極高的高電壓。這一瞬變過程很快,一開始,由於高頻下,ωl很大,1/ωc很小,電流只從高壓繞組的匝電容和對地電容中流過。
由於低壓繞組靠近鐵心,其對地電容很大(即容抗很小),可近似地認為低壓繞組接地。當雷電波襲擊時,沿繞組高度上的電壓分布取決於匝間電容ct和對電容cfe的比例。在一般情況下,由於兩種電容都存在,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,靠近輸電線端的匝間電容流過的電流最大,愈往後則愈小,隨著電壓沿繞組高度的分布變為不均勻,起始電壓分布更不均勻,靠近輸電線端的前幾匝間出現很大的電壓梯度,因此,在靠近輸電線端的前幾個線匝裡,匝間絕緣受到很大的威脅,這時最高匝間電壓可能高達額定電壓的50～200倍。
3 防護措施
為了防止變壓器繞組絕緣在過電壓時被擊穿,必須採取適當的過電壓保護措施,目前主要採用下列措施:
(1)避雷器保護
在變壓器的高壓端裝設金屬氧化物避雷器,其特點是動作靈敏,殘壓低,通流容量大,當雷電波從輸電線侵入或者在操作過電壓發生時,避雷器動作,過電壓波對地導通,這樣雷電波就不會侵入變壓器,從而保護了變壓器。在國家標準gb311.1-1997《高壓輸配電裝置的絕緣配合》中對於變壓器的絕緣水平規定為:
「6kv變壓器的短時(1min)工頻耐受電壓(有效值)為25kv,雷電衝擊耐受電壓(峰值)為60kv;10kv變壓器的短時(1min)工頻耐受電壓(有效值)為35kv,雷電衝擊耐受電壓(峰值)為75kv,見表1。」
以6kv、10kv配電系統為例,分別列出保護變壓器的金屬氧化物避雷器引數如下:
國家標準gb311.1-1997《高壓輸配電裝置的絕緣配合》對於變壓器等裝置的操作過電的絕緣配合的規定有如下內容:
「相對地絕緣,範圍i的裝置,根據裝置上的統計操作過電壓水平或者避雷器的操作衝擊保護水平和裝置的絕緣特性,並取一定的配合因數kc計算,選取裝置的額定操作衝擊耐受電壓」;
「選取配合因數kc時應考慮到下列因素:絕緣型別及其特性;效能指標;過電壓幅值及分布特性;大氣條件;裝置生產裝備中的分散性及安裝質量;絕緣在預期壽命間的老化,試驗條件及其他未知因素。對於雷電衝擊:
根據我國情況,一般取kc≥1.4;對於操作衝擊:一般取kc≥1.
15」。
結合國家標準的規定,可以計算出如下資料。
6kv變壓器用避雷器的絕緣配合因數值:kc=60kv÷30kv=2>1.4
同理計算:
10kv變壓器用避雷器的絕緣配合因數值:kc=75kv÷50kv=1.5>1.4
根據以上計算可以看出,金屬氧化物避雷器的引數完全可以滿足變壓器過電壓保護的需要。
(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,以承受由於起始電壓分布不均勻而出現的較高匝間電壓。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及以下的變壓器中採用。
(3)增大匝間電容
匝間電容相對於對地電容愈大時,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。
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，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執行。
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