變壓器的過(guò)電壓保護(hù)

變壓器是電網(wǎng)變換電壓和傳送電能的電氣設(shè)備，是電網(wǎng)向用戶供電的載體，變壓器的安全可靠運(yùn)行情系萬(wàn)家燈火。然而在電網(wǎng)運(yùn)行中由于諸多原因會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，而變壓器的絕緣水平相對(duì)比較薄弱，在變壓器損壞的原因中，過(guò)電壓造成損壞的概率最大。在電網(wǎng)運(yùn)行中因某種原因產(chǎn)生過(guò)電壓，必將導(dǎo)致變壓器的損壞，其絕緣水平主要由雷電擊耐受電壓和工頻耐受電壓來(lái)決定。

過(guò)電壓系指對(duì)絕緣有危險(xiǎn)的突然電壓升高，這種非正常的電壓升高，其幅值可達(dá)設(shè)備額定電壓的幾倍以上，嚴(yán)重威脅變壓器絕緣的安全，若過(guò)電壓持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，必將造成變壓器的損壞。為確保電網(wǎng)運(yùn)行中變壓器的安全，除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外，還要對(duì)變壓器設(shè)置合理有效的過(guò)電壓保護(hù)措施。

一、 電網(wǎng)過(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理

電力系統(tǒng)的過(guò)電壓一般可分為暫時(shí)過(guò)電壓(工頻過(guò)電壓、諧振過(guò)電壓、弧光接地過(guò)電壓)、操作過(guò)電壓、雷電過(guò)電壓等。暫時(shí)過(guò)電壓主要由單相接地故障、諧振等引起的。諧振過(guò)電壓是電網(wǎng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障，或頻繁操作設(shè)備引起電網(wǎng)中電感和電容匹配而構(gòu)成諧振回路，在一定條件激發(fā)下產(chǎn)生電能、磁能轉(zhuǎn)換而引起的過(guò)電壓，如是變壓器的勵(lì)磁電感和對(duì)地電容產(chǎn)生的鐵磁諧振，其引起的過(guò)電壓會(huì)更高?；」饨拥剡^(guò)電壓系因系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，在接地點(diǎn)因弧光放電而引起的過(guò)電壓。

操作過(guò)電壓系因電網(wǎng)狀態(tài)的突變而引起電磁場(chǎng)能量的急劇變化，或投切大容量設(shè)備，或是對(duì)設(shè)備的操作失誤等而引起能量快速釋放時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。主要表現(xiàn)在空載線路、變壓器的開(kāi)斷和重合閘等。

雷電過(guò)電壓是大氣中帶有大量正電荷雷云與帶負(fù)電荷雷云相遇時(shí)，發(fā)生雷云放電而引起的過(guò)電壓。雷電過(guò)電壓可分為直擊雷過(guò)電壓和感應(yīng)過(guò)電壓。直接雷過(guò)電壓是雷云直接對(duì)設(shè)備、構(gòu)件等導(dǎo)體的放電產(chǎn)生的，而感應(yīng)過(guò)電壓則是電磁場(chǎng)的急劇變化而產(chǎn)生的。

二、 電網(wǎng)過(guò)電壓對(duì)變壓器的危害

電網(wǎng)中產(chǎn)生的幾種過(guò)電壓，真正對(duì)變壓器絕緣和保護(hù)裝置產(chǎn)生影響的，主要取決于過(guò)電壓的波形。幅值和持續(xù)時(shí)間?？己嗽O(shè)備絕緣水平的電壓波形有三種：短波前的雷電波、長(zhǎng)波前的操作波和低頻電壓波。設(shè)備絕緣對(duì)雷電、操作或工頻電壓的耐受能力應(yīng)由相應(yīng)的波形電壓來(lái)檢驗(yàn)。

在過(guò)電壓對(duì)變壓器造成損壞的事故中，雷電過(guò)電壓導(dǎo)致絕緣擊穿損壞的機(jī)率最多。當(dāng)電網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，在線路導(dǎo)線上會(huì)產(chǎn)生一種振幅很大，作用時(shí)間很短的非周期性脈沖電壓波，它以光速沿線傳輸，先在線路避雷器放電，余波經(jīng)變壓器入地，當(dāng)余波經(jīng)變壓器保護(hù)的避雷器時(shí)，將產(chǎn)生電壓降(殘壓)而作用在變壓器上。假如變壓器與避雷器之間存在一定電氣距離，殘壓在進(jìn)入前會(huì)在這段距離的導(dǎo)線振蕩而導(dǎo)致電壓的升高，造成加在變壓器上電壓高于殘壓，從而對(duì)變壓器絕緣安全造成威脅。所以在安裝變壓器的保護(hù)避雷器時(shí)，應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)避雷器和變壓器保持零距離。

電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的諧振過(guò)電壓或操作過(guò)電壓，其過(guò)電壓幅值也高，持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)。同樣也會(huì)威脅到變壓器運(yùn)行的安全，甚至還會(huì)導(dǎo)致絕緣擊穿而毀壞變壓器。

此外，逆變換過(guò)電壓對(duì)變壓器的危害也不容忽視。當(dāng)變壓器采用避雷器進(jìn)行防雷保護(hù)時(shí)，其避雷器接地線、變壓器中性線和變壓器外殼采用“三位一體”的方式接地。變壓器運(yùn)行中若高壓側(cè)遭受雷擊時(shí)，會(huì)引起避雷器放電，產(chǎn)生的殘壓作用在高壓繞組上。由于高壓繞組阻抗很大，容抗很小，雷電流只在高壓繞組和對(duì)地電容上流過(guò)，其電路經(jīng)接地點(diǎn)放電時(shí)，會(huì)在接地電阻上產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊電壓降，此電壓經(jīng)過(guò)中性線也會(huì)施加低壓繞組上，而低壓繞組流過(guò)雷電流也會(huì)產(chǎn)生磁通。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此磁通會(huì)在高壓繞組上按變壓器變化產(chǎn)生很高感應(yīng)電壓，此電壓稱之為“逆變換過(guò)電壓”。該電壓幅值要比殘壓大幾倍到幾十倍，同樣也會(huì)造成變壓器絕緣的擊穿而損壞。

三、 電網(wǎng)過(guò)電壓的保護(hù)措施

1. 裝設(shè)避雷針保護(hù)

避雷針能有效地將雷電流引向自身而安全入地，是保護(hù)直擊雷的有效措施。變電所及電氣設(shè)備一般采用避雷針進(jìn)行保護(hù)，其保護(hù)范圍取決于避雷針高度與根數(shù)，若采用多根避雷針保護(hù)，其范圍更大效果更好。同時(shí)，為防止反擊事故，避雷針的接地網(wǎng)設(shè)置與接地電阻值一定要符合技術(shù)規(guī)范，并使之與構(gòu)架、變壓器、斷路器等設(shè)備之間距離滿足技術(shù)要求，才能取得良好的防雷保護(hù)效果。

2. 架設(shè)避雷線進(jìn)行保護(hù)

在變電所近區(qū)電源進(jìn)線上方架設(shè)避雷線保護(hù)，可使電源進(jìn)線遭受雷電侵入波的概率大大減少。若在避雷線以外線路上落雷時(shí)，由于進(jìn)線段導(dǎo)線本身阻抗作用，使流過(guò)避雷器的雷電流受到限制，又由于導(dǎo)線上的沖擊電暈的影響，使雷電侵入波的陡度和幅值下降，從而使保護(hù)變壓器的避雷器動(dòng)作殘壓降低，有利于與變壓器絕緣的配合，因而對(duì)變壓器的防雷起到起良好作用。

3. 裝設(shè)避雷器進(jìn)行保護(hù)

電網(wǎng)保護(hù)過(guò)電壓的避雷器，無(wú)論是無(wú)間隙的氧化鋅避雷器，還是有間隙的普通閥式避雷器，器選擇使用的一個(gè)共同原則是：避雷器的額定電壓應(yīng)不低于避雷器安裝地點(diǎn)的暫時(shí)過(guò)電壓;變壓器中性點(diǎn)避雷器的額定電壓應(yīng)不低于變壓器的最高相電壓。若避雷器的額定電壓選低了，對(duì)閥式避雷器而言，若線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，由于變壓中性點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓而無(wú)法滅弧造成爆炸;對(duì)無(wú)間隙氧化鋅避雷器，同樣將使其在一次過(guò)電壓下吸收能量過(guò)多而劣化損壞。反之，若避雷器額定電壓選擇高了，則相應(yīng)的沖擊放電電壓和殘壓將增大，保護(hù)電氣設(shè)備的限壓效果將變得不好。

對(duì)于有間隙的普通閥式避雷器，其閥片的阻值是隨通過(guò)的電流而變化的，當(dāng)很大雷電流通過(guò)閥片時(shí)，其非線性電阻呈現(xiàn)很大電導(dǎo)率，使避雷器殘壓不高。在正常電壓時(shí)非線性電阻的電導(dǎo)率將下降，把工頻續(xù)流限制到很小的數(shù)值，為火花間隙切斷續(xù)流創(chuàng)造了良好條件，使避雷器短時(shí)間作用的沖擊放電電壓減小，從而保護(hù)了變壓器的安全運(yùn)行。

在變壓器防雷保護(hù)中采用了“三位一體”的接地方式，其接地裝置及接地電阻值能否滿足技術(shù)要求，避雷器與變壓器之間電氣距離能否實(shí)現(xiàn)“零距離”，這是變壓器能否得到有效保護(hù)的關(guān)鍵。因變壓器遭受雷擊時(shí)，雷電流經(jīng)接地電阻也會(huì)產(chǎn)生電壓降，此電壓與殘壓疊加后一起作用在變壓器繞組上，同樣也會(huì)威脅到變壓器的安全。

總之，避雷器的防雷效果，取決于避雷器的殘壓、侵入波陡度及避雷器與變壓器之間電氣距離。在避雷器的選擇上，必須使其伏秒特性上限低于變壓器伏秒特性下限，避雷器殘壓也應(yīng)小于變壓器絕緣耐壓允許程度，其數(shù)值也應(yīng)小于沖擊波的幅值，這樣的避雷器才會(huì)有保護(hù)過(guò)電壓的效果。

4. 變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓的保護(hù)

變電所處于多雷區(qū)又是單電源進(jìn)線，其三相雷電侵入波機(jī)率較多，故主變壓器中性點(diǎn)需裝設(shè)避雷器保護(hù)。變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓保護(hù)的設(shè)置，可單獨(dú)采用專門保護(hù)變壓器中性點(diǎn)的設(shè)置，可單獨(dú)采用專門保護(hù)變壓器中性點(diǎn)的無(wú)間隙氧化鋅避雷器(簡(jiǎn)稱中性點(diǎn)MOA)。采用中性點(diǎn)MOA，可保護(hù)雷電過(guò)電壓及操作過(guò)電壓。其優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)作靈敏、殘壓低、通流容量大，對(duì)保護(hù)主變壓器中性點(diǎn)免遭過(guò)電壓具有良好效果。

此外，現(xiàn)今的中性點(diǎn)MOA的額定電壓較高，當(dāng)中性點(diǎn)電位偏離不大時(shí)，MOA仍有較好的保護(hù)效果。若有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，主變壓器中性點(diǎn)將產(chǎn)生一倍的工頻相電壓，此電壓也不會(huì)對(duì)MOA造成損壞。

若中性點(diǎn)電位嚴(yán)重偏離時(shí)，避雷器運(yùn)行中自身安全將受到威脅，當(dāng)中性點(diǎn)過(guò)電壓達(dá)到工頻相電壓的2倍以上時(shí)，此時(shí)避雷器會(huì)因通流量不夠而損壞，并可能危及主變的安全。盡管這種情況發(fā)生的概率很少，但為了主變的安全，除采用中性點(diǎn)MOA保護(hù)主變中性點(diǎn)過(guò)電壓外，還可在避雷器邊上并聯(lián)水平棒間隙來(lái)限制工頻過(guò)電壓。棒間隙并聯(lián)避雷器的保護(hù)作用是：雷電、操作過(guò)電壓由避雷器承擔(dān)保護(hù)，而間隙則是用來(lái)限制避雷器上出現(xiàn)的幅值較高的工頻過(guò)電壓。這種保護(hù)的設(shè)置方式，既對(duì)變壓器中性點(diǎn)過(guò)電壓進(jìn)行保護(hù)，又達(dá)到了互為保護(hù)的目的。

5. 三繞組變壓器的保護(hù)

三繞組變壓器具有高、中、低壓三個(gè)繞組，其運(yùn)行中若遭雷擊高壓側(cè)有雷電波侵入時(shí)，會(huì)通過(guò)靜電耦合和電磁感應(yīng)向低壓繞組傳遞過(guò)電壓。在高、中壓繞組運(yùn)行，低壓繞組開(kāi)路時(shí)，低壓繞組對(duì)地電容值較小，其繞組上的靜電感應(yīng)電壓分量可達(dá)到較高值，因而會(huì)危及低壓繞組的絕緣安全，為限制過(guò)電壓的危害，低壓繞組則需在出口外裝設(shè)避雷器進(jìn)行保護(hù)。

變壓器運(yùn)行中，若系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱接地故障，或斷路器的非全相動(dòng)作等而出現(xiàn)零序電壓時(shí)，此電壓將通過(guò)電容耦合傳遞到低壓繞組。由于這種電壓具有工頻過(guò)電壓特性，同樣也會(huì)危及低壓繞組絕緣的安全。為此，除選用同期性能好的斷路器外，通常在變壓器低壓側(cè)母線橋上加裝3只Y。接線的電容器，用以增加低壓側(cè)對(duì)地電容，能有效地吸收和降低過(guò)電壓幅值和陡度，從而起到保護(hù)過(guò)電壓的效果。

6. 變壓器低壓系統(tǒng)的保護(hù)

變壓器低壓側(cè)供電線路較長(zhǎng)，容易遭受雷電波的侵襲，當(dāng)?shù)蛪壕€路遭受雷擊時(shí)，電壓分別在低壓繞組和接地電阻上，侵入的雷電流由于電磁感應(yīng)會(huì)按變壓器的變比在高壓繞組上產(chǎn)生感應(yīng)過(guò)電壓。為防止逆變換過(guò)電壓對(duì)高壓繞組造成危害，其低壓側(cè)出口也需裝設(shè)一組金屬氧化物避雷器，用以抑制低壓繞組產(chǎn)生的沖擊磁通，從而起到過(guò)電壓的保護(hù)作用。

此外，由于Y、Zn11聯(lián)結(jié)組變壓器繞組結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，若采用這種變壓器對(duì)抑制逆變換過(guò)電氣也有很好作用，能有效地保護(hù)“逆變換過(guò)電壓”對(duì)變壓器的損壞。

四、 結(jié)束語(yǔ)

變壓器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備，其絕緣水平相對(duì)比較薄弱，而過(guò)電壓造成變壓器損壞的概率最大。為確保變壓器安全可靠運(yùn)行，除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外，仍需對(duì)運(yùn)行的變壓器設(shè)置有效的過(guò)電壓保護(hù)。根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行特點(diǎn)和接地方式，變壓器中性點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)電壓機(jī)率也較多，除在變電所、電網(wǎng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù)外，還要在變壓器中性點(diǎn)設(shè)置合理的過(guò)電壓保護(hù)，確保變壓器安全穩(wěn)定運(yùn)行。