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電力變壓器的過電壓現(xiàn)象及其保護(hù)措施

知識百科

變壓器運行時， 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 。
1、問題提出
變壓器運行時， 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；當(dāng)變壓器或線路上的開關(guān)合閘或拉閘操作時， 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(shù)值很高， 可達(dá)額定電壓的8～12倍， 并且繞組中電壓分布極不均勻， 進(jìn)線端頭部分線匝承受的電壓很高 。 因此， 必須采取必要的措施， 防止過電壓的發(fā)生和進(jìn)行有效的保護(hù) 。
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組之間的絕緣擊穿 。
由于過電壓時間極短， 電壓從零上升到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(dá)100kHz以上 。 在正常運行時， 電網(wǎng)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(nèi)部流過 。
2、原因分析
以下簡單說明兩種不同類型過電壓產(chǎn)生的原因：
(1)操作過電壓
在一般的電網(wǎng)中， 使用的絕大多數(shù)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(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， 電容折算值很小， 因此二次側(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， 故對地總電容值為：
CFe=ΣCFe'
由于一次側(cè)單位長度上的匝間電容Ct'是串聯(lián)的， 故其匝間總電容值為：
Ct=1/(Σ1/Ct')
在變壓器中， 通常CFe＞＞Ct， 所以定性分析時， 匝間電容的影響也可略去不計 。
【電力變壓器的過電壓現(xiàn)象及其保護(hù)措施】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Ua 。 于是在拉閘操作瞬間， 一次側(cè)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) 。 由于這時變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯(lián) 的電路， 故在拉閘操作瞬間， 回路內(nèi)將發(fā)生電磁振蕩過程 。 在振蕩過程中， 當(dāng)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Ucmax 。
當(dāng)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(tǒng)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云放電時， 電磁場的劇烈變化所引起的 。 當(dāng)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， 稱為雷電過電壓 。 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 。 如果把波頭所占時間看成是周期波的四分之一周期， 則雷電波可看成是頻率極高的周期性波 。 這樣， 當(dāng)過電壓波到達(dá)變壓器接線端時， 相當(dāng)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， 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 。 由于低壓繞組靠近鐵心， 其對地電容很大(即容抗很小)， 可近似地認(rèn)為低壓繞組接地 。 當(dāng)雷電波襲擊時， 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， 靠近輸電線端的匝間電容流過的電流最大， 愈往后則愈小， 隨著電壓沿繞組高度的分布變?yōu)椴痪鶆颍?起始電壓分布更不均勻， 靠近輸電線端的前幾匝間出現(xiàn)很大的電壓梯度， 因此， 在靠近輸電線端的前幾個線匝 里， 匝間絕緣受到很大的威脅， 這時最高匝間電壓可能高達(dá)額定電壓的50～200倍 。