變壓器的過電壓保護
發(fā)布時間：2013-08-24 新聞來源：一覽變壓器英才網(wǎng)
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行情系萬家燈火,。然而在電網(wǎng)運行中由于諸多原因會產(chǎn)生過電壓,，而變壓器的絕緣水平相對比較薄弱,，在變壓器損壞的原因中,，過電壓造成損壞的概率最大,。在電網(wǎng)運行中因某種原因產(chǎn)生過電壓,，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決定,。
過電壓系指對絕緣有危險的突然電壓升高，這種非正常的電壓升高,，其幅值可達設(shè)備額定電壓的幾倍以上,，嚴重威脅變壓器絕緣的安全,，若過電壓持續(xù)時間較長，必將造成變壓器的損壞,。為確保電網(wǎng)運行中變壓器的安全,，除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外，還要對變壓器設(shè)置合理有效的過電壓保護措施,。
一,、 電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的機理
電力系統(tǒng)的過電壓一般可分為暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓,、弧光接地過電壓),、操作過電壓、雷電過電壓等,。暫時過電壓主要由單相接地故障,、諧振等引起的。諧振過電壓是電網(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)換而引起的過電壓,，如是變壓器的勵磁電感和對地電容產(chǎn)生的鐵磁諧振,，其引起的過電壓會更高�,；」饨拥剡^電壓系因系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障，在接地點因弧光放電而引起的過電壓,。
操作過電壓系因電網(wǎng)狀態(tài)的突變而引起電磁場能量的急劇變化,，或投切大容量設(shè)備，或是對設(shè)備的操作失誤等而引起能量快速釋放時產(chǎn)生的過電壓,。主要表現(xiàn)在空載線路,、變壓器的開斷和重合閘等。
雷電過電壓是大氣中帶有大量正電荷雷云與帶負電荷雷云相遇時,，發(fā)生雷云放電而引起的過電壓,。雷電過電壓可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)過電壓。直接雷過電壓是雷云直接對設(shè)備,、構(gòu)件等導(dǎo)體的放電產(chǎn)生的,，而感應(yīng)過電壓則是電磁場的急劇變化而產(chǎn)生的。
二,、 電網(wǎng)過電壓對變壓器的危害
電網(wǎng)中產(chǎn)生的幾種過電壓,，真正對變壓器絕緣和保護裝置產(chǎn)生影響的，主要取決于過電壓的波形,。幅值和持續(xù)時間,�,？己嗽O(shè)備絕緣水平的電壓波形有三種：短波前的雷電波、長波前的操作波和低頻電壓波,。設(shè)備絕緣對雷電,、操作或工頻電壓的耐受能力應(yīng)由相應(yīng)的波形電壓來檢驗。
在過電壓對變壓器造成損壞的事故中,，雷電過電壓導(dǎo)致絕緣擊穿損壞的機率最多,。當(dāng)電網(wǎng)遭受雷擊時，在線路導(dǎo)線上會產(chǎn)生一種振幅很大,，作用時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)變壓器保護的避雷器時，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,，殘壓在進入前會在這段距離的導(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,，從而對變壓器絕緣安全造成威脅,。所以在安裝變壓器的保護避雷器時，應(yīng)盡量實現(xiàn)避雷器和變壓器保持零距離,。
電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的諧振過電壓或操作過電壓,，其過電壓幅值也高，持續(xù)時間也較長,。同樣也會威脅到變壓器運行的安全,，甚至還會導(dǎo)致絕緣擊穿而毀壞變壓器。
三,、 電網(wǎng)過電壓的保護措施
此外,，逆變換過電壓對變壓器的危害也不容忽視。當(dāng)變壓器采用避雷器進行防雷保護時,，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。變壓器運行中若高壓側(cè)遭受雷擊時,，會引起避雷器放電,，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地電容上流過，其電路經(jīng)接地點放電時，會在接地電阻上產(chǎn)生一個很大的沖擊電壓降,，此電壓經(jīng)過中性線也會施加低壓繞組上,，而低壓繞組流過雷電流也會產(chǎn)生磁通。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,，此磁通會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“逆變換過電壓”。該電壓幅值要比殘壓大幾倍到幾十倍,，同樣也會造成變壓器絕緣的擊穿而損壞,。
1. 裝設(shè)避雷針保護
避雷針能有效地將雷電流引向自身而安全入地，是保護直擊雷的有效措施,。變電所及電氣設(shè)備一般采用避雷針進行保護,，其保護范圍取決于避雷針高度與根數(shù)，若采用多根避雷針保護,，其范圍更大效果更好,。同時，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效果。
2. 架設(shè)避雷線進行保護
在變電所近區(qū)電源進線上方架設(shè)避雷線保護,，可使電源進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，由于進線段導(dǎo)線本身阻抗作用,，使流過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,，從而使保護變壓器的避雷器動作殘壓降低，有利于與變壓器絕緣的配合,，因而對變壓器的防雷起到起良好作用,。
3. 裝設(shè)避雷器進行保護
電網(wǎng)保護過電壓的避雷器，無論是無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的暫時過電壓;變壓器中性點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,，對閥式避雷器而言,，若線路發(fā)生單相接地故障時，由于變壓中性點出現(xiàn)過電壓而無法滅弧造成爆炸;對無間隙氧化鋅避雷器，同樣將使其在一次過電壓下吸收能量過多而劣化損壞,。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,，保護電氣設(shè)備的限壓效果將變得不好,。
對于有間隙的普通閥式避雷器，其閥片的阻值是隨通過的電流而變化的,，當(dāng)很大雷電流通過閥片時,，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,，使避雷器短時間作用的沖擊放電電壓減小,，從而保護了變壓器的安全運行。
在變壓器防雷保護中采用了“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現(xiàn)“零距離”，這是變壓器能否得到有效保護的關(guān)鍵,。因變壓器遭受雷擊時,，雷電流經(jīng)接地電阻也會產(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,，這樣的避雷器才會有保護過電壓的效果,。
4. 變壓器中性點過電壓的保護
變電所處于多雷區(qū)又是單電源進線，其三相雷電侵入波機率較多,，故主變壓器中性點需裝設(shè)避雷器保護,。變壓器中性點過電壓保護的設(shè)置，可單獨采用專門保護變壓器中性點的設(shè)置,，可單獨采用專門保護變壓器中性點的無間隙氧化鋅避雷器(簡稱中性點MOA),。采用中性點MOA，可保護雷電過電壓及操作過電壓。其優(yōu)點是：動作靈敏,、殘壓低,、通流容量大，對保護主變壓器中性點免遭過電壓具有良好效果,。
若中性點電位嚴重偏離時,，避雷器運行中自身安全將受到威脅，當(dāng)中性點過電壓達到工頻相電壓的2倍以上時,，此時避雷器會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MOA保護主變中性點過電壓外，還可在避雷器邊上并聯(lián)水平棒間隙來限制工頻過電壓,。棒間隙并聯(lián)避雷器的保護作用是：雷電,、操作過電壓由避雷器承擔(dān)保護，而間隙則是用來限制避雷器上出現(xiàn)的幅值較高的工頻過電壓,。這種保護的設(shè)置方式,，既對變壓器中性點過電壓進行保護，又達到了互為保護的目的,。
此外,，現(xiàn)今的中性點MOA的額定電壓較高，當(dāng)中性點電位偏離不大時,，MOA仍有較好的保護效果,。若有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，主變壓器中性點將產(chǎn)生一倍的工頻相電壓,，此電壓也不會對MOA造成損壞,。
5. 三繞組變壓器的保護
三繞組變壓器具有高、中,、低壓三個繞組,，其運行中若遭雷擊高壓側(cè)有雷電波侵入時，會通過靜電耦合和電磁感應(yīng)向低壓繞組傳遞過電壓,。在高,、中壓繞組運行，低壓繞組開路時,，低壓繞組對地電容值較小，其繞組上的靜電感應(yīng)電壓分量可達到較高值,，因而會危及低壓繞組的絕緣安全,，為限制過電壓的危害，低壓繞組則需在出口外裝設(shè)避雷器進行保護。
變壓器運行中,，若系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障,，或斷路器的非全相動作等而出現(xiàn)零序電壓時，此電壓將通過電容耦合傳遞到低壓繞組,。由于這種電壓具有工頻過電壓特性,，同樣也會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)對地電容,，能有效地吸收和降低過電壓幅值和陡度，從而起到保護過電壓的效果,。
6. 變壓器低壓系統(tǒng)的保護
變壓器低壓側(cè)供電線路較長,，容易遭受雷電波的侵襲，當(dāng)?shù)蛪壕�路遭受雷擊時,，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)會按變壓器的變比在高壓繞組上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。為防止逆變換過電壓對高壓繞組造成危害,，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，從而起到過電壓的保護作用,。
此外,，由于Y、Zn11聯(lián)結(jié)組變壓器繞組結(jié)構(gòu)上的特點,，若采用這種變壓器對抑制逆變換過電氣也有很好作用,，能有效地保護“逆變換過電壓”對變壓器的損壞。
四,、 結(jié)束語
變壓器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備,，其絕緣水平相對比較薄弱，而過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行,，除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外，仍需對運行的變壓器設(shè)置有效的過電壓保護,。根據(jù)電網(wǎng)運行特點和接地方式,，變壓器中性點出現(xiàn)過電壓機率也較多，除在變電所,、電網(wǎng)進行過電壓保護外,，還要在變壓器中性點設(shè)置合理的過電壓保護,，確保變壓器安全穩(wěn)定運行。
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