變壓器的過電壓保護及過電壓對電網的影響

　　變壓器是電網變換電壓和傳送電能的電氣設備，是電網向用戶供電的載體，變壓器的安全可靠運行情系萬家燈火。然而在電網運行中由于諸多原因會產生過電壓，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。在電網運行中因某種原因產生過電壓，必將導致變壓器的損壞，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。為確保電網運行中變壓器的安全，除選用優(yōu)質的變壓器外，還要對變壓器設置合理有效的過電壓保護措施。

　　一、 電網過電壓產生的機理

　　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。諧振過電壓是電網中電氣設備發(fā)生故障，或頻繁操作設備引起電網中電感和電容匹配而構成諧振回路，在一定條件激發(fā)下產生電能、磁能轉換而引起的過電壓，如是變壓器的勵磁電感和對地電容產生的鐵磁諧振，其引起的過電壓會更高。弧光接地過電壓系因系統(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，或投切大容量設備，或是對設備的操作失誤等而引起能量快速釋放時產生的過電壓。主要表現在空載線路、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過電壓。直接雷過電壓是雷云直接對設備、構件等導體的放電產生的，而感應過電壓則是電磁場的急劇變化而產生的。

　　二、 電網過電壓對變壓器的危害

　　電網中產生的幾種過電壓，真正對變壓器絕緣和保護裝置產生影響的，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。設備絕緣對雷電、操作或工頻電壓的耐受能力應由相應的波形電壓來檢驗。

　　在過電壓對變壓器造成損壞的事故中，雷電過電壓導致絕緣擊穿損壞的機率最多。當電網遭受雷擊時，在線路導線上會產生一種振幅很大，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，余波經變壓器入地，當余波經變壓器保護的避雷器時，將產生電壓降(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線振蕩而導致電壓的升高，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，應盡量實現避雷器和變壓器保持零距離。

　　電網內出現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，甚至還會導致絕緣擊穿而毀壞變壓器。

　　此外，逆變換過電壓對變壓器的危害也不容忽視。當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遭受雷擊時，會引起避雷器放電，產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，其電路經接地點放電時，會在接地電阻上產生一個很大的沖擊電壓降，此電壓經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生磁通。根據電磁感應原理，此磁通會在高壓繞組上按變壓器變化產生很高感應電壓，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。

　　三、電網過電壓的保護措施

　　1. 裝設避雷針保護

　　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，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，避雷針的接地網設置與接地電阻值一定要符合技術規(guī)范，并使之與構架、變壓器、斷路器等設備之間距離滿足技術要求，才能取得良好的防雷保護效果。

　　2. 架設避雷線進行保護

　　在變電所近區(qū)電源進線上方架設避雷線保護，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. 裝設避雷器進行保護

　　電網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，則相應的沖擊放電電壓和殘壓將增大，保護電氣設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，當很大雷電流通過閥片時，其非線性電阻呈現很大電導率，使避雷器殘壓不高。在正常電壓時非線性電阻的電導率將下降，把工頻續(xù)流限制到很小的數值，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要求，避雷器與變壓器之間電氣距離能否實現“零距離”，這是變壓器能否得到有效保護的關鍵。因變壓器遭受雷擊時，雷電流經接地電阻也會產生電壓降，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，避雷器殘壓也應小于變壓器絕緣耐壓允許程度，其數值也應小于沖擊波的幅值，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避雷器保護。變壓器中性點過電壓保護的設置，可單獨采用專門保護變壓器中性點的設置，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。

　　此外，現今的中性點MOA的額定電壓較高，當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生一倍的工頻相電壓，此電壓也不會對MOA造成損壞。

　　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水平棒間隙來限制工頻過電壓。棒間隙并聯避雷器的保護作用是：雷電、操作過電壓由避雷器承擔保護，而間隙則是用來限制避雷器上出現的幅值較高的工頻過電壓。這種保護的設置方式，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。

　　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有雷電波侵入時，會通過靜電耦合和電磁感應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母線橋上加裝3只Y。接線的電容器，用以增加低壓側對地電容，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

　　變壓器低壓側供電線路較長，容易遭受雷電波的侵襲，當低壓線路遭受雷擊時，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會按變壓器的變比在高壓繞組上產生感應過電壓。為防止逆變換過電壓對高壓繞組造成危害，其低壓側出口也需裝設一組金屬氧化物避雷器，用以抑制低壓繞組產生的沖擊磁通，從而起到過電壓的保護作用。

　　此外，由于Y、Zn11聯結組變壓器繞組結構上的特點，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、 結束語

　　變壓器是電力系統(tǒng)重要設備，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)質的變壓器外，仍需對運行的變壓器設置有效的過電壓保護。根據電網運行特點和接地方式，變壓器中性點出現過電壓機率也較多，除在變電所、電網進行過電壓保護外，還要在變壓器中性點設置合理的過電壓保護，確保變壓器安全穩(wěn)定運行。