變壓器的過電壓保護

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。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(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。

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。

三、 電網(wǎng)過電壓的保護措施

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。