电力知识:变压器的过电压保护
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电力知识:变压器的过电压保护
变压器是电网变换电压和传送电能的电气设备，是电网向用户供电的载体，变压器的安全可靠运行情系万家灯火。然而在电网运行中由于诸多原因会产生过电压，而变压器的绝缘水平相对比较薄弱，在变压器损坏的原因中，过电压造成损坏的概率最大。在电网运行中因某种原因产生过电压，必将导致变压器的损坏，其绝缘水平主要由雷电击耐受电压和工频耐受电压来决定。
过电压系指对绝缘有危险的突然电压升高，这种非正常的电压升高，其幅值可达设备额定电压的几倍以上，严重威胁变压器绝缘的安全，若过电压持续时间较长，必将造成变压器的损坏。为确保电网运行中变压器的安全，除选用优质的变压器外，还要对变压器设置合理有效的过电压保护措施。
一、电网过电压产生的机理
电力系统的过电压一般可分为暂时过电压(工频过电压、谐振过电压、弧光接地过电压)、操作过电压、雷电过电压等。暂时过电压主要由单相接地故障、谐振等引起的。谐振过电压是电网中电气设备发生故障，或频繁操作设备引起电网中电感和电容匹配而构成谐振回路，在一定条件激发下产生电能、磁能转换而引起的过电压，如是变压器的励磁电感和对地电容产生的铁磁谐振，其引起的过电压会更高。弧光接地过电压系因系统发生单相接地故障，在接地点因弧光放电而引起的过电压。
操作过电压系因电网状态的突变而引起电磁场能量的急剧变化，或投切大容量设备，或是对设备的操作失误等而引起能量快速释放时产生的过电压。主要表现在空载线路、变压器的开断和重合闸等。
雷电过电压是大气中带有大量正电荷雷云与带负电荷雷云相遇时，发生雷云放电而引起的过电压。雷电过电压可分为直击雷过电压和感应过电压。直接雷过电压是雷云直接对设备、构件等导体的放电产生的，而感应过电压则是电磁场的急剧变化而产生的。
二、电网过电压对变压器的危害
电网中产生的几种过电压，真正对变压器绝缘和保护装置产生影响的，主要取决于过电压的波形。幅值和持续时间。考核设备绝缘水平的电压波形有三种：短波前的雷电波、长波前的操作波和低频电压波。设备绝缘对雷电、操作或工频电压的耐受能力应由相应的波形电压来检验。
在过电压对变压器造成损坏的事故中，雷电过电压导致绝缘击穿损坏的机率最多。当电网遭受雷击时，在线路导线上会产生一种振幅很大，作用时间很短的非周期性脉冲电压波，它以光速沿线传输，先在线路避雷器放电，余波经变压器入地，当余波经变压器保护的避雷器时，将产生电压降(残压)而作用在变压器上。假如变压器与避雷器之间存在一定电气距离，残压在进入前会在这段距离的导线振荡而导致电压的升高，造成加在变压器上电压高于残压，从而对变压器绝缘安全造成威胁。所以在安装变压器的保护避雷器时，应尽量实现避雷器和变压器保持零距离。
电网内出现的谐振过电压或操作过电压，其过电压幅值也高，持续时间也较长。同样也会威胁到变压器运行的安全，甚至还会导致绝缘击穿而毁坏变压器。
此外，逆变换过电压对变压器的危害也不容忽视。当变压器采用避雷器进行防雷保护时，其避雷器接地线、变压器中性线和变压器外壳采用“三位一体”的方式接地。变压器运行中若高压侧遭受雷击时，会引起避雷器放电，产生的残压作用在高压绕组上。由于高压绕组阻抗很大，容抗很小，雷电流只在高压绕组和对地电容上流过，其电路经接地点放电时，会在接地电阻上产生一个很大的冲击电压降，此电压经过中性线也会施加低压绕组上，而低压绕组流过雷电流也会产生磁通。根据电磁感应原理，此磁通会在高压绕组上按变压器变化产生很高感应电压，此电压称之为“逆变换过电压”。该电压幅值要比残压大几倍到几十倍，同样也会造成变压器绝缘的击穿而损坏。
三、电网过电压的保护措施
1装设避雷针保护
避雷针能有效地将雷电流引向自身而安全入地，是保护直击雷的有效措施。变电所及电气设备一般采用避雷针进行保护，其保护范围取决于避雷针高度与根数，若采用多根避雷针保护，其范围更大效果更好。同时，为防止反击事故，避雷针的接地网设置与接地电阻值一定要符合技术规范，并使之与构架、变压器、断路器等设备之间距离满足技术要求，才能取得良好的防雷保护效果。
2架设避雷线进行保护
在变电所近区电源进线上方架设避雷线保护，可使电源进线遭受雷电侵入波的概率大大减少。若在避雷线以外线路上落雷时，由于进线段导线本身阻抗作用，使流过避雷器的雷电流受到限制，又由于导线上的冲击电晕的影响，使雷电侵入波的陡度和幅值下降，从而使保护变压器的避雷器动作残压降低，有利于与变压器绝缘的配合，因而对变压器的防雷起到起良好作用。
3装设避雷器进行保护
电网保护过电压的避雷器，无论是无间隙的氧化锌避雷器，还是有间隙的普通阀式避雷器，器选择使用的一个共同原则是：避雷器的额定电压应不低于避雷器安装地点的暂时过电压;变压器中性点避雷器的额定电压应不低于变压器的最高相电压。若避雷器的额定电压选低了，对阀式避雷器而言，若线路发生单相接地故障时，由于变压中性点出现过电压而无法灭弧造成爆炸;对无间隙氧化锌避雷器，同样将使其在一次过电压下吸收能量过多而劣化损坏。反之，若避雷器额定电压选择高了，则相应的冲击放电电压和残压将增大，保护电气设备的限压效果将变得不好。
对于有间隙的普通阀式避雷器，其阀片的阻值是随通过的电流而变化的，当很大雷电流通过阀片时，其非线性电阻呈现很大电导率，使避雷器残压不高。在正常电压时非线性电阻的电导率将下降，把工频续流限制到很小的数值，为火花间隙切断续流创造了良好条件，使避雷器短时间作用的冲击放电电压减小，从而保护了变压器的安全运行。
在变压器防雷保护中采用了“三位一体”的接地方式，其接地装置及接地电阻值能否满足技术要求，避雷器与变压器之间电气距离能否实现“零距离”，这是变压器能否得到有效保护的关键。因变压器遭受雷击时，雷电流经接地电阻也会产生电压降，此电压与残压叠加后一起作用在变压器绕组上，同样也会威胁到变压器的安全。
总之，避雷器的防雷效果，取决于避雷器的残压、侵入波陡度及避雷器与变压器之间电气距离。在避雷器的选择上，必须使其伏秒特性上限低于变压器伏秒特性下限，避雷器残压也应小于变压器绝缘耐压允许程度，其数值也应小于冲击波的幅值，这样的避雷器才会有保护过电压的效果。
4变压器中性点过电压的保护
变电所处于多雷区又是单电源进线，其三相雷电侵入波机率较多，故主变压器中性点需装设避雷器保护。变压器中性点过电压保护的设置，可单独采用专门保护变压器中性点的设置，可单独采用专门保护变压器中性点的无间隙氧化锌避雷器(简称中性点MOA)。采用中性点MOA，可保护雷电过电压及操作过电压。其优点是：动作灵敏、残压低、通流容量大，对保护主变压器中性点免遭过电压具有良好效果。
此外，现今的中性点MOA的额定电压较高，当中性点电位偏离不大时，MOA仍有较好的保护效果。若有效接地系统发生单相接地故障时，主变压器中性点将产生一倍的工频相电压，此电压也不会对MOA造成损坏。
若中性点电位严重偏离时，避雷器运行中自身安全将受到威胁，当中性点过电压达到工频相电压的2倍以上时，此时避雷器会因通流量不够而损坏，并可能危及主变的安全。
尽管这种情况发生的概率很少，但为了主变的安全，除采用中性点MOA保护主变中性点过电压外，还可在避雷器边上并联水平棒间隙来限制工频过电压。棒间隙并联避雷器的保护作用是：雷电、操作过电压由避雷器承担保护，而间隙则是用来限制避雷器上出现的幅值较高的工频过电压。这种保护的设置方式，既对变压器中性点过电压进行保护，又达到了互为保护的目的。
5三绕组变压器的保护
三绕组变压器具有高、中、低压三个绕组，其运行中若遭雷击高压侧有雷电波侵入时，会通过静电耦合和电磁感应向低压绕组传递过电压。在高、中压绕组运行，低压绕组开路时，低压绕组对地电容值较小，其绕组上的静电感应电压分量可达到较高值，因而会危及低压绕组的绝缘安全，为限制过电压的危害，低压绕组则需在出口外装设避雷器进行保护。
变压器运行中，若系统发生不对称接地故障，或断路器的非全相动作等而出现零序电压时，此电压将通过电容耦合传递到低压绕组。由于这种电压具有工频过电压特性，同样也会危及低压绕组绝缘的安全。为此，除选用同期性能好的断路器外，通常在变压器低压侧母线桥上加装3只Y。接线的电容器，用以增加低压侧对地电容，能有效地吸收和降低过电压幅值和陡度，从而起到保护过电压的效果。
6变压器低压系统的保护
变压器低压侧供电线路较长，容易遭受雷电波的侵袭，当低压线路遭受雷击时，电压分别在低压绕组和接地电阻上，侵入的雷电流由于电磁感应会按变压器的变比在高压绕组上产生感应过电压。为防止逆变换过电压对高压绕组造成危害，其低压侧出口也需装设一组金属氧化物避雷器，用以抑制低压绕组产生的冲击磁通，从而起到过电压的保护作用。
此外，由于Y、Zn11联结组变压器绕组结构上的特点，若采用这种变压器对抑制逆变换过电气也有很好作用，能有效地保护“逆变换过电压”对变压器的损坏。
四结束语
变压器是电力系统重要设备，其绝缘水平相对比较薄弱，而过电压造成变压器损坏的概率最大。为确保变压器安全可靠运行，除选用优质的变压器外，仍需对运行的变压器设置有效的过电压保护。根据电网运行特点和接地方式，变压器中性点出现过电压机率也较多，除在变电所、电网进行过电压保护外，还要在变压器中性点设置合理的过电压保护，确保变压器安全稳定运行。
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