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电压现象及保护措施论文
电压现象及保护措施论文 摘要：针对产生变压器的过电压现象的原因提出相应的保护措施。关键词：变压器；
过电压；
原因；
保护措施 变压器运行时，如果电压超过它的最大允许工作电压，称为变压器的过电 压。过电压往往对变压器的绝缘有很大的危害，甚至使绝缘击穿。过电压分为内 部过电压和大气过电压两种。输电线路直接遭雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈 变化所引起的过电压称为大气过电压（外部过电压）；
当变压器或线路上的开关 合闸或拉闸时，因系统中电磁能量振荡和积聚而产生的过电压称为内部过电压。
变压器的这两种过电压都是作用时间短促的瞬变过程。
内部过电压一般为额定电压的3.0~4.5倍，而大气过电压数值很高，可达额 定电压的8~12倍，并且绕组中电压分布极不均匀，端头部分线匝受到的电压很高。
因此，必须采取必要的措施，防止过电压的发生并进行有效的保护。
过电压在变压器中破坏绝缘有两种情况，一是将绕组与铁心（或油箱）之 间的绝缘高压绕组与低压绕组之间的绝缘（这些绝缘称为主绝缘）击穿；
另一种 是在同一绕组内将匝与匝之间或一段绕组与另一段绕之间的绝缘（这些绝缘称为 纵绝缘）击穿。
由于过电压时间极短，电压从零上升到最大值再下降到零均在极短的时间 内完成，因而具有高频振荡的特性，其频率可达100kHz以上。在正常运行时， 电网的频率是50Hz，变压器的容抗很大，而感扩ωL很小，因此可以忽略电容的 影响，认为电流完全从绕组内部流过。但对高频过电压波来说，变压器的容抗变 成很小，而感抗变成很大，此时电流主要由电容流过，所以必须考虑电容的影响。
CFe―绕组每单位长度上的对地电容；
C""""―高低压绕组之间每单位长度上 的电容；
Ct―绕组每单位长度上的匝间电容；
L""""―过电压时绕组每单位长度上 的漏电感；
R""""―绕组每单位长度上的电阻。
下面简单说明两种不同类型过电压产生的原因：
1内部过电压 我市电网中，绝大多数是降压变压器，下面就以降压变压器空载拉闸为例说明内部电压产生的原因。
根据变压器参数的折算法可知，把二次侧（低压侧）电容折算到一次侧（高 压侧）时，电容折算值为实际值的（1/K2）倍，所以二次侧电容的影响可以略去 不计。这就是说，空载时可以忽略二次侧的影响。就一次绕组来说，由于每单位 长度上的对地电容CFe是并联的，故对地总电容为：CFe=ΣCFe 由于一次侧单位长度上的匝间电容Ct是串联的，故它的匝间总电容为：
Ct=1/（Σ1/Ct） 在电力变压器中，通常CFe＞＞Ct，所以定性分析时，匝间电容的影响也 可略去不计。当再忽略绕组电阻R1时，可得空载拉闸过电压时的简化等效电路：
其中L1是一次绕组的全自感。
把空载变压器从电网上拉闸时，如果空载电流的瞬时值不等于零而是某一 数值Ia，这时相应的外施电压瞬时值为Ua。于是在拉闸瞬间，电感L1中储藏的磁 场能量为1/2L1i2a，电容CFe上储藏的电场能量为1/2CFeU2a。由于这时变压器的 电路是由电感L1和电容CFe并联的电路，故在拉闸瞬间，回路内将发生电磁振荡 过程。在振荡过程中，当某一瞬间电流等于零时，此时磁场能量全部转化为电场 能量，由电容吸收，电容上的电压便升高到最大值Ucmax。当不考虑能量损失时， 根据能量守恒原理有 CFeU2cmax=L1i2a＋CFeU2a 故得，Ucmax=■ 上式表明，当拉闸电流和电容上的电压一定时，绕组的电感愈大，对地电 容愈小，则拉闸时过电压愈高。电力系统中，拉闸过电压通常不超过额定电压的 3.0~4.5倍。
2大气过电压 大气过电压是输电线路直接遭受雷击或雷云放电时，电磁场的剧烈变化所 引起的。当输电线路直接遭受雷击时，雷云所带的大量电荷（设为正电荷）通过 放电渠道落到输电线上，大量的自由电荷向输电线路的两端传播，就在输电线上 引起冲击过电压波，称为雷电波。雷电波向输电线两端传播的速度接近于光速，持续的时间只有几十微秒，电压由零上升到最大值的时间只有几微秒。雷电波的 典型波形如图3。
曲线由零上升到最大值这一段称为波头，下降部分称为波尾。如果把波头 所占时间看成是周期波的四分之一周期，则雷电波可看成是频率极高的周期性波。
这样，当过电压波到达变压器出线端时，相当于给变压器加上了一个频率极高的 高电压。这一瞬变过程很快，一开始，由于高频下，ωL很大的，1/ωC很小，电 流只从高压绕组的匝电容和对地电容中流过。由于低压绕组靠近铁心，它的对地 电容很大，（即容抗很小），可近似地认为低压绕组接地。可雷电波袭击时，沿 绕组高度上的电压分布取决于匝间电容Ct和对电容CFe的比例。在一般情况下， 由于两种电容都存在，过电压时，一部分电流由对地电容分流，故每个匝间电容 流的电流不相等，上面的匝间电容流过的电流最大愈往下面则愈小，随着电压沿 绕组高度的分布变为不均匀，见图4：（图中UAX是过电压波加在变压器两端的 电压）。
从图4中可见，起始电压分布很不均匀，靠近输电线A端的头几匝间出现 很大的电压梯度，因此，在头几个线匝里，匝间绝缘和线饼之间的绝缘都受到很 大的威胁，这时最高匝间电压可能高达额定电压的50~200倍。
3过电压保护 为了防止变压器绕组绝缘在过电压时被击穿，必须采取适当的过电压保护 措施，目前主要采用下列措施：
（1）避雷器保护。在变压器的出线端装设避雷器，当雷电波从输电线侵 入时，避雷器的保护间隙被击穿，过电压波对地放电，这样雷电波就不会侵入变 压器，从而保护了变压器。
（2）加强绝缘。除了加强变压器高压绕组对地绝缘外，针对雷电波作用 的特性，还要加强首端及末端部分线匝的绝缘，以承受由于起始电压分布不均匀 而出现的较高的匝间电压。这种方法效果有限，而且加厚绝缘使散热困难，同时 减少了匝间电容，增大了匝间电压梯度。目前只在35kV及以下的变压器中采用。
（3）增大匝间电容。匝间电容相对于对地电容愈大时，则电压的起始分 布愈均匀，电压梯度越小，因此增加匝间电容是有效的过电压保护措施。过去常 采用加装静电板或静电屏的方法，现在在110kV以上的高压变压器上，广泛采用纠结式线圈。纠结式线圈制造工艺简单，不增加材料，与连续式线圈相比能显著 增大匝间电容，所以现在高压大型电力变压器的高压绕组大多数采用了这种绕线 法。
结束语 造成变压器过电压的原因多种多样，针对不同的过电压，有不同的过电压 保护措施。在实际工作中，我们应进行经济上和技术上的全面研究，选择有效的 过电压保护措施，确保变压器的安全稳定运行。
