电力变压器的过电压保护

变压器是电力系统中重要的变电设备，其绝缘水平相对比较薄弱。在变压器损坏的诸多原因中。过电压造成损坏的概率最大。当电力系统出现大气过电压或操作过电压时，将导致变压器绝缘的损坏。影响变压器的可靠运行。

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3倍以上，严重威胁变压器绝缘的安全。为确保变压器安全可靠运行，除选择质量优越的变压器外，还要对运行中变压器采取过电压保护措施。

1　电网过电压产生的机理

1.1　电网内过电压产生原因

内过电压可分为谐振过电压、操作过电压、弧光接地过电压。谐振过电压是电网中变配电设备发生故障，频繁操作设备引起电网中电感和电容的匹配，构成谐振回路，在一定条件激发下产生电能、磁能的转换而引起的过电压。操作过电压是因电网状态的突变引发电磁场能量的急剧变化，或投切大容量设备，或对设备操作不当等引起能量的快速释放时产生的过电压。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。

内过电压的大小与网络结构、系统容量与参数、中性点接地方式、电气设备性能及操作方式等因素有关。

1.2　大气过电压产生原因

大气过电压是由大气中带有大量正电荷雷云，与带负电荷雷云相遇时，产生雷云放电时引起的过电压。大气过电压可分为直击雷过电压和感应过电压。

直击雷过电压是雷云直接对电导体放电，雷云中大量电荷聚集在电导体上而产生的过电压：而感应过电压则是因电磁场的急剧变化而产生的。

2　过电压对变压器的危害

变压器因过电压而造成损坏的事故中，其直击雷过电压导致绝缘损坏机率最大。

当输电线路遭受雷击时，在线路中会产生一种振幅很大，作用时间很短的非期性脉冲电压波，它以光速沿线路传输。先在线路避雷器放电，余波经变压器避雷器入地，当余波经变压器避雷器时将产生电压降(残压)，而直接作用在变压器上。假如避雷器和变压器之间存在一定电气距离，残压在进入变压器前会在这段距离上振荡而造成电压的升高，导致作用在变压器上过电压高于残压，这对变压器绝缘安全威胁更大，所以保护变压器的避雷器应与变压器零距离。

电网内出现的谐振过电压或操作过电压，其过电压幅值高。持续时间也较长，这同样也会对变压器绝缘造成威胁，甚至会使绝缘击穿而损坏变压器。

此外，逆变换过电压对变压器的危害也不可忽视。当变压器采用避雷器保护时，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，若变压器高压侧遭受雷击时。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对地电容上流过，其电流经接地点放电时，在接地电阻上产生一个很大的冲击电压降。此电压经低压中性线部分施加在低压绕组上，其低压绕组流过雷电流而产生磁通。根据电磁感应原理会在高压绕组按变比产生很高感应电压，称为“逆变换过电压”。该电压的幅值比残压大几倍到几十倍，同样也会对变压器造成危害。

3　过电压的保护措施

3.1　装设避雷针保护

避雷针能有效地将雷电流引向自身并安全入地，是保护直击雷的有效措施。变电所的变压器等设备一般采用避雷针保护，其保护范围取决于避雷器高度，若用多根避雷针，保护范围更大，效果更好。同时，为防止反击事故，要求避雷针接地电阻符合技术要求，并使其与构架、变压器等设备与接地之间距离满足要求。

3.2　架设避雷线保护

在变电所近区电源进线段止方，架设避雷线保护，可使电源进线上出现雷击侵入波的概率大大减少。若在避雷线以外落雷时，由于进线段导线本身阻抗作用，使流经避雷器的雷电流受到限制。同时，由于导线上的冲击电晕的影响，将使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时的残压有所降低。对变压器的绝缘配合有利，也能起到变压器防雷的作用。

3.3　装置避雷器保护

根据避雷器保护规则，当系统出现大气过电压时，变压器上承受电压最大值，取决于避雷器的残压值、侵入波陡度及变压器与避雷器之间的电气距离。只要避雷器选用合适，安装规范，即能实现过电压保护。

避雷器的基本元件是装在密封磁套管内的火花间隙和非线性电阻(又称阀片)，其阀片的阻值是随通过的电流而变化的。当很大的雷电流通过阀片时，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下降，将工频续流限制到很小的数值，为火花间隙切断续流创造了好的条件，使避雷器短时作用的冲击放电电压减小。若架空导线遭受雷击时，将沿导线传到变压器的雷电流侵入波。由避雷器的放电来限制，从而保护变压器的安全。

此外，在遭受雷击时雷电流经接地电阻时，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，将对变压器绝缘造成危害。为避免这种过电压对变压器的损坏，其保护的避雷器接地线、变压器中性线和变压器外壳采用“三位一体”方式接地，其接地电阻应满足技术要求，才能有效地保护变压器。

为使变压器过电压保护效果更佳，避雷器安装位置必须与变压器实现零距离。在避雷器选择上，必须使其伏秒特性的上限低于变压器伏秒特性下限，避雷器残压也必须小于变压器绝缘耐压所能允许的程度。其数值也应小于冲击波的幅值，才能达到保护过电压的效果。

3.4　主变压器中性点绝缘保护

在35kV及以下系统，变压器中性点绝缘是按线电压设计的，若变电所电源进线段设架设避雷线，又处于多雷区的单电源变电所，其三相雷电侵入波机率较多，故主变压器中性点应装设避雷器保护。

当雷电波入侵行至变压器绕组，再传到不接地中性点，相当于遇到末端开路的情况。侵入波发生反射，理论上冲击电压上升一倍，实践表明可达1.5-1.8U，对其中性点绝缘亦会构成威胁，故主变压器中性点应装设避雷器保护。但在非多雷区，运行经验表明：在出线端装有避雷器保护装置后，中性点一般可不装保护装置。

3.5　三绕组变压器的保护

三绕组变压器运行中，若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侧传递过电压。在高、中压运行，低压侧开路时，低压绕组对地电容值较小。开路的低压绕组上静电感应分量可达较高值，危及低压绕组的绝缘安全。为限制过电压，则需在变压器低压绕组出口外安装避雷器进行保护。

若变压器发生不对称接地故障，或断路器非全相动作等而出现零序电压时，将通过电容耦合传递到低压侧。这种过电压具有工频性质，将危及低压绕组的绝缘安全。为此，除选用同期性能好的断路器外，通常可在低压侧母线桥上加装3只Y0接线的电容器，增加低压对地电容，能有效吸收和降低过电压降值与陡度，起到保护作用。

3.6　变压器低压系统的保护

在农村配电网络中，其低压线路长，大部分处于旷野架设，容易遭受雷电侵袭。当遭雷击时，电压分布在低压绕组和接地电阻上，侵入雷电流由于电磁感应会按变比，在高压绕组上产生感应过电压。除变压器变压侧安装避雷器并与变压器可靠接地外，为防止逆变换过电压危及高压绕组绝缘的安全，其低压侧出口也要装设一组金属氧化物避雷器，以抑制低压绕组产生的冲击磁通，从而起到过电压保护作用。

此外，若采用Y，Zn11联结组的变压器，也能有效抑制正反变换过电压，有利于过电压的保护。