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。