6.变压器保护

6．变压器保护变压器保护从性质上可分成两大类：·保护变压器不受系统任何其他故障部件的影响。

·保护系统不受变压器故障的影响。

6.1、针对系统故障变压器应当采取的保护首先研究系统出现故障时，变压器应采取的保护措施，必须预防三种类型的干扰破坏(过载除外)。

它们是：·短路·高压、高频干扰破坏，包括雷电冲击·纯接地故障除此之外，还有铁磁谐振。

因为任何系统只要有电容和电感，例如与电缆和变压器有关的系统，在一定状态下均可能出现铁磁谐振。

在某些外部干扰引起变压器饱和，从而改变其电感的情况下，一般会引起铁磁谐振。

这将导致系统出现过大的电压和电流，造成对变压器和其他设备的破坏。

虽然某些保护装置可以在铁磁谐振条件下动作，但一般来说并不认为铁磁谐振是“故障”，它只是通过认真设计系统应避免的一种状态。

铁心钢片的非线性是一个固有的特性，它不能被消除掉，而设计的变压器在低磁通密度下运行会降低铁心磁通饱和的可能性，铁心磁通密度低会使变压器结构不经济，并且一般认为它对导致铁磁谐振现象的影响不大。

6.1.1、短路系统短路可以出现在任何两条线路甚至三条线路之间，如果中性点接地，也可能出现在任何一条线路和接地中性点之间。

系统短路的影响是产生过电流，而过电流的幅度取决于系统故障的短路水平和短路电压以及故障前的电路阻抗和故障状态下的阻抗。

短路电流会在它流过的设备中产生很高的机械力，这些机械力与电流平方成正比。

通过提高系统阻抗可以控制短路电流的大小，一般的做法是提高电源变压器阻抗。

但不幸的是，提高系统阻抗会增加系统的电压调整率，由于它对系统性能和运行方面均有不利的影响，所以一般情况下不能予以接受。

在超高压和高压电力系统，为了控制功率和无功功率潮流，需要严格控制系统电压。

在高压和中压电力系统，在用户供电端应当严格规定电压变化范围，以保证用户的设备能够安全运行，特别是电机驱动装置的正常起动。

虽然超高压和高压输电管理部门能够利用变压器的有载分接开关和其他装置，例如利用无功补偿器来控制系统电压，但是从变压器实际情况和经济方面考虑，最好确定电压的分接范围，中压系统的分接，一般仅可选择断开的方式，因此不能实现有效的连续电压控制。

电力系统的设计者应尽可能保持最低的供电电压阻抗，以得到最小的电压调整率，这样做仅仅是使现有开关装置的故障中断能力受到限制。

而在若干年前，电源变压器耐受系统总短路电流的能力却对系统故障水平的选择起到了很重要的制约作用，现代变压器制造厂生产的变压器必须能够耐受电力系统设计者所要求达到的故障水平，因此符合IEC76要求的变压器均应能够耐受在短路条件下所出现的电磁力，而不致于在运行中被破坏，根据绕组短路电流的非对称峰值所确定的电磁力一般为短路电流的2.55倍。

近期，4l5V电动机驱动装置已经普遍采用“软起动”设备，这样通常减少了电动机的起动电流，因此对电力系统设计者来说，中压系统的电压调整率不再成为主要问题。

可以使415V线路的小型配电变压器具有较高的阻抗和较低的耐受短路的能力。

实际上，这一点不可能对配电变压器的技术指标和设计产生很大影响，因为只要已经证明变压器具有较低的阻抗和较高的耐受短路强度，则必须按照常规设计，通过降低变压器阻抗来节约成本的效益不大。

6.1.2、高电压、高频率干扰由于架空线出现的雷击、外部闪络、转换操作和大气放电，电力系统可能出现高压、高频率冲击电流。

这些冲击电流主要以高幅值和陡波前的行波形式，且常常是一个接一个快速地出现。

由于冲击波的幅值很高，它们到达变压器绕组时，会形成对绕组绝缘的严重威胁。

通过设计能够耐受冲击试验电压的绕组，并且在变压器端子附近安装适当的保护装置，可以保证运行中的冲击电流低于保护值，从而最大限度的降低冲击电压的影响。

各种类型的保护，其目的都是一致的，即将线对地或线对线的冲击电流分流，以免到达变压器。

变压器保护可以采取间隙的形式，通常称为棒状放电间隙。

可以将它们并联连接在变压器套管上，在规定的电压下出现闪络，也可采用避雷器的方式进行保护。

直到最近，避雷器才采用一系列间隙与非线性电阻材料串联的做法，一般采用碳化硅材料。

尽管这种类型的避雷器仍然被用在33kV或以下电压等级的野外配电网络，但目前英国其他地区几乎全部采用无气隙金属氧化型避雷器。

避雷器被连接在线与地之间，特殊情况下也可联结在线与线之间。

当高压冲击电流到达避雷器时，由于在高电压下避雷器的电阻很低，所以金属氧化物会发生导电或出现火花击穿，并且通过避雷器放电。

随着冲击电压下降，避雷器电阻会自动升高，防止了对地或线路间的功率潮流。

因此这种类型的避雷器完全是自动动作和自熄弧的。

变压器绕组的内部冲击阻抗不是恒定的单值，它具有与入射冲击波形、频率相对应的一系列数值。

因为振荡引起绕组的冲击阻抗变化和冲击电压的衰减并未影响线端状态。

此外，与线路冲击阻抗相比，变压器线端阻抗很高，所以只要它的规定值在正常数量级内，它对产生的冲击波形影响很小。

本节的冲击电压波形图，示出了变压器线端电压和电流随时间的变化，而不是冲击电压波形施加给线端后绕组所出现的现象。

首先研究当有限长度的矩形电压和电流波从架空线到达没有安装抗干扰保护装置的变压器时会发生什么情况。

架空线和变压器线端的电压波幅度取决于冲击阻抗的相应值，由以下公式可以求出：式中Z——相关电路的冲击阻抗(Ω)；L——相关电路的电感(H)；G——相关电路的电容(F)。

可以把L和C看成是适当长度电路的参数。

当任何电压和电流行波从具有一定冲击阻抗的电路到达具有不同冲击阻抗的电路时，这段行波到达第二个电路时，其幅度要发生某些变化。

当来临的入射波到达两个网路间的转换点时，如果两个回路的冲击阻抗不同，会分成两部分，一部分可传递到二次回路，另一部分反射到一次回路。

行波始终具有与入射波相同的符号，但反射波的符号却具有与入射波相同或相反的符号，这要取决于两个回路的冲击阻抗比值。

这一点既适用于电压波，也适用于电流波。

如果入射波的长度有限，反射渡单独返回到一次回路，它们仅仅是一次回路的瞬时波。

另一方面，如果入射波无限长，那么反射波则沿着一次回路反向通过，叠加在入射波的波尾，因此在一次回路的合成波是入射波和反射波的叠加波。

当两个回路的入射电压和电流波幅值和冲击阻抗一定时，行波和反射波可以用表6中的公式计算出来。

此表列出了确定有限长度入射波的公式。

此处假定，回路损耗并未引起入射波形畸变。

图79和图80分别示出了干扰波、行波和反射电压波的电流波形。

假定入射电压波的幅度是20000V，入射电流波的幅度等于20000V/=。

假定等于：350Ω，行波和反射波是按图中给出的图形绘制的(不计波形畸变)。

从图中可以看出，到达变压器端子的电压波幅度明显高于初始入射波的幅度。

由于变压器线端电压突然增大，因此过去在绕组的末匝绝缘出现许多故障，这是由于尽管最终电压沿着整个绕组均匀分布，但在最初瞬间增高的电压，仅仅通过绕组的前几匝。

因此行波电流的幅度相应小于入射电流波的幅度。

一般情况下，行波没有特别的危害。

这些图可以清楚地表明，与入射波相比，在二次回路的冲击阻抗大于一次回路之处，电压行波增加，但是电流行波下降。

因此反射波的符号和幅值可以满足以下方程：即，电压行波和电流行波等于入射波和反射波之和。

表6 瞬变点矩形波的反射。

变压器不带保护装置V——电压由介电损耗和铜损耗引起的波形畸变可忽略不计i——入射波r——反射波t——行波I——电流和——图80中电路的冲击阻抗电流和电压反射因数=电压传播因数=电流传播因数=此外那么当>时,反射电压波为正当>时,反射电流波为负当<时,反射电压波为负当<时,反射电流波为正注意：在与入射波长相对应的时间周期内，一次回路的总电压和电流等于入射波和反射波之和,但周期过后回路中则仅存在反射波。

根据前面的公式和图，当冲击电流由一个回路进入另一个回路时，其情况可以归纳如下：图79、图中示出了假定入射波幅度为2OkV时的入射波和行波及反射渡渡形当一个电压波从一个回路进入另一个具有更高冲击阻抗的回路时，反射波和行波的符号与入射波相同，而行波的幅值却等于入射波和反射波幅值之和。

当回路条件相同时，行波电流具有与入射波相同的符号，但反射波却具有相反的符号。

行波电流的幅度等于入射波和反射波幅度之和。

图80、人射波幅度为571A时的入射渡、行渡和反射波电流在瞬变点本身，电压和电流波的总幅度始终等于入射波和反射波幅度之和。

当然，应当记住相应的符号，如果入射波无限长，那么在产生入射波的整个回路中，入射波的幅度是相同的。

另一方面，如果入射波是有限长，在一次回路的主要部分，其波的幅值仅仅等于反射波的幅值。

行波和反射波的幅值完全取决于两个电路冲击阻抗的比值。

前面的注释已经指出，进入第二个回路的行波也具有矩形波前。

即，除了由于电路损耗引起任何波形畸变以外，行波的波前不会有任何改变。

如果第二个回路是由感应绕组组成，那么这种矩形波前电压则对变压器绝缘具有严重威胁。

因此，最好是将冲击波形由陡波前的陡矩形变成较平缓的波形，这可以采用适当的冲击分流器来实现。

6.2、变压器的冲击保护现代变压器的冲击保护着眼于防止冲击过电压对变压器整体的破坏，高、低压绕组和套管出现的闪络和绝缘击穿都将产生严重后果，并可使系统断连接。

在英国，变压器的冲击保护方式是在变压器附近放置棒状放电间隙或避雷器，它们可将冲击电流分流到地。

还可以降低进人绕组的冲击电流幅度，使产生的绝缘应力达到按适当比例分配的绝缘所能耐受的水平，在绕组中不会引起不稳定性谐振和危险的振荡电压。

过去常用套管闪络来保护绕组，实际上这种方法是不允许的。

其理由很多，主要是由于闪络会破坏套管。

套管的击穿特性是非常讨厌的，当套管表面、油箱和油箱接地连接出现对地击穿之后，如果系统中性点接地或两只套管同时闪络，那么很低的对地阻抗通路将允许通过工频电流。

这种电流将引起保护电路动作，即使在套管没有被破损的情况下也可导致系统退出运行。

较理想的特性是，在对地通路中，对于正常工频电压设置高阻抗，但在高压瞬变条件下降为低阻抗，随着电压降落又会迅速恢复到原来的阻抗水平。

两种较常用的冲击保护方法是：(1)、棒状放电间隙；(2)、避雷器。

两种方法各有优缺点，但均适用于绝缘合理且电压降至 3.3kV的系统。

同时这两种形式的冲击保护成本对系统可靠性进行调节是合算的。

6.2.1、屏蔽式棒状放电间隙为了防止变压器高压绕组免受外部过电压的破坏，英国的作法是在套管上放置棒状放电间隙，这样做已有多年。

棒状放电间隙的缺点是正极和负极性电压的保护水平之间存在差异。

在保护400kV绕组的情况下，电压保护水平是300kV，波前是100μs。

其他缺点是对于波前超过l00μs的操作冲击电压，工作电压水平会随正冲击电压水平而快速增长。