19 变压器防雷(2)

u U0 u U0
1.0
1.0
t
t
t 0
t 0
x l
0
0
x l
1、高、低压绕组运行，中压侧开路：
入侵波自高压端侵入时，中压端开路时，绕组中 的初始电压分布、稳态电压分布及最大电位包络 线，都和前面分析中性点接地的单相变压器相同 开路的中压端子 出现的最大电压 约为高压侧电压 的2U0/k倍，可 能使中压端套管 闪络。
3、35kv及以下的中性点非有效接地系统 中的变压器：
中性点采用全绝缘，一般不需保护。
1、中性点全绝缘： 一般不需保护；
但在变电站只有一台变压器且为单路进线情况下， 若为三相同时进波，中性点电压可达绕组始端电压 U0的两倍，需在中性点加装一台与绕组首端同电压 等级的避雷器。
2、中性点分级绝缘：
须选用与中性点绝缘等级相当的避雷器保护，且 其冲击放电电压应低于中性点冲击绝缘水平； 避雷器灭弧电压应大于电网单相接地而引起的中性 点电位升高的稳态值，即最高运行线电压的0.35倍 所以变压器的中性点可以采用灭弧电压等于0.4倍 系统最高运行线电压的避雷器。
U0
在振荡中，高压端 子最大电压可能达 倍，会危及开 2kU 0 路状态高压端的绝 缘，因此应在高压 端和断路器间加装 一组避雷器FV1。
ห้องสมุดไป่ตู้QF1
kU 0
A
QF2
U0
FV1
0
A
A
N
x
FV2
同时应注意：当中压侧接有出线时（相当于A′点 经线路波阻抗接地），如高压侧有过电压波入侵， A′点的电位接近于零，大部分电压作用在A A′段 A ，是很危险的； 同样的，高压侧有出线，中压侧进波 也会造成类似的结果。 A A′越短（k越小），危险性越大。 一般在k <1.25时，还应在A A′之间 再跨接一组避雷器FV3。
，
du x U 0 e dx
U0 du U 0 l dx max l
可见，绕组各点电位梯度不同，首端附近梯度较大， 电压大部分降落在首端附近，将会危及匝间绝缘。
因此对首端匝间绝缘需要采取一定保护措施。
从初始电压分布看出，绕组各点对地电压都不超过 U0，故主绝缘一般没有危险。 试验表面：当冲击波作用于变压器绕组时，绕组中 的电磁振荡一般在10μs 内尚未发展起来，流过电 感的电流很小，可以忽略。因此在分析变电站的防 雷时，变压器对波的影响可用一个集中电容CT代 替，称为变压器的入口电容。 CT的值等于合闸瞬间绕组电容链从首端看进去的等 效电容；与绕组的纵向电容和对地电容有如下关系
通常将稳态分布与初始分布的差值分布叠加在稳态 分布上，以近似作为绕组中各点的最大电位包络线 ，即绕组上任一点的最大电位为：
umax (u u0 ) u 2u u0
最大电位包络线反映了 绕组上的最大对地电压 值及出现的位置。 如末端接地时，最大电 压出现在首端l/3处，其 值达1.4U0左右。 如末端开路，最大电压 发生在末端约为2.0U0。
Q du K0 dx dQ uC0 dx
u Aex Bex
式中 C0 K 0 ，A、B由边界条件决定。
绕组末端接地时，首端电压为U0，末端为0，可求 出A、B的值，即可得到初始电压分布： U0 sh (l x) (l x ) ( l x ) u l [e e ] U0 l shl e e 可见，绕组中初始 电压分布与 l 有关 l 越大，初始电 ， 压分布越不均匀。 末端开路时电压分 布与此基本相同， 按chαl分布。 电压分布见右图
u U0 (%) u U0 (%)
100 80 60 40 20 0
l 0 l 5 l 1
l 10
100 80 60 40
l 0
l 1
l 2 l 5
20 0.6 0.8 1.0
x l
0.2
0.4 (a)
0
l 10
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
x l
K0 CT C0 K 0 C0 l l
即等于绕组单位长度对地电 容和纵向电容的几何平均值
（3）稳态电压分布： 直流电压下，绕组末端接地时，其稳态电压分布 将按绕组的电阻分布，所以其电压分布是均匀的：
x u U 0 (1 ) l
末端开路时，稳态下各点对 地电压都相同，均为U0。
（4）绕组的振荡过程： 初始电压和稳态电压不同，必有一过渡过程，因绕 组的等值电感和电容构成复杂回路，过程中电场能 和磁场能相互转换使过程具有振荡性质。不同时刻 各点对地电位分布不同，将振荡过程中绕组各点出 现的最大对地电压连起来就成为最大电位包络线。 它反映了绕组上的最大对地电压值及出现的位置。
补充：单相变压器绕组中的波过程：
变压器在受到过电压的袭击时，绕组内将出现复杂的 电磁过程，使绕组各点对地绝缘和绕组各点间绝缘上 出现很高的过电压。为了解不同波形冲击电压作用下 变压器内各点的电位变化规律，这里讨论直流电压突 然合闸于单相变压器绕组时的简化等值电路的情况。
（1）单相变压器绕组的简化等值电路 单相变压器除具有分布 L dx 的自电感和对地电容外 ，还有各匝间分布的互 K C dx 电感和匝间互电容。 dx x 假定绕组是均匀的，略 l 去匝间互感和绕组损耗， 单相变压器绕组的简化等值电路 得右图简化等值电路。 其中K0、C0、L0为绕组单位长度的纵向电容、对地 电容和电感，l是绕组长度。 绕组末端（中性点）可能开路，也可能接地，可用 图中开关S的不同位置表示。
Q
u
考虑直角波头电压U0 突然合闸该电路，由 x dx l 于电感电流不能突变， t＝0瞬间变压器绕组的等值电路 合闸瞬间电感可认为 开路，前面的等值电路图可简化为右图。
C0 dx
dx
K0
u du
S
所有的C0dx和K0/dx的充电过程都是瞬时完成，各 个C0dx上的电压就决定了绕组中初始电压分布。 设距离绕组首端x处的电压为u，x点右端微分段纵 向电容K0/dx上的电荷为Q，微分段内沿x方向电压 和电荷的增量分别为du和dQ。 由于在微分段内沿x方向电压和电荷 都是减小的，其中电压减小的部分 降落在K0/dx上，电荷减小的部分储 存在C0dx中，故可得微分方程： 其通解为：
0 0
0
S
由于波过程属于高频过程，故K0、C0不能忽略。 由于K0、C0所组成的电容链的作用，当绕组首端 加上冲击电压后，会立即在绕组各点上出现一定 的电压分布，这是一个复杂的多频率振荡电路。 一般先求出电容上电压的初始分布和稳态分布， 再根据二者之差分析振荡过程。 （2）初始电压分布
U0
t0
Q dQ
(b)
绕组中的初始电压分布 (a) 绕组末端接地； (b) 绕组末端开路
对于普通连续式绕组，l 常在5～15间， shl ch l 前式可近似简化为：
u U 0e
x
也即是说，不论绕组末端开路还是接地，绕组上 初始电压都是按指数规律衰减的。 显然，绕组上各点电位梯度及最大电位梯度分别为
本次课程目的要求
1、能说明自耦变压器防雷保护的内容；
2、了解单相变压器绕组中的波过程；
3、能说明变压器中性点保护的内容。
二、自耦变压器的防雷保护
为了减小系统的零序阻抗和改善电压波形，自耦变 压器的低压绕组是一个三角形接线的非自耦绕组。 该绕组上应装设限制静电过电压的避雷器。 此外，自耦变压器中的波过程有其自己的特点
u
A
QF1
U0
U0
A
k
0
U0
A
A
N
x
QF2 FV2
所以应在中压端 套管与断路器间装设一组避雷器FV2。
2、中、低压绕组运行，高压侧开路：
时，类似分析可知，中压端子 中压端有入侵波 U 0 到中性点的稳态电压分布和末端接地的变压器绕 组相同，从中压端子到高压端子的稳态电压分布 A 由电磁感应形成。 u
FV3
A
QF1
QF2 FV2
FV1
3、低压侧：
采用三角形接线绕组，应装设限制静电感应过电 压的避雷器。
三、变压器中性点的保护
在110kv及以上中性点有效接地系统中，为减小 单相接地短路电流，部分变压器中性点不接地运 行，因而需要考虑其中性点绝缘的保护。 这种系统的变压器，其中性点绝缘水平分全绝缘 和分级绝缘两种。