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電力變壓器的過電壓現象及其保護措施

2016-10-07 來源:買賣寶

變壓器運行時,如果電壓超過其最大允許工作電壓,稱為變壓器的過電壓。過電壓往往對變壓器的絕緣有很大的危害,甚至使絕緣擊穿。

電力變壓器的過電壓現象及其保護措施

變壓器運行時,如果電壓超過其最大允許工作電壓,稱為變壓器的過電壓。過電壓往往對變壓器的絕緣有很大的危害,甚至使絕緣擊穿。

1、問題提出

變壓器運行時,如果電壓超過其最大允許工作電壓,稱為變壓器的過電壓。過電壓往往對變壓器的絕緣有很大的危害,甚至使絕緣擊穿。過電壓分為操作過電壓和大氣過電壓兩種。輸電線路直接遭雷擊或雷云放電時,電磁場的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓;當變壓器或線路上的開關合閘或拉閘操作時,因系統中電磁能量振蕩和積聚而產生的過電壓稱為操作過電壓。變壓器的這兩種過電壓都是作用時間短促的瞬變過程。

操作過電壓一般為額定電壓的3.0~4.5倍,而大氣過電壓數值很高,可達額定電壓的8~12倍,并且繞組中電壓分布極不均勻,進線端頭部分線匝承受的電壓很高。因此,必須采取必要的措施,防止過電壓的發生和進行有效的保護。

過電壓在變壓器中破壞絕緣有兩種情況,一是將繞組與鐵心(或油箱)之間的絕緣、高壓繞組與低壓繞組之間的絕緣(這些絕緣稱為主絕緣)擊穿;另一種是在同一繞組內將匝與匝之間或一段繞組與另一段繞組之間的絕緣擊穿。

由于過電壓時間極短,電壓從零上升到最大值再下降到零均在極短的時間內完成,因而具有高頻振蕩的特性,其頻率可達100kHz以上。在正常運行時,電網的頻率是50Hz,變壓器的容抗很大,而感抗ωL很小,因此可以忽略電容的影響,電流完全從繞組內部流過。

2、原因分析

以下簡單說明兩種不同類型過電壓產生的原因:

(1)操作過電壓

在一般的電網中,使用的絕大多數是降壓變壓器,下面以降壓變壓器空載拉閘操作為例說明操作過電壓產生的原因。

根據變壓器參數的折算法可知,把二次側(低壓側)電容折算到一次側(高壓側)時,電容折算值很小,因此二次側電容的影響可以略去不計。這就是說,空載時可以忽略二次側的影響。就一次繞組來說,由于每單位長度上的對地電容CFe'是并聯的,故對地總電容值為:

CFe=ΣCFe'

由于一次側單位長度上的匝間電容Ct'是串聯的,故其匝間總電容值為:

Ct=1/(Σ1/Ct')

在變壓器中,通常CFe>>Ct,所以定性分析時,匝間電容的影響也可略去不計。

空載變壓器從電網上拉閘時,如果空載電流的瞬時值不等于零而是某一數值Ia,這時相應的外施電壓瞬時值為Ua。于是在拉閘操作瞬間,一次側電感 L1中儲藏的磁場能量為1/2(L1Ia2),電容CFe上儲藏的電場能量為1/2(CFeUa2)。由于這時變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯 的電路,故在拉閘操作瞬間,回路內將發生電磁振蕩過程。在振蕩過程中,當某一瞬間電流等于零時,此時磁場能量全部轉化為電場能量,由電容吸收,電容上的電壓便升高到最大值Ucmax。

當拉閘操作電流和電容上的電壓一定時,繞組的電感愈大,對地電容愈小,則拉閘操作過電壓愈高。電力系統中,操作過電壓通常不超過額定電壓的3.0~4.5倍。

(2)大氣過電壓

大氣過電壓是輸電線路直接遭受雷擊或雷云放電時,電磁場的劇烈變化所引起的。當輸電線路直接遭受雷擊時,雷云所帶的大量電荷(設為正電荷)通過 放電渠道落到輸電線上,大量的自由電荷向輸電線路的兩端傳播,就在輸電線上引起沖擊過電壓,稱為雷電過電壓。雷電波由零上升到最大值這一段稱為波頭,下降部分稱為波尾。如果把波頭所占時間看成是周期波的四分之一周期,則雷電波可看成是頻率極高的周期性波。這樣,當過電壓波到達變壓器接線端時,相當于給變壓 器加上了一個頻率極高的高電壓。這一瞬變過程很快,一開始,由于高頻下,ωL很大,1/ωC很小,電流只從高壓繞組的匝電容和對地電容中流過。由于低壓繞組靠近鐵心,其對地電容很大(即容抗很小),可近似地認為低壓繞組接地。當雷電波襲擊時,沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間電容Ct和對電容CFe的比例。在一般情況下,由于兩種電容都存在,過電壓時,一部分電流由對地電容分流,故每個匝間電容流的電流不相等,靠近輸電線端的匝間電容流過的電流最大,愈往后則愈小,隨著電壓沿繞組高度的分布變為不均勻,起始電壓分布更不均勻,靠近輸電線端的前幾匝間出現很大的電壓梯度,因此,在靠近輸電線端的前幾個線匝 里,匝間絕緣受到很大的威脅,這時最高匝間電壓可能高達額定電壓的50~200倍。

相關標簽: 電力變壓器

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