淺談變壓器繞組波過程及防雷保護措施

李文杰

摘 要：變壓器是是利用電磁感應原理來改變交流電壓的裝置，繞組為變壓器的重要組成部分，雷電過電壓是繞組的一大威脅，了解雷電波在變壓器繞組中的波過程對防雷保護至關重要。本文著力分析了變壓器繞組中的波過程，并由此針對性的提出了變壓器的防雷保護措施，為變電站雷雨季節(jié)可靠運行提供了有力的支撐。

關鍵詞：變壓器；繞組；波過程；防雷保護

[Abstract] The transformer is using the principle of electromagnetic induction to change the AC voltage of the device， Windings are important components of transformers， Lightning over voltage is a great threat to winding， It is essential to understand lightning wave in transformer windings for lightning protection. The article analyzes the wave process in transformer windings， and made appropriate measures for lightning protection. So， it provided a strong support for reliable operation of substation during thunderstorm season.

[Key words] Transformers Windings Wave process Lightning protection

電力變壓器在運行中除了要經受工頻電壓的長期作用以外，還會遭受幅值特別高的雷電沖擊過電壓的作用，由于雷電沖擊過電壓具有幅值高且波前陡的特點，所以當它侵襲到變壓器繞組上時，它急劇大量的降落在繞組絕緣的端部，從而導致此處的電場高度集中，這就可能引起電壓器主絕緣的損壞。因此，需要對電力變壓器的波過程進行研究。本文通過詳細分析變壓器繞組中波過程的基本規(guī)律，給出了變壓器絕緣結構和變電站防雷保護接線方法。

1 變壓器繞組中的波過程

1.1 單相變壓器繞組內的波過程

由于變壓器繞組的結構特點，在沖擊電壓作用下，電磁耦合尤為復雜。單相變壓器繞組等值電路[1]如圖1所示，圖中L0為沿繞組高度方向單位長度的電感，C0、K0分別表示沿繞組高度方向單位長度的對地電容與匝間電容。

在沖擊電壓作用的波前部分等值頻率較高，容抗比感抗小得多，故等值電路只包含C0、K0的電容鏈，即沖擊波作用起始階段由C0、K0決定電位的起始分布；而在沖擊波尾部分，等值頻率下降，L0相當于短路，C0、K0相當于開路，等值電路可視為一直流電阻，即穩(wěn)態(tài)階段由繞組直流電阻決定其穩(wěn)態(tài)電壓分布；由于電感和電容之間能量的轉換，使起始階段向穩(wěn)態(tài)階段過渡時存在振蕩過程。

1.1.1起始電壓分布與入口電容

經分析可知繞組末端絕緣或末端接地的起始電壓分布表達式[2，3]為：

（1）

其中：

由式（1）可知，al越大，起始電壓分布曲線下降速度越快。

此外，a愈大，繞組首端附近的壓降越大，即繞組首端的電位梯度

最大，值為：

（2）

式（2）表明，在 時，繞組首端 的電位梯度比平均值（ ）大al倍，因此，對繞組首端的絕緣應采取保護措施。

分析變電站防雷保護時，因等值頻率很高，可以忽略電感的影響，變壓器可用歸算至首端的對地電容來代替，通常叫做入口電容。它的數值為：

（3）

式中C—變壓器繞組總的對地電容，F；

K—變壓器繞組總的匝間電容，F。

即入口電容為變壓器繞組全部對地電容與匝間電容的幾何均值。

變壓器繞組入口電容與其容量、電壓等級和結構等有關。通常變壓器繞組入口電容[2]可參見表1，對于糾結式繞組，因匝間電容較大，其入口電容比表1的數值大。

1.1.2 穩(wěn)態(tài)電壓分布

當 時，繞組的穩(wěn)態(tài)電壓分布完全由繞組的電阻決定。當繞組中性點絕緣時，繞組上各點對地電位相同；而中性點接地時，電壓自首端 至中性點 均勻下降。

1.1.3 過渡過程中繞組各點最大對地電位包絡線

由于沿繞組的起始電壓分布與穩(wěn)態(tài)電壓分布不同，加之繞組是分布參數的振蕩回路，故由初始狀態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)分布必有一個振蕩過程。顯然，振蕩過程的劇烈程度由繞組電壓起始分布和穩(wěn)態(tài)分布的差決定。把記錄的各個時刻振蕩過程中繞組各點出現的最大電位連成曲線，可得到繞組中各點的最大電位包絡線。

由圖2可知：末端接地的繞組中，在繞組首端附近將出現最大電位，其值可達 左右；末端不接地的繞組中，在中性點附近將出現最大電位，其值可達 左右。但在實際中，由于繞組內存在損耗，最大值將低于上述值。這時繞組的設計與縱絕緣保護是非常重要的參數。

1.2 三相變壓器繞組內的波過程

電力變壓器一般按照Y、Y0、 接線，三相繞組中波過程的基本規(guī)律[4]與單相繞組相同，當變壓器高壓繞組星形連接且中性點接地時，無論是一相、兩相或三相進波，都可以按三個獨立繞組波過程分析。

當變壓器高壓側星形接線且中性點不接地時，設A相進波，如圖3所示，由于線路的波阻抗遠小于繞組對沖擊波的阻抗，故在沖擊電壓作用下可近似認為B、C兩相繞組的線路側是接地的，可等效為B、C兩相繞組并聯(lián)與A相繞組串聯(lián)，長度增加一倍。繞組中電壓的起始分布與穩(wěn)態(tài)分布如圖3（b）所示。穩(wěn)態(tài)電壓是按繞組的電阻分布，故中性點O的穩(wěn)態(tài)分布電壓為 ，因而在振蕩過程中中性點O的最大對地電位可達 。如果兩相、三相同時進波，可用疊加法來估算中性點對地電位。顯然，中性點最高電位分別可達 和 。

若變壓器繞組是三角形接線，任一相進波時，同樣可認為未受沖擊的兩相線路側相當于接地，此時與末端接地繞組相同。兩相進波和三相進波可以用疊加法處理。圖4（b）曲線為三相進波時沿繞組的初始電壓分布（曲線1）、穩(wěn)態(tài)電壓分布（曲線2）和繞組各點對地最大電位包絡線（曲線3）。此時變壓器繞組對地最大電位處于中部，高達 。三相來波幾率比較小，大致10%，基本15年一遇。

1.3 變壓器繞組絕緣的內部保護

由變壓器繞組波過程過程分析可知：改善起始電壓分布使之接近穩(wěn)態(tài)電壓分布，可以降低繞組各點在振蕩過程中的最大對地電位和最大電位梯度。

通常采用橫向或縱向電容補償來改善繞組起始電壓分布的方法。

1.3.1橫向電容補償

在變壓器繞組首端增設電容環(huán)或采用屏蔽線匝，利用繞組各點與電容環(huán)間的電容耦合向對地電容C0提供充電電荷，使所有縱向電容K0上的電荷都相等或接近相等，如圖5所示。

1.3.2縱向電容補償

盡量增大縱向電容的值，以消弱對地電容電流的影響，工程上常采用糾結式繞組[1]，如圖6所示。

1.4 沖擊電壓在繞組間的傳遞

當過電壓波投射到變壓器的一個繞組時，會在別的繞組上感應出一定的電壓，它也可能達到相當高的數值而引起絕緣故障，需要加以保護。

變壓器繞組之間的傳遞過電壓包括靜電感應電壓和電磁感應電壓[11]。

（1）靜電感應（電容傳遞）

這個分量是通過繞組之間的電容耦合而傳遞過來的，因而其大小跟變壓器的變比沒有什么關系。

C12=高、低壓繞組間的電容

C2=低壓繞組本身對地電容+相連設備對地電容+線路對地電容（電纜出線電容大）：一般C2>C12

低壓側若開路，C2僅是低壓繞組本身電容，所以U2高，通常在一相的出線端接避雷器來對整個三相繞組提供保護。

（2）電磁感應（磁傳遞）

這個分量是因磁耦合而產生的。

初時電流為0，耦合為0；隨電流增加，耦合按變比傳遞到其他繞組

通常依靠緊貼每相的高壓繞組端安裝的三相避雷器對這種電壓進行保護。

2 變壓器的防雷保護

2.1 電力變壓器保護

當雷電波侵入變壓器時，會對變壓器繞組主絕緣、匝間絕緣和中性點絕緣構成威脅，依據變壓器的結構的不同，采取保護的方式也不同[5]。

2.1.1三繞組變壓器和自耦變壓器保護

當雷電波由變壓器高壓側侵入時，通過繞組間靜電、電磁耦合，在低壓側繞組也將出現過電壓。三繞組變壓器在正常運行時，可能有高、中壓繞組運行，低壓繞組開路的情況。此時，若線路有入侵雷電波作用在高壓側或中壓側時，由于低壓繞組的對地電容很小，開路的低壓繞組上的靜電耦合分量可能達到很高的數值，危及低壓繞組的安全。限制這種過電壓，只要在每一相低壓繞組出線端對地加裝一臺避雷器即可。如果低壓繞組連接有25m及以上的金屬外皮電纜時，則相應的增加了低壓側的對地電容，限制了過電壓，此時低壓側可不裝避雷器。

三繞組變壓器中壓繞組，相對來說，絕緣水平比低壓繞組要高，當其開路運行時，一般靜電耦合分量不會損壞中壓繞組，沒有特殊情況，不必加裝上述要求的避雷器。

雙繞組變壓器在正常運行時，高壓與低壓側斷路器都是閉合的，兩側都有避雷器。

自耦變壓器一般除有高、中壓自耦繞組外，還帶有三角形接線的低壓繞組，以減少零序電抗和改善波形。因此，它有可能只有兩個繞組運行而另一個繞組開斷的情況。

當高壓端線路襲來雷電侵入波時，設端電壓為U0，其初始和穩(wěn)態(tài)分布及最大電位包絡線都和中性點接地的繞組相同，如圖7（a）所示，在開路的中壓端 上可能出現的最大電位為高壓側電壓U0的 （K為高壓側與中壓側繞組的變比），這樣可能造成開路的中壓端套管閃絡。因此在中壓端與斷路器之間應裝設一組避雷器，以便在中壓端斷路器開路時，保護中壓端繞組的絕緣。

當高壓側開路，中壓側有一雷電波 侵入時，初始和穩(wěn)態(tài)分布如圖7（b）所示，由中壓端A&apos；到開路的高壓端A的穩(wěn)態(tài)分布，是由中壓端A&apos；到中性點O穩(wěn)態(tài)分布的電磁感應形成的，高壓端穩(wěn)態(tài)電壓為KU&apos；0。在振蕩過程中，A端的電位可達2KU&apos；0，這將危及開路的高壓繞組。因此，在高壓側與斷路器之間也應裝一組避雷器。當中壓側有出線（相當于A&apos；經線路波阻抗接地），高壓側有雷電波入侵時，雷電波電壓將大部分加在AA&apos；繞組上，可能使繞組損壞。同樣，中壓側進波，高壓側有出線時，情況與上述類似。這種情況，顯然AA&apos；繞組愈短（即變比K愈?。r，愈危險。為此，當變比小于1.25時，在AA&apos；之間應裝設一組避雷器。

自耦變壓器的防雷接線如圖8（a），也可以采用圖8（b）所示的避雷器保護方式。與8（a）相比，它可以節(jié)省避雷器原件，但引線比較麻煩，還需驗算自耦繞組任一側接地短路條件下，避雷器所承受的最高工頻電壓不應超過其滅弧電壓。

（1）在中壓側和斷路器之間裝設一組避雷器FZ2；

（2）在高壓斷路器的內側也必須裝一組避雷器FZ1；

（3）在高中壓繞組間裝設一組避雷器FZ3；

（4）三繞組變壓器的低壓側開路運行時，在任一相的低壓繞組出線端對地接一臺避雷器，便可以限制靜電耦合作用產生的過電壓，保護三項低壓繞組。

2.1.2 變壓器中性點保護

（1）中性點絕緣水平的分類

全絕緣：中性點的絕緣水平與繞組首端（相線段）的絕緣水平相等（60kV及以下變壓器）。

分級絕緣：中性點的絕緣水平低于繞組首端（相線段）的絕緣水平（110kV及以上變壓器）。

（2）不同電壓等級的中性點保護

60kV及以下電網，一般都是非直接接地，采用全絕緣，一般不需要保護。但在單臺變壓器單路進線情況下，應安裝一個與繞組首端同樣電壓等級的避雷器作為保護。

在中性點直接接地的系統(tǒng)中，為了減少單相接地的短路電流，有部分變壓器的中性點采取不接地運行。此時，變壓器的中性點需要保護。

110kV及以上的電網，一般是中性點直接接地，但部分為了繼電保護要求，中性點不直接接地，屬分級絕緣。要求：需選用與中性點絕緣等級相同的避雷器進行保護，并且避雷器的滅弧電壓必須大于中性點可能出現的最大工頻電壓。特點：中性點的絕緣水平比相電壓低得多，110kV變壓器中性點采用的是35kV級絕緣，220kV中性點采用110kV級絕緣，330kV變壓器采用154級絕緣；如果中性點采用分級絕緣且未裝設保護間隙，應在中性點加裝避雷器，宜選變壓器中性點MOA；如果變壓器中性點全絕緣，一般不需保護。

但在多雷區(qū)單路進線的中性點非直接接地的35～110kV變電站，宜在中性點加裝避雷器保護。裝有消弧線圈的變壓器且有單路進線的可能性時，也應在中性點上加裝避雷器，并且后者在非雷雨季節(jié)也不許退出運行，以限制操作過電壓。所有這些避雷器的額定電壓都可按線電壓選擇，至少不應低于相電壓，具體按表2[6]選用。

110kV及以上電網，電網中性點一般是直接接地的，但為了限制單相短路電流并滿足繼電保護需要[7]，部分變壓器中性點是不接地的，如果中性點是半絕緣的，就要進行保護。這是因為對于中性點不接地的變壓器，當雷電波從線路侵入變電站到達變壓器中性點時，對于三相同時進波，雷電波在中性點全反射，產生近2倍入射波過電壓，幅值很高，將危及變壓器中性點絕緣。這種情況雖屬少見，但在單臺變壓器的變電站中，如果變壓器中性點絕緣損壞，損失慘重，故需在中性點加裝一個與首端有同等電壓等級的避雷器。

避雷器選擇方法[2]是，滅弧電壓高于單相接地時中性點電位升高，殘壓低于中性點沖擊耐壓值。為可靠滅弧，中性點避雷器至少采用滅弧電壓為35%ULmax（ULmax為系統(tǒng)最高運行線電壓）的避雷器，一般用40%ULmax避雷器。對于220kV變壓器的半絕緣中性點，則用Y1.5W-96/260避雷器保護即可。變壓器中性點使用金屬氧化鋅避雷器保護時，應符合下列要求：

（1）避雷器的持續(xù)運行電壓和額定應不低于DL/T620-1997標準[8]。

（2）避雷器能承受所在系統(tǒng)的暫時過電壓和操作過電壓能量。

110～220kV系統(tǒng)中部分變壓器中性點不接地，只需在部分變壓器中性點上加裝對地的間隙[9]，其間隙距離的選擇應保證只在內部過電壓下動作，而在雷電過電壓時不動作。

500kV變壓器的中性點直接接地或經小電抗接地，其絕緣水平為35kV級，并用相應等級的避雷器保護。

2.2 配電變壓器保護

6～10kV配電線路絕緣水平低，直擊雷常使線路絕緣閃絡，但大部分雷電流流入大地，限制了侵入波以及通過避雷器的雷電流幅值；加之避雷器與變壓器靠的很近，兩者之間電位差很小，因此可以不設進線保護。

考慮變壓器的正反變換過電壓[10]，在高低壓側均應安裝避雷器，保護接線如圖10所示，避雷器的接地線應與變壓器金屬外殼，以及低壓側中性點連在一起三點聯(lián)合接地，降低高壓繞組上的電壓。

（1）安裝位置

應該在變壓器的高壓側和低壓側分別安裝避雷器。

（2）安裝方式

避雷器應當盡可能靠近變壓器裝設，其接地線應與變壓器的金屬外殼以及低壓側中性點共同接地，并減小接地線的長度，以減小電壓降。

2.3 GIS變電所防雷保護（全封閉SF6氣體絕緣變電所）

GIS（全封閉組合電器）[11]變電所是除變壓器以外，其余高壓電力設備及母線封閉在一個接地的金屬殼內（內充0.3～0.4MPa壓力SF6）

GIS對所有避雷器的伏秒特性、放電穩(wěn)定性等技術指標要求很高，應使用保護性能優(yōu)異的MOA；

GIS結構緊湊，設備之間距離較近，波阻抗較大，防雷措施、行波保護措施較常規(guī)變電站方便；

GIS中的同軸母線筒的波阻抗遠比架空線低，從架空線侵入的過電壓波經過折射，幅值和陡度顯著減小，因此進行波保護措施幣常規(guī)變電所更加容易。

3 結論

本文詳細分析了變壓器繞組中的波過程，并針對雷電波在變壓器繞組的規(guī)律及發(fā)展過程，提出了具體的變壓器防雷保護措施。此對變電站變壓器的防雷保護具有一定的指導意義。

參考文獻

[1]曾令全等.電機學[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]張一塵等.高電壓技術（第二版）[M].北京：中國電力出版社，2007.

[3]楊方衡.變壓器繞組波過程計算中沖擊電壓函數的確定[J].變壓器，1983（12），53～58.

[4]韓波.電力變壓器繞組波過程分析及部分縱絕緣優(yōu)化[D]. [碩士學位論文] .哈爾濱：哈爾濱理工大學，2011.

[5]李洪濤. 500kV變電站雷電侵入波保護研究[D]. [碩士學位論文] .重慶：重慶大學，2006.

[6]GB/11032-2000，交流無間隙金屬氧化物避雷器[S].GB/11032-2000，AC gapless metal oxide arrester [S].

[7]張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2004.

[8]DL/T620-1997，交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合[S].

[9]林耀洲，陳秀娟等.110kV、220kV不接地運行變壓器中性點保護方式[J].電網技術，2012（4） ，256～259.

[10]王偉平，劉源等.配電變壓器的防雷保護[J].電瓷避雷器， 2010（5），70～75.

[11]沈其等.高電壓技術（第四版）北京：中國電力出版社，2012.