變壓器運(yùn)行時(shí)，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(duì)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(yùn)行時(shí)，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(duì)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(shí)，電磁場(chǎng)的劇烈變化所引起的過電壓稱為大氣過電壓；當(dāng)變壓器或線路上的開關(guān)合閘或拉閘操作時(shí)，因系統(tǒng)中電磁能量振蕩和積聚而產(chǎn)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(shí)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(shù)值很高，可達(dá)額定電壓的8～12倍，并且繞組中電壓分布極不均勻，進(jìn)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(fā)生和進(jìn)行有效的保護(hù)。
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(nèi)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(shí)間極短，電壓從零上升到最大值再下降到零均在極短的時(shí)間內(nèi)完成，因而具有高頻振蕩的特性，其頻率可達(dá)100kHz以上。在正常運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)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(nèi)部流過。
2、原因分析
以下簡(jiǎn)單說明兩種不同類型過電壓產(chǎn)生的原因：
(1)操作過電壓
在一般的電網(wǎng)中，使用的絕大多數(shù)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(chǎn)生的原因。
根據(jù)變壓器參數(shù)的折算法可知，把二次側(cè)(低壓側(cè))電容折算到一次側(cè)(高壓側(cè))時(shí)，電容折算值很小，因此二次側(cè)電容的影響可以略去不計(jì)。這就是說，空載時(shí)可以忽略二次側(cè)的影響。就一次繞組來說，由于每單位長(zhǎng)度上的對(duì)地電容CFe'是并聯(lián)的，故對(duì)地總電容值為：
CFe=ΣCFe'
由于一次側(cè)單位長(zhǎng)度上的匝間電容Ct'是串聯(lián)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(shí)，匝間電容的影響也可略去不計(jì)。
空載變壓器從電網(wǎng)上拉閘時(shí)，如果空載電流的瞬時(shí)值不等于零而是某一數(shù)值Ia，這時(shí)相應(yīng)的外施電壓瞬時(shí)值為Ua。于是在拉閘操作瞬間，一次側(cè)電感 L1中儲(chǔ)藏的磁場(chǎng)能量為1/2(L1Ia2)，電容CFe上儲(chǔ)藏的電場(chǎng)能量為1/2(CFeUa2)。由于這時(shí)變壓器的電路是由電感L1和電容CFe并聯(lián) 的電路，故在拉閘操作瞬間，回路內(nèi)將發(fā)生電磁振蕩過程。在振蕩過程中，當(dāng)某一瞬間電流等于零時(shí)，此時(shí)磁場(chǎng)能量全部轉(zhuǎn)化為電場(chǎng)能量，由電容吸收，電容上的電壓便升高到最大值Ucmax。
當(dāng)拉閘操作電流和電容上的電壓一定時(shí)，繞組的電感愈大，對(duì)地電容愈小，則拉閘操作過電壓愈高。電力系統(tǒng)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(shí)，電磁場(chǎng)的劇烈變化所引起的。當(dāng)輸電線路直接遭受雷擊時(shí)，雷云所帶的大量電荷(設(shè)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(shí)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(dāng)過電壓波到達(dá)變壓器接線端時(shí)，相當(dāng)于給變壓 器加上了一個(gè)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(duì)地電容中流過。由于低壓繞組靠近鐵心，其對(duì)地電容很大(即容抗很小)，可近似地認(rèn)為低壓繞組接地。當(dāng)雷電波襲擊時(shí)，沿繞組高度上的電壓分布取決于匝間電容Ct和對(duì)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(shí)，一部分電流由對(duì)地電容分流，故每個(gè)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?yōu)椴痪鶆?，起始電壓分布更不均勻，靠近輸電線端的前幾匝間出現(xiàn)很大的電壓梯度，因此，在靠近輸電線端的前幾個(gè)線匝 里，匝間絕緣受到很大的威脅，這時(shí)最高匝間電壓可能高達(dá)額定電壓的50～200倍。
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