浅析变压器的防雷保护.docx
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浅析变压器的防雷保护
浅析变压器的防雷保护
变压器的种类繁多,它的防雷保护是一个复杂的大课题。
本文仅就变压器中性点和配电变压器的防雷保护进行简单分析。
一、配电变压器的防雷措施:
1.在配电变压器高压侧装设避雷器
Ω
其接线图如图1所示
图1配电变压器高压侧加装避雷器
大量研究和运行以验均表明,仅在高压侧采用避雷器保护时,在雷电波作用下仍有损坏现象。
一般地区年损坏率为1%,在多雷区可达5%左右,个别100雷暴日的雷电活动特殊强烈地区年损坏率高达50%。
究其主要原因,乃是雷电波侵入配电变压器高压侧或低压侧绕组所引起的正、逆变换过电压造成的。
正、逆变换过电压产生的机理如下:
1)逆变换过电压。
所谓逆变换过电压,即当3~10kV侧侵入雷电波,引起避雷器动作时,在接地电阻上流过大量的冲击电流,产生压降IRch,这个压降作用在低压绕组的中性点上,使中性点的电位抬高,当低压线路比较长时,低压线路相当于波阻抗接地。
因此,在中性点电位作用下,低压绕组将流过较大的冲击电流。
三相绕组中流过的冲击电流方向相同、大小相等,它们产生的磁通在高压绕组中按变压器匝数比感应出数值极高的脉冲电势。
三相的脉冲电势方向相同、大小也相等(假定三相磁路对称)。
由于高压绕组接成星形,且中性点不接地,因此在高压绕组中,虽有脉冲电势,但无冲击电流。
冲击电流全部成为激磁电流,产生很大的零序磁通,使高压侧感应很高的电势。
由于高压绕组出线端电位受避雷器残压固定,这个感应电势就沿着绕组分布,在中性点幅值最大。
因此,中性点的绝缘容易击穿。
同时,层间和匝间的电位梯度也相应增大,可能在其他部位发生层间和匝间的绝缘击穿。
这种过电压首先是由高压进波引起的,再由低压电磁感应至高压绕组,通常称之为逆变换。
下面以Y,yn0接线的10kV配电变压器为例,来简要分析高压侧进线雷击时所引起的电流分布和逆变换过电压。
假如变压器的冲击接地阻R=7Ω,避雷器FS-10动作后,流过的雷电流IB=5kA,由于R一般比变压器低压绕组的阻抗小得多,Ir可以忽略不计,则在R上所产生的电压IR·R≈35kV。
这一电压降将作用在低压侧中性点上,而低压侧出线此时相当于导线波阻抗Z接地,Z比变压器低压绕组的阻抗小得多,因此,IR·R的绝大部分都加在低压绕组上。
由于电磁感应,在高压绕组上将按变比出现高电压,例如10/0.38kV变压器的变比为26,10kV绕组两端的冲击电流就差不多达到26×35=910kV。
由于高压绕组出线端的电位受到避雷器冲击放电电压所固定,因此,这910kV的高电位将沿高压绕组分布,最大值出现在中性点上,再叠加上避雷器残压,可能将中性点附近绝缘击穿(中性点及主绝缘冲击绝缘水平仅75kV),此910kV的高电位沿高压绕组产生的纵向电压很高,且可能产生振荡,因而也可能将高压绕组中性点附近或其他部分的层间或匝间绝缘击穿。
2)正变换过电压。
所谓正变换过电压,即当雷电波由低压线路侵入时,配电变压器低压绕组就有冲击电流流过。
这个冲击电流也同样按匝数比在高压绕组上产生感应电动势,使高压侧中性点电位大提高,它们层间和匝间的梯度电压也相应地增加。
这种由于低压进波在高压侧产生感应过电压的过程,称为正变换。
试验表明,当低压进波为10kV,接地电阻5Ω时,高压绕阻上的层间梯度电压有的超过配电变压器的层间绝缘全波冲击强度一倍以上。
遇到这种情况,变压器层间绝缘肯定要击穿。
2.在配电变压器低压侧加装普通阀型避雷器或金属氧化物避雷器
运行经验和试验研究表明,对绝缘良好的配电变压器,仅在高压侧装设避雷器雷,仍会发生由于正、逆变换过电压造成的雷害事故。
这是因为高压侧所装设的避雷器对于正变换或逆变换过电压都是无能为力的。
正、逆变换过电压作用下的层间梯度电压与变压器的匝比成正比,与绕组匝数的分布有关,绕组首端、中部和末端
均有可能损坏,但以末端较危险。
低压侧加装避雷器可以将正逆变换过电压限制在一定范围之内,其接线如图2所示。
图2配电变压器低压侧加装避雷器接线图
此种保护采用的低压避雷器是FS-0.38,接地电阻R=5.3Ω,10kV配电变压器的出厂冲击试验电压为75kV,可见,无低压避雷器保护时,正、逆变换产生的过电压对高压绕组都是危险的;在有低压避雷器保护时,若从高压侧侵入的雷电波较强,逆变换引起的过电压对高压绕组仍有危险。
试验表明,低压侧三相出线采用冲击放电电压和残压不超过1.5~2.0kV的低压普通阀式避雷器或金属氧化物避雷器保护是比较可靠的,与配电变压器绕组的纵绝缘基本相配合。
我国各地的运行经验也证明在配电变压器低压侧加装普通阀式或金属氧化物避雷器是一种有效的措施。
进行农网改造是一个系统的大课题,本文仅就它其中的几个方面粗浅的讨论。
值得指出的是,有的配电变压器加装低压阀式避雷器后,仍有少量雷击损坏事故发生,例如,湛江地区的许多配电变压器高、低压侧均装有避雷器,但其年损坏率仍达10%左右,产生这种现象的主要原因是:
1)低压避雷器残压偏高(2.1~2.6kV),由于正、逆变换,特别是逆变换而使配电变压器损坏。
2)配电变压器本身存在绝缘缺陷。
3)配电变压器的接地电阻值偏高。
4)雷电流陡度大。
3.在配电变压器低压侧装设半导体保护器。
60~70年代就有人提出在配电变压器低压侧加装阀式避雷器或金属氧化物避雷器,但运行经验表明均不甚理想。
最近有人提出在配电变压器低压侧加装半导体保护器。
这种保护器之所以能起到保护作用,是因为它是氧化锌、氧化鉍、氧化锰、氧化钴等组成的半导体压敏元件,具有正反相同的陡峭非线性特性。
在额定电压及以下时,其漏电流小(μA级);而当它两端出现过电压时,立即被击穿,抑制过电压幅值;当过电压消失后,又恢复正常状态。
平时功率极小,而瞬间通流量可达几十千安。
它具有残压低、晌应时间快、体积小、便于安装等优点。
在样机上的模拟试验结果如表1所示。
表1模拟试验结果
样机
(台)
高压绕组
中性点电位(kV)
两端电位差
逆变换
正变换
逆变换
正变换
未
装
未
装
未
装
未
装
2
105~125
80~90
45~100
22.5~25.5
70~90
45~50
-
-
注未-表示一台样机未装保护器;装-表示另一台样机装有保护器。
湖北电瓷电器厂曾将低压侧装有保护器的配电变压器安装在高山雷击区,运行数年,经检查,虽然自落熔丝瓷套管发生过闪络,但变后本身没有任何损坏,证明保护器的保护效果良好。
5.采用Y,zn接线的配电变压器。
由上所述,不管是正变换过电压,还是逆变换过电压,均是由于低压绕组中冲击电流,并在高压绕组中感应出高电压而损坏变压器的。
所以若能减小或消队低压绕组中的冲击电流,就能降低或消除、逆变换过电压。
低压绕组采用曲折星形连接或Z形连接可以实现这个目的。
通常采用的连接方式是Y,zn11组别。
Y,zn11连接的变压器,其高压侧接线与Y,yn0接线的连接方法相同,都是星形接线,但低压绕组连接则不同,Y,zn11为曲折星连接。
曲折星形连接是把每一相绕组均分成两个相等的部分,成为两个半绕组分别绕在两个铁心柱上,而把一个铁心柱上的半绕组和另一铁心柱上的半绕组相反地串连起来,成为相绕组,再按星形连接法,把三相绕组的末端接在一起,如图3所示。
图3Y,zn11连接的配电变压器的接线图和相量图
(a)绕组连接法及低压侧进波;(b)高压绕组相量图;(c)上半部相量图;
(d)下半部相量图;(e)低压绕组合成相量图
Y,zn11接线的配电变压器,当其低压三相进波或高压侧进波时,每个铁心柱上有两个半绕组,这两个半绕组中流过的冲击电流大小相等,但方向相反,如图箭头所示。
因此,这种绕组形成的冲击零阻抗很小,约为2Ω。
冲击电流在每一个铁心柱上的总磁势几乎等于零,无论流过低压绕组的中击电流有多大,每个铁心柱上的总磁势都等于零,磁通也就等于零,从而在高压绕组中几乎没有正、逆变换过电压。
诚然,由于结构及漏磁等原因,磁势不会完全抵消,正、逆变换过电压仍会存在,但只是数值很小而已。
由于这种结线的变压器具有很好的防雷性能,因此被称为防雷变压器。
根据以上试验分析可以看出,Y,zn11接线的变压器有以下特点:
⑴防雷性能好。
能有效地抑制正、逆变换过电压,且低压侧不必装设低压避雷器。
⑵承受单相负荷能力强。
由于低压绕组采用zn形连接,这种连接使心柱上的上、下两半绕组同时流过大小相等、方向相反的零序电流,它建立起来的零序磁通和感应出来的零序磁势,皆在每柱上相互抵消,其值都等于零。
因此从理论上说,Y,zn形连接在三相负荷不对称运行时,不会发生中性点位移现象,因而能负担同类变压器所不能承受的单相负荷。
为此,中性点套管增大到和其他三相相同。
⑶可提高Rjd。
对土质较差的地区,该系列变压器,对接地电阻值可不必苛求。
⑷该系列变压器零序阻抗小,过流保护灵敏,简便可靠。
⑸在配电变压器内部安装金属氧化物避雷器。
据美国和日本资料报导,为防止配电变压器遭受雷害。
在配电变压器内部汕中装设金属氧化的避雷器,金属氧化物避雷器的一端接变压器内部的一次引线,另一端接变压器外壳。
当雷电过电压波侵入时,通过金属氧化物避雷器将其释放掉,直接防止配电变压器损坏。
将避雷器装在配电变压器内部的优点是:
⑴避雷器不受外界干扰、污染和恶劣天气等的影响,具有较高的可靠性。
⑵避雷器到变压器内部一次引线很短,降低了感抗和附加的电压降。
⑶避雷器散热条件好。
因为变压器油传热远比空气、塑料和瓷器为好,使避雷器能抗受低频过电压。
目前我国有的厂家已将金属氧化物避雷组合安装在变压器箱内。
二、变压器的中性点保护
我国生产的电力变压器的中性点绝缘水平:
在60千伏及以下时,与相线端的绝缘水平相等,这叫全绝缘的;而在110千伏及以上时,一般都低于相线端,这叫分级绝缘的。
但也生产少数110千伏全绝缘变压器。
我国60千伏及以下的电网,中性点是非直接接地的。
这种电网因额定电压较低,所以线路绝缘不高,加上35千伏及其以下的线路通常又不架避雷线,所以常有沿线路三相来雷电波的机会,统计资料证明,三相来波的机会约占10%。
当三相来波时,波侵入变压器绕组到达非直接接地的中性点,相当于遇到末端开路的情况,冲击电压会上升约一倍,实验证明,可上升到150~180%,因此,会造成对中性点绝缘的威胁。
但运行经验证明,在785台年的22~66千伏中性点无保护的变压器中只有三次中性点雷害故障,而且是由于中性点刀。
闸绝缘不良或GB2误动作引起的,是可以避免的。
35~60千伏中性点雷害只所以少,是由于以下原因:
1、流过避雷器的雷电流只有1.4~2.0千安,此时残压分别为104和188千伏;2、实际变电所为多路进线,一条线路的来波可由其它线路流走一部份电流,这就进一步减少了雷电流;3、大多数的来波是从线路教远处袭来,其陡度很小;4、变压器的绝缘有一定裕度;5、避雷器与变压器间的距离有一定裕度。
对中性点非直接接地的个别110千伏和154千伏的电网来说,其变压器中性点全是全绝缘的。
此时,由于线路装有避雷线而且线路绝缘较强,所以三相同时来波的机会更少,根据统计约每25年才有一次。
考虑到上述各种有得因素同样存在,所以中性点一般也不需要保护。
但在多雷区单路进线的中性点非直接接地的35~154千伏变电所,宜在中性点上加装避雷器保护。
装有消弧线圈的变压器且有单路进线运行的可能时,也应在中性点加装避雷器,并且后者在非雷季也不许退出运行,以限制消弧线圈可能引起的内过电压。
所有这些避雷器的额定电压都可按线电压选择,至少不应低于相电压,具体可按下表选用,所调查,35千伏变压器中性点用FZ-20保护的,在232台·年中有16只爆炸,爆炸率达6.9次/百只年,这是因为其额定电压小于相电压的缘故,应予更换或拆除。
表2中性点非直接接地电网中用于保护
变压器中性点的避雷器
变压器额定电压
(千伏)
35
60
110
154
中性点避雷器型式
FZ-35或FZ-30
FZ-40
FZ-110J
FZ-154J
我国110千伏及以上的电网,电网中性点一般是直接接地的。
但为了继电保护的需要,其中一部分变压器的中性点是不接地的。
这些变压器的中性点如果是全绝缘的,就不需任何防过电压保护。
但如果是降低绝缘的,就要进行保护,一般加避雷器或间隙保护之。
这些保护装置应同时满足下列条件:
1.其冲击放电电压应低于中性点冲击绝缘水平。
2.因电网一相接地引起的中性点电位升高的稳态值应小于避雷器的灭弧电压以免避雷器爆炸,或电位升高的暂态最大值应小于保护间隙的放电电压以免继电保护不能正确动作。
我们来研究220千伏电网的情况。
如果变压器的中性点是110千伏级绝缘,其中性点冲击试验电压由表查得为400千伏,则选用FZ-110J(其中5千安残压为332千伏)来保护就能符合第一条要求。
考虑到避雷器离中性点很近,而且中性点避雷器电流不超过1.5千安,所以如用FZ-110(其5千伏残压为375千伏)来保护也基本可以。
FZ-110J的灭弧电压100千伏,它大于U0=0.35Uxn=0.35×1.15×220=88.5千伏。
FZ-110J的工频放电电压不小224√2-千伏(幅值),它大于U0m=1.08Uxn/√3=0.62×1.15×220√2-=160√2-千伏(幅值)。
所以能符合第二条要求。
至于FZ-110就更不成问题了。
因此,为保护半绝缘的220千伏变压器中性点,可采用FZ-110J或FZ-110。
据统计,在40台中性点用FZ-110J保护的220千伏变压器中,没有因雷电引起过故障。
但有五只FZ-110J曾因断路器非全相合闸而爆炸。
引起的原因是,单相合闸时,当变压器单侧或双侧有电源,则变压器不接地的中性点至少有Uxg或2Uxg的工频电压,如因参数不当而出现铁谐振,则过电压将更高。
限制这种过电压的方法:
1.提高断中器的质量,保证三相同期动作;
2.在中性点与地之间加装防铁谐振的阻尼电阻;
3.当用隔离开关断开或接入空载变压器时,应先把变压器的中性点直接接地;
4中性点用棒间隙保护。
其次,我们来研究中性点直接接地的110千伏电网。
对中性点绝缘等级为35千伏级的110千伏变压器来说,中性点的冲击试验电压由表查出为180千伏,所以选用FZ-35(其Us=134千伏)就能满足要求。
如用FZ-40,其冲击放电电压在154千伏以下,而残压Us=160千伏,考虑到中性点避雷器流过的雷电流少有超过1千安的,所以基本上能满足第一条要求。
FS-35的灭弧电压为41千伏。
它小于U0=0.35Uxn=0.35×1.15×110=44.3千伏,所以它不能满足第二条灭弧要求。
实际运行经验也说明这一点,例如,陕西XB变电所,曾因雷击使一相接地时,中性点FZ-35爆炸。
所以不可采用FZ-35来保护110千伏变压器的中性点,而应采用FZ-40,因为后者的灭弧电压为50千伏,从而能满足第二条要求。
对中性点绝缘为60千伏级或全绝缘的110千伏变压器,其中性点可采用FZ-60保护。
对全绝缘的110千伏变压器来说,如断路器非全相动作的可能较大或使用熔断器时,为减少非全相动作时中性点避雷器爆炸的机会,在双侧有电源的情况下,中性点可装FZ-110J。
在这两种情况下,也可考虑采用间隙保护。
最后,对中性点绝缘为154千伏级的330千伏变压器,其中性点可采用FZ-154J或间隙保护。
综合以上所述,中性点直接接地电网中保护变压器不接地的中性点的方法如表3所示。
表3中性点直接接地电网中保护变压器
中性点的方法
变压器额定电压
(千伏)
110
220
330
变压器中性点
绝缘等级
(千伏)
35
60
110
110
154
中性点保护方式
FZ-40或FCZ-45
FZ-60或间隙
FZ-110J或FZ-60或间隙
FZ-110J或间隙
FZ-154J或间隙
雷电是一种自然现象,人类对防雷保护是一个逐渐认识的过程。
变压器防雷保护也是发展变化的,新的避雷器、新的防雷方式将不断涌现。
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