配电变压器过电压分析与解决方案

2023-06-27 理论教育版权反馈

【摘要】：根据国内许多单位的研究,一致认为配电变压器雷害事故主要是由正、逆变换过电压引起的。表1-56给出了沪宁地区130台配电变压器的雷击损坏部位,由表1-56可见,配电变压器的雷击损坏大多数发生在高压绕组的层、匝间,这与理论分析是一致的。因此,在山区、高土壤电阻率地区,逆变换过电压幅值很高,配电变压器损坏的可能性更大。过电压与变压器变比成正比,因此35/0.4kV配电变压器的正变换过电压比10/0.4kV更为严重。

根据国内许多单位的研究,一致认为配电变压器雷害事故主要是由正、逆变换过电压引起的。下面分析其产生的机理。

(一) 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IRi,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,如图1-138所示。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。冲击电流只在低压绕组中流通,高压绕组中没有对应的冲击电流来平衡,因此,低压绕组中的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。

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图1-138　产生逆变换过电压情况

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,如图1-139所示。

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图1-139　Y,yn0配电变压器高压侧进线雷击时的电流分布

假如变压器的冲击接地电阻Ri=7Ω,避雷器FS—10动作后,流过的雷电流Ib=5k A,由于Ri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Ri上所产生的电压IR·Ri≈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·Ri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绕组两端的冲击电压就差不多达到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,可能将中性点附近的绝缘击穿 (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。

表1-56给出了沪宁地区130台配电变压器的雷击损坏部位,由表1-56可见,配电变压器的雷击损坏大多数发生在高压绕组的层、匝间,这与理论分析是一致的。

表1-56　雷击130台配电变压器的损坏部位分类

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原华北电力试验研究所在事故分析中,解体雷击坏的271台变压器,高压绕组匝、层间绝缘击穿的就占86.1%,且故障点多在变压器中性点或首端。

逆变换过电压幅值的大小与下列因素有关:

(1)与进波方式有关。高压三相进波比单相或两相进波所引起的逆变换过电压高。

(2)与雷电流大小有关。逆变换过电压与通过变压器高压侧避雷器的雷电流有关,也就是说与进波电压幅值或线路绝缘水平有关,高压进线绝缘水平越高,逆变换电压也越高。

(3)与进波波长有关。逆变换过电压亦与进波波长成比例,波长越长,振荡过程可以得到充分发展,过电压也越高。

(4)逆变换过电压与接地电阻大小有关。接地电阻越大,流过低压绕组的雷电流也越大,逆变换过电压幅值就越高。例如,当接地电阻为5Ω 时,中性点电位为进波幅值的85%;当接地电阻为47Ω时,中性点电位为进波幅值的160%,如表1-57所示。因此,在山区、高土壤电阻率地区,逆变换过电压幅值很高,配电变压器损坏的可能性更大。

表1-57　接地电阻对中性点电位的影响(进波百分比)

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(5)逆变换过电压与低压侧线路的波阻抗Z有关。如果低压线路绝缘没有闪络,即相当于经Z接地,如图1-139所示,流经低压绕组的电流较小,因而逆变换过电压较低;若低压线路绝缘破坏(可能性大),则相当于经线路的电阻 (远小于Z)直接接地,流经低压绕组的电流较大,因而过电压就较高,低压零线的存在减小了低压绕组的电流,也有助于降低逆变换过电压。

(6)与变压器变比有关。逆变换过电压与变比成正比,故35/0.4kV的变压器比10/0.4kV者严重。

(二) 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,如图1-140所示。

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图1-140　配电变压器产生正变换情况

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,高压绕组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,如图1 58所示。遇到这种情况,变压器层间绝缘肯定要击穿。-141和表1-

表1-58　正变换作用下的层间梯度电压

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根据理论分析和试验结果表明,影响正变换过电压的因素有:

(1)与进波方式有关。低压三相进波比单相进波所引起的正变换电压要高,但低压线路绝缘水平低,一般仅为60kV左右,故雷击时基本上为三相进波。

(2)与进波波长有关。过电压与冲击波波长成正比,波长越长,振荡过程可以得到充分发展,过电压也越高;波长短时,振荡来不及充分发展,高压绕组上感应的电压将小于变比乘U2。

(3)与变压器的变比有关。过电压与变压器变比成正比,因此35/0.4kV配电变压器的正变换过电压比10/0.4kV更为严重。

(4)和低压进波的幅值有关。即和低压线路的冲击绝缘水平有关,绝缘水平高,低压进波的幅值大,高压侧感应电势也大。

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图1-141　低压三相进波层间梯度电压

(5)和接地电阻大小有关。接地电阻大小的影响和逆变换的情况正好相反。如图1-142所示。因为接地电阻小,低压进波引起的冲击电流大,在高压侧就感应出较高的电势,反之亦然。例如,当接地电阻为5Ω 时,中性点电位为进波幅值1920%,接地电阻为47Ω 时,中性点电位为进波幅值730%,可见,接地电阻越小,低压进波对变压器的绝缘威胁更大。

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图1-142　低压三相进波正变换中性点对地电位

综上所述,即使配电变压器按规定的冲击绝缘水平设计,避雷器的性能符合要求。雷击时,由正、逆变换引起的过电压,对配电变压器的绝缘威胁仍旧是很大的。避雷器对这种过电压失去保护作用。这个结论与运行情况相符。在雷电活动强烈地区,配电变压器损坏率较高,除个别变压器是由于制造工艺所造成的缺陷或极个别避雷器的性能较差失去保护作用外,有相当多的配电变压器的损坏是由于上述正、逆变换过电压造成的。运行经验表明,配电变压器遭受雷击损坏时,往往伴有低压设备 (如电度表、电动机、电灯等)同时被击坏的现象,这说明配电变压器雷击损坏和在低压线路上出现的雷电过电压有联系。

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