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電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的機理_電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的原因及保護措施

h1654155282.3538 ? 來源:電工天下 ? 作者:電工天下 ? 2020-02-22 20:31 ? 次閱讀

變壓器是電網(wǎng)變換電壓和傳送電能的電氣設(shè)備,是電網(wǎng)向用戶供電的載體,變壓器的安全可靠運行情系萬家燈火。

然而,在電網(wǎng)運行中由于諸多原因會產(chǎn)生過電壓,而變壓器的絕緣水平相對比較薄弱,在變壓器損壞的原因中,過電壓造成損壞的概率最大。

在電網(wǎng)運行中因某種原因產(chǎn)生過電壓,必將導(dǎo)致變壓器的損壞,其絕緣水平主要由雷電擊耐受電壓和工頻耐受電壓來決定。

過電壓系指對絕緣有危險的突然電壓升高,這種非正常的電壓升高,其幅值可達設(shè)備額定電壓的幾倍以上,嚴(yán)重威脅變壓器絕緣的安全,若過電壓持續(xù)時間較長,必將造成變壓器的損壞。

為確保電網(wǎng)運行中變壓器的安全,除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外,還要對變壓器設(shè)置合理有效的過電壓保護措施。

一、電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生的機理

電力系統(tǒng)的過電壓一般可分為暫時過電壓(工頻過電壓、諧振過電壓、弧光接地過電壓)、操作過電壓、雷電過電壓等。暫時過電壓主要由單相接地故障、諧振等引起的。

諧振過電壓是電網(wǎng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障,或頻繁操作設(shè)備引起電網(wǎng)中電感和電容匹配而構(gòu)成諧振回路,在一定條件激發(fā)下產(chǎn)生電能、磁能轉(zhuǎn)換而引起的過電壓,如是變壓器的勵磁電感和對地電容產(chǎn)生的鐵磁諧振,其引起的過電壓會更高。

弧光接地過電壓系因系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障,在接地點因弧光放電而引起的過電壓。

操作過電壓系因電網(wǎng)狀態(tài)的突變而引起電磁場能量的急劇變化,或投切大容量設(shè)備,或是對設(shè)備的操作失誤等而引起能量快速釋放時產(chǎn)生的過電壓。主要表現(xiàn)在空載線路、變壓器的開斷和重合閘等。

雷電過電壓是大氣中帶有大量正電荷雷云與帶負電荷雷云相遇時,發(fā)生雷云放電而引起的過電壓。雷電過電壓可分為直擊雷過電壓和感應(yīng)過電壓。直接雷過電壓是雷云直接對設(shè)備、構(gòu)件等導(dǎo)體的放電產(chǎn)生的,而感應(yīng)過電壓則是電磁場的急劇變化而產(chǎn)生的。

二、電網(wǎng)過電壓對變壓器的危害

電網(wǎng)中產(chǎn)生的幾種過電壓,真正對變壓器絕緣和保護裝置產(chǎn)生影響的,主要取決于過電壓的波形。幅值和持續(xù)時間。考核設(shè)備絕緣水平的電壓波形有三種:短波前的雷電波、長波前的操作波和低頻電壓波。設(shè)備絕緣對雷電、操作或工頻電壓的耐受能力應(yīng)由相應(yīng)的波形電壓來檢驗。

在過電壓對變壓器造成損壞的事故中,雷電過電壓導(dǎo)致絕緣擊穿損壞的機率最多。當(dāng)電網(wǎng)遭受雷擊時,在線路導(dǎo)線上會產(chǎn)生一種振幅很大,作用時間很短的非周期性脈沖電壓波,它以光速沿線傳輸,先在線路避雷器放電,余波經(jīng)變壓器入地,當(dāng)余波經(jīng)變壓器保護的避雷器時,將產(chǎn)生電壓降(殘壓)而作用在變壓器上。

假如變壓器與避雷器之間存在一定電氣距離,殘壓在進入前會在這段距離的導(dǎo)線振蕩而導(dǎo)致電壓的升高,造成加在變壓器上電壓高于殘壓,從而對變壓器絕緣安全造成威脅。

所以在安裝變壓器的保護避雷器時,應(yīng)盡量實現(xiàn)避雷器和變壓器保持零距離。

電網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的諧振過電壓或操作過電壓,其過電壓幅值也高,持續(xù)時間也較長。同樣也會威脅到變壓器運行的安全,甚至還會導(dǎo)致絕緣擊穿而毀壞變壓器。

此外,逆變換過電壓對變壓器的危害也不容忽視。當(dāng)變壓器采用避雷器進行防雷保護時,其避雷器接地線、變壓器中性線和變壓器外殼采用“三位一體”的方式接地。

變壓器運行中若高壓側(cè)遭受雷擊時,會引起避雷器放電,產(chǎn)生的殘壓作用在高壓繞組上。

由于高壓繞組阻抗很大,容抗很小,雷電流只在高壓繞組和對地電容上流過,其電路經(jīng)接地點放電時,會在接地電阻上產(chǎn)生一個很大的沖擊電壓降,此電壓經(jīng)過中性線也會施加低壓繞組上,而低壓繞組流過雷電流也會產(chǎn)生磁通。根據(jù)電磁感應(yīng)原理,此磁通會在高壓繞組上按變壓器變化產(chǎn)生很高感應(yīng)電壓,此電壓稱之為“逆變換過電壓”。

該電壓幅值要比殘壓大幾倍到幾十倍,同樣也會造成變壓器絕緣的擊穿而損壞。

三、電網(wǎng)過電壓的保護措施

1、裝設(shè)避雷針保護

避雷針能有效地將雷電流引向自身而安全入地,是保護直擊雷的有效措施。

變電所及電氣設(shè)備一般采用避雷針進行保護,其保護范圍取決于避雷針高度與根數(shù),若采用多根避雷針保護,其范圍更大效果更好。

同時,為防止反擊事故,避雷針的接地網(wǎng)設(shè)置與接地電阻值一定要符合技術(shù)規(guī)范,并使之與構(gòu)架、變壓器、斷路器等設(shè)備之間距離滿足技術(shù)要求,才能取得良好的防雷保護效果。

2、架設(shè)避雷線進行保護

在變電所近區(qū)電源進線上方架設(shè)避雷線保護,可使電源進線遭受雷電侵入波的概率大大減少。若在避雷線以外線路上落雷時,由于進線段導(dǎo)線本身阻抗作用,使流過避雷器的雷電流受到限制,又由于導(dǎo)線上的沖擊電暈的影響,使雷電侵入波的陡度和幅值下降,從而使保護變壓器的避雷器動作殘壓降低,有利于與變壓器絕緣的配合,因而對變壓器的防雷起到起良好作用。

3、裝設(shè)避雷器進行保護

電網(wǎng)保護過電壓的避雷器,無論是無間隙的氧化鋅避雷器,還是有間隙的普通閥式避雷器,器選擇使用的一個共同原則是:避雷器的額定電壓應(yīng)不低于避雷器安裝地點的暫時過電壓;變壓器中性點避雷器的額定電壓應(yīng)不低于變壓器的最高相電壓。若避雷器的額定電壓選低了,對閥式避雷器而言,若線路發(fā)生單相接地故障時,由于變壓中性點出現(xiàn)過電壓而無法滅弧造成爆炸;對無間隙氧化鋅避雷器,同樣將使其在一次過電壓下吸收能量過多而劣化損壞。反之,若避雷器額定電壓選擇高了,則相應(yīng)的沖擊放電電壓和殘壓將增大,保護電氣設(shè)備的限壓效果將變得不好。

對于有間隙的普通閥式避雷器,其閥片的阻值是隨通過的電流而變化的,當(dāng)很大雷電流通過閥片時,其非線性電阻呈現(xiàn)很大電導(dǎo)率,使避雷器殘壓不高。在正常電壓時非線性電阻的電導(dǎo)率將下降,把工頻續(xù)流限制到很小的數(shù)值,為火花間隙切斷續(xù)流創(chuàng)造了良好條件,使避雷器短時間作用的沖擊放電電壓減小,從而保護了變壓器的安全運行。

在變壓器防雷保護中采用了“三位一體”的接地方式,其接地裝置及接地電阻值能否滿足技術(shù)要求,避雷器與變壓器之間電氣距離能否實現(xiàn)“零距離”,這是變壓器能否得到有效保護的關(guān)鍵。因變壓器遭受雷擊時,雷電流經(jīng)接地電阻也會產(chǎn)生電壓降,此電壓與殘壓疊加后一起作用在變壓器繞組上,同樣也會威脅到變壓器的安全。

總之,避雷器的防雷效果,取決于避雷器的殘壓、侵入波陡度及避雷器與變壓器之間電氣距離。在避雷器的選擇上,必須使其伏秒特性上限低于變壓器伏秒特性下限,避雷器殘壓也應(yīng)小于變壓器絕緣耐壓允許程度,其數(shù)值也應(yīng)小于沖擊波的幅值,這樣的避雷器才會有保護過電壓的效果。

4、變壓器中性點過電壓的保護

變電所處于多雷區(qū)又是單電源進線,其三相雷電侵入波機率較多,故主變壓器中性點需裝設(shè)避雷器保護。變壓器中性點過電壓保護的設(shè)置,可單獨采用專門保護變壓器中性點的設(shè)置,可單獨采用專門保護變壓器中性點的無間隙氧化鋅避雷器(簡稱中性點MOA)。采用中性點MOA,可保護雷電過電壓及操作過電壓。其優(yōu)點是:動作靈敏、殘壓低、通流容量大,對保護主變壓器中性點免遭過電壓具有良好效果。

此外,現(xiàn)今的中性點MOA的額定電壓較高,當(dāng)中性點電位偏離不大時,MOA仍有較好的保護效果。若有效接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時,主變壓器中性點將產(chǎn)生一倍的工頻相電壓,此電壓也不會對MOA造成損壞。

若中性點電位嚴(yán)重偏離時,避雷器運行中自身安全將受到威脅,當(dāng)中性點過電壓達到工頻相電壓的2倍以上時,此時避雷器會因通流量不夠而損壞,并可能危及主變的安全。盡管這種情況發(fā)生的概率很少,但為了主變的安全,除采用中性點MOA保護主變中性點過電壓外,還可在避雷器邊上并聯(lián)水平棒間隙來限制工頻過電壓。棒間隙并聯(lián)避雷器的保護作用是:雷電、操作過電壓由避雷器承擔(dān)保護,而間隙則是用來限制避雷器上出現(xiàn)的幅值較高的工頻過電壓。這種保護的設(shè)置方式,既對變壓器中性點過電壓進行保護,又達到了互為保護的目的。

5、三繞組變壓器的保護

三繞組變壓器具有高、中、低壓三個繞組,其運行中若遭雷擊高壓側(cè)有雷電波侵入時,會通過靜電耦合和電磁感應(yīng)向低壓繞組傳遞過電壓。在高、中壓繞組運行,低壓繞組開路時,低壓繞組對地電容值較小,其繞組上的靜電感應(yīng)電壓分量可達到較高值,因而會危及低壓繞組的絕緣安全,為限制過電壓的危害,低壓繞組則需在出口外裝設(shè)避雷器進行保護。

變壓器運行中,若系統(tǒng)發(fā)生不對稱接地故障,或斷路器的非全相動作等而出現(xiàn)零序電壓時,此電壓將通過電容耦合傳遞到低壓繞組。由于這種電壓具有工頻過電壓特性,同樣也會危及低壓繞組絕緣的安全。

為此,除選用同期性能好的斷路器外,通常在變壓器低壓側(cè)母線橋上加裝3只Y。接線的電容器,用以增加低壓側(cè)對地電容,能有效地吸收和降低過電壓幅值和陡度,從而起到保護過電壓的效果。

6、變壓器低壓系統(tǒng)的保護

變壓器低壓側(cè)供電線路較長,容易遭受雷電波的侵襲,當(dāng)?shù)蛪壕€路遭受雷擊時,電壓分別在低壓繞組和接地電阻上,侵入的雷電流由于電磁感應(yīng)會按變壓器的變比在高壓繞組上產(chǎn)生感應(yīng)過電壓。為防止逆變換過電壓對高壓繞組造成危害,其低壓側(cè)出口也需裝設(shè)一組金屬氧化物避雷器,用以抑制低壓繞組產(chǎn)生的沖擊磁通,從而起到過電壓的保護作用。

此外,由于Y、Zn11聯(lián)結(jié)組變壓器繞組結(jié)構(gòu)上的特點,若采用這種變壓器對抑制逆變換過電氣也有很好作用,能有效地保護“逆變換過電壓”對變壓器的損壞。

四、總結(jié)

變壓器是電力系統(tǒng)重要設(shè)備,其絕緣水平相對比較薄弱,而過電壓造成變壓器損壞的概率最大。

為確保變壓器安全可靠運行,除選用優(yōu)質(zhì)的變壓器外,仍需對運行的變壓器設(shè)置有效的過電壓保護。

根據(jù)電網(wǎng)運行特點和接地方式,變壓器中性點出現(xiàn)過電壓機率也較多,除在變電所、電網(wǎng)進行過電壓保護外,還要在變壓器中性點設(shè)置合理的過電壓保護,確保變壓器安全穩(wěn)定運行。

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