变压器的过电压故障分析与研究

变压器的过电压故障分析与研究

摘要：变压器运行过程中，电压通过量比正常范围内工作电压大，那么则称之为变压器过电压。过电压会对电压器的绝缘造成巨大损害，甚或有可能击穿绝缘。文中对过电压进行分类研究分析，提出了各种过电压的形成原因和具体的保护措施。

关键词：变压器；过电压；冲击过电压；保护动作

　　引言

通常把过电压分成内部过电压以及大气过电压两种。大气过电压是指输电线路直接遭受到雷击或雷云放电，电磁场发生巨大变化从而引发的过电压。内部过电压因操作（合闸、分闸），事故（接地、短路、断线等）或其它原因，引起整个系统中电磁能量发生波荡而出现的过电压。内部过电压又分操作过电压和谐振过电压。操作过电压在变压器或线路开关投退分合闸操作、电力系统发生事故时产生的；谐振过电压是由于电力网的电容元件和电感元件参数的不利组合引起谐振而产生的。无论大气过电压还是内部过电压，都是电气设备在瞬间形成的电压超过设定的相对正常范围的现象。通常情况下，内部过电压是额定电压的3倍至4.5倍，大气过电压则有很高的数值，能够达到额定电压的8倍至12倍左右。

变压器构造由电气、机械及空间分布决定，内部结构比较复杂，器身、绕组、绝缘、铁芯、构架、大地等形成各种参数的电容、电感互相作用互相影响，使得过电压在变压器内的分布很不均匀，作为主结构的绕组电压分布更加混乱，特别是端口位的线匝因为有较高的电压，所以需要使用各项方式避免出现过电压的情况以及能够对其开展及时有效的保护工作。

一、过电压故障的危害

变压器过电压主要是指其中间直流回路过电压，中间直流回路过电压的主要危害表现在以下几方面。

对功率单元直流回路电解电容器的寿命有直接影响，严重时会引起电容器爆裂。因而高压变频器厂家一般将中间直流回路过电压值限定在一定范围内，一旦其电压超过限定值，变频器将按限定要求跳闸保护。

对功率器件如整流桥、IGBT、SCR的寿命有直接影响，直流母线电压过高，功率器件的安全裕量减少。例如对AC700V输入电压等级的功率单元来说，其功率器件的额定耐压一般选定在DV1700V左右，考虑器件处在开关状态时dv/dt比较大，因此在直流母线电压过高时再叠加功率器件开关过程中产生的过电压，很有可能超过器件的额定耐压而造成器件击穿损坏。

对功率单元的控制板造成损坏。一般功率单元中控制板上的。DC/DC变换器需从直流母线取电，DC/DC变换器的输入电压也有一定的范围，直流母线电压过高，则变换器中开关管如MOSFET也会击穿。

过电压产生的原因

一般能引起中间直流回路过电压的原因主要来自以下两个方面：

来自电源输入侧的过电压。以西门子S120为例，通常情况下，整流单元进线电源电压为380V，误差不超过10%。变压器工作的直流电压为经过三相桥式全波整流后的平均值，BLM整流模块输出电压平均为560V，峰值也不会超过600V。个别情况下电源线电压达到460V，其峰值电压也不超过650V，并不算很高，因此一般情况下进线电源不会导致变压器过压。如果在电源输入侧有强大的电压冲击时，如雷电等大的电磁干扰，则会导致变压器过电压。但此种情况并不多见。

来自负载侧的过电压。变压器过电压主要来自负载侧，原因主要有以下几方面：当电机带动大负载减速时，由于变压器设置的减速斜坡时间过短，变压器输出频率下降的较快，而负载由于自身惯性很难按照变压器输出频率对应的转速运行，即电机运行速度比变压器设定的速度要高，电机转子转速超过了同步转速，此时电机转差率为负值，转子绕组切割旋转磁场的方向与电机正常运行时状态时相反，其电磁转矩为阻碍电机旋转方向的制动转矩。所以此时电机实际上处于发电状态，负载的动能被“再生”成为电能。再生能量通过变压器中间的逆变回路对直流储能电容器充电，使直流母线电压上升，这就是再生过电压。因变压器与电机本身具有一定的消耗能力，这部分再生能量将被变压器及电机消耗掉。若再生能量超过了变压器与电机的能耗范围，直流回路的储能电容将会过度充电，变压器由于自身的保护功能会动作，使运行停止。

二、振荡过电压的分析

不管是大气过电压还是操作过电压都是表现为冲击波，从起始过渡到最终有一个振荡的过程，或者由于电力网的电容元件和电感元件参数的不利组合引起谐振，这个过程产生的过电压，就是振荡过电压。在这个过程中，起作用的不仅有电容，还有电感和电阻，在变压器的绕组不同点上不同时刻地产生最大的对地电压，甚至可达到冲击波电压值的2倍，这将可能使变压器绕组对地间的主绝缘被穿透，绝缘破坏。

从振荡过电压的特性来看，能控制好振荡过电压幅值，就可以为工程上检验变压器的质量提供了手段。振荡型冲击波型具有产生效率高、适合现场使用、接近设备实际作用波形又便于和实验室结果相比对的优点，目前，在设备交接及大修后在现场进行检验变压器质量的冲击电压试验时采用。由于产生双指数型雷电波和操作波冲击电压的设备庞大、不易移动、安装复杂及用于现场时波形没有统一规范的标准，因此极大的限制了这项试验在现场的开展和应用。针对这种情况，IEC于2005年推出了IEC60060-3标准，我国也于2010年等效采用了该标准（GB/T 16927.3.高电压试验技术第3部分现场试验的定义和要求），该标准推荐采用振荡型雷电波（OLI，Oscillating Lightning Impulse）和振荡型操作波（OSI，Oscillating Switching Impulse）进行现场冲击试验。所谓的振荡性冲击电压，按照IEC60060-3标准可定义为“电压迅速上升到峰值，然后伴随着一定频率范围的阻尼振荡降低至零，其特性可用包络线（波形特性）和振荡频率（振荡特性）所描述”。对于振荡型雷电冲击电压，振荡频率为15kHz-400kHz，而对于振荡型操作冲击电压，振荡频率为1kHz-15kHz，具有不同振荡频率的典型振荡型雷电冲击电压波形和振荡操作冲击电压波形其波前、波长时间由包络线决定，这与双指数冲击电压波相同。

三、常见的过电压保护方法

为了避免变压器绕组绝缘过电压的情况下被击穿，在实际工作中要使用合适的方式对设备的过电压做保护工作，现今使用的过电压保护方式主要有以下几种。

1、装设避雷器保护

在变压器的进出线位置安装上一个避雷器，一旦有雷电击中输电线路或雷击于输电线路附近，在输电线路上产生过电压或感应过电压时，雷电波进入变压器前，过电压会将避雷器的保护间隙穿透，使过电压波释放电荷至地面，从而避免雷电波侵害变压器，对变压器起到了良好的保护作用。

2、强化绝缘

依据雷电波对变压器的作用特点分析，匝间电压变化电场突变主要在首尾和末位，对这两个部位进行有针对性的绝缘加强，可以防止因为起始过电压分布失调出现超高匝间电压引起的绝缘击穿。但使用这种方式的局限性也突出，因为加厚绝缘的操作使得绕组不能良好散热，并且匝间电容减少，强化了匝之间的电压梯级变化，所以现如今只是用在35千伏及以下的变压器。

3、加大匝间电容

当匝间电容相对于对地电容越大的时候，那么电压的起始排布是不协调的。电压的梯级越小，强化匝间电容的方式对过电压行保护操作也就越有效。纠结式缠绕线圈的方式，制作工艺简单，成本更低，能够更加明显的将匝间的电容凸显，成为如今高压大型电力变压器与高压绕组使用最多的最常见的绕线的方式。

4、增大感抗

从雷电波的波形可以看出，其瞬时电压在极短的时间内变化很大，电流跟电压成正比增加。通过在避雷器尾部装设感应线圈，当瞬时电流急剧增加的时候，线圈中所产生的感应电流与瞬时电流方向相反，抵消了一部分的瞬时电流，从而间接的阻止了瞬时电压，起到了缓冲的作用，减少了瞬时过电压对变压器造成的破坏。

结束语

过电压对变电器的影响原因相对复杂，依照不同种类的过电压，需要使用不同的过电压保护方式。在实际的工作过程中，需要从经济和技术两方面综合考虑，选择效果突出、经济性好的过电压保护方式，确保变压器运行的安全稳定。

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本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/1bcc4886de80d4d8d05a4f24.html