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【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
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[1]。
变压器的过电压故障主要是绝缘破坏。变压器设计时绝缘强度一般考虑能承受2.5倍的过电压，无论哪一种过电压都超过了变压器的设计绝缘强度，都有可能使变压器的绝缘破坏。过电压对变压器绝缘的破坏一般有3种情形，一种是把绕组和铁芯之间的绝缘高压绕组以及低压绕组间的绝缘穿透，另外一种就是在同样一个绕组中把匝和匝之间或者是同一段绕组或不同一段的绕组间的绝缘穿透，还有一种就是绕组对地间的主绝缘穿透。
过电压对变电器绝缘的破坏主要取决于过电压的波形、幅值和持续时间。过电压是在瞬间形成并完成的，电压从零一直升到巅峰再降低至零这样一个“抛物线”过程是在非常短的时间内实现的，实际上就是一个高频振荡，而且频率能够直接达到100千赫兹以上。正常运行过程中电网的频率是50赫兹，频率较低，这时变压器有很大的容抗，感抗却不大，电容造成的影响很小，可以单纯地认为电流全部是从绕组的内部运行。在属于高频振荡的过电压情况下，变压器有很小的容抗，感抗却变得很大，这时候电流大部分属于容性电流，需要充分考虑电容带来的影响。
结合变压器实际运行情况和遭受过电压的情况，分析电容造成的影响，我们可以用以下的等效参数电路对变压器电压分布做出分析。
图1 变压器的分布参数电路
以下简单的分析形式不同的过电压出现的原因和具体的保护方式。
1 内部过电压在变压器内的分布及分析
在电网之中，大部分的变压器是降压变压器，因此本文分析就以一个降压变压器空载分闸当成是研究的例子，描述内部电压出现的具体原因。
依照变压器的各项分布参数可以了解，将低压侧的电容换算成高压侧的过程中，电容折算值其实是实际值的（1/K2）倍，所以可以理解为二次电容的影响是没有实质性作用的，简单说就是空载时间能够将二次侧影响忽略。从一次绕组的角度分析，因为每一个单位长度之上的对地电容都是并联的，所以总的对地电容就是各个子对地电容的和。低压侧的单位长度之上各个匝之间的电容是串联在一起的，所以可以理解各个匝之间的总电容量是各个子电容量之积。
针对性的分析电力的变压器分闸过程，各匝之间的电容造成的影响可以不计入考虑范围，绕组电阻也可以忽略，于是得到一个空载分闸过电压的简化版等效电路图，如图2.
图2 变压器分闸等效电路图
如图可以看到，在开关分开的一瞬间，由等效电容和绕组电感组成一个回路，产生震荡，在绕组上形成过电压。
2 大气过电压在变压器内的分布及分析
在输电线直接被雷击中的过程中，因为雷云中本身就存在着大量的正电荷，与输电线接触的过程中，这些正电荷会转移到输电线之上，因此大量的自由电荷会朝着输电线的两边奔跑，会在输电线上出现因为强烈冲击而产生的电压波——雷电波。雷电波在输电线路的运行速度极快，趋近于光速，而且电压从零升至巅峰状态只需要短短的几微秒时间[2]。常见的雷电波的常规波形如图3.
图3 雷电波的常规波形
由上图可见，曲线从零一直升至巅峰状态这个过程叫做波头，下降的过程叫做波尾。假如将波头所耗费的时间当成是整个雷电波运行周期中的25%段，那么雷电波就能够看成是频率极高的周期性波。这样的话，当过电压波运行至变压器的线头端位时，就相当于为变压器加上了一个高频率的高电压。这个过程是在一瞬间内完成的。开始时，因为高频下，电流只从高压绕组的匝电容以及对地电容之间穿行。因为电压低的绕组和铁心之间的距离较短，所以有非常大的地电容，简单的说，就是容抗不大，基本上趋近于低压的绕组接地。但是当出现雷电波袭击的时候，绕组附近高度上的电压排布基本上和匝间电容以及对地电容之间的数值比例有着密切的关系。通常情况下，因为同时存在两种电容，所以出现过电压的情况时，一部分的电流从对地电容处分流，因此各个匝之间的电容流电流是有差异的，处于上段的匝间电容通过的电流量越到下方数值越小，而且同时存有电压周边的绕组高度的不均匀分布[3]。详见图4。
图4 电流对地电容分流
从上图中可以发现，开始的电压分布都是比较混乱的，越是接近输电线的A段，出现的电压梯度就越大。所以在最初的几个线匝之中，各个匝之间的绝缘以及线饼之间的绝缘都会遭受着巨大的变化，在这个过程中，巅峰位的匝电压之间，有可能会出现高过额定电压的情况，并且超过至少50倍至200倍。 3 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分别如图5和如图6所示，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。
图5 典型振荡型雷电冲击电压波形
图6 典型振荡型操作冲击电压波形
4 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。
4.1 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。
4.2 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。 4.3 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。
4.4 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。
5 结语
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。
参考文献：
[1]颜湘莲，文远芳.模糊神经网络在变压器故障诊断中的研究[J].变压器，2012（07）.
[2]徐文，王大忠，周泽存.电气设备故障诊断中模糊性处理方法的探讨[J].高电压技术.2009（03）.
[3]张永会，李忠全，张晨.变压器传递过电压故障分析及防护措施[J].吉林电力，2009（15）.
【关键词】变压器；过电压；冲击过电压；保护动作
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[1]。
变压器的过电压故障主要是绝缘破坏。变压器设计时绝缘强度一般考虑能承受2.5倍的过电压，无论哪一种过电压都超过了变压器的设计绝缘强度，都有可能使变压器的绝缘破坏。过电压对变压器绝缘的破坏一般有3种情形，一种是把绕组和铁芯之间的绝缘高压绕组以及低压绕组间的绝缘穿透，另外一种就是在同样一个绕组中把匝和匝之间或者是同一段绕组或不同一段的绕组间的绝缘穿透，还有一种就是绕组对地间的主绝缘穿透。
过电压对变电器绝缘的破坏主要取决于过电压的波形、幅值和持续时间。过电压是在瞬间形成并完成的，电压从零一直升到巅峰再降低至零这样一个“抛物线”过程是在非常短的时间内实现的，实际上就是一个高频振荡，而且频率能够直接达到100千赫兹以上。正常运行过程中电网的频率是50赫兹，频率较低，这时变压器有很大的容抗，感抗却不大，电容造成的影响很小，可以单纯地认为电流全部是从绕组的内部运行。在属于高频振荡的过电压情况下，变压器有很小的容抗，感抗却变得很大，这时候电流大部分属于容性电流，需要充分考虑电容带来的影响。
结合变压器实际运行情况和遭受过电压的情况，分析电容造成的影响，我们可以用以下的等效参数电路对变压器电压分布做出分析。
图1 变压器的分布参数电路
以下简单的分析形式不同的过电压出现的原因和具体的保护方式。
1 内部过电压在变压器内的分布及分析
在电网之中，大部分的变压器是降压变压器，因此本文分析就以一个降压变压器空载分闸当成是研究的例子，描述内部电压出现的具体原因。
依照变压器的各项分布参数可以了解，将低压侧的电容换算成高压侧的过程中，电容折算值其实是实际值的（1/K2）倍，所以可以理解为二次电容的影响是没有实质性作用的，简单说就是空载时间能够将二次侧影响忽略。从一次绕组的角度分析，因为每一个单位长度之上的对地电容都是并联的，所以总的对地电容就是各个子对地电容的和。低压侧的单位长度之上各个匝之间的电容是串联在一起的，所以可以理解各个匝之间的总电容量是各个子电容量之积。
针对性的分析电力的变压器分闸过程，各匝之间的电容造成的影响可以不计入考虑范围，绕组电阻也可以忽略，于是得到一个空载分闸过电压的简化版等效电路图，如图2.
图2 变压器分闸等效电路图
如图可以看到，在开关分开的一瞬间，由等效电容和绕组电感组成一个回路，产生震荡，在绕组上形成过电压。
2 大气过电压在变压器内的分布及分析
在输电线直接被雷击中的过程中，因为雷云中本身就存在着大量的正电荷，与输电线接触的过程中，这些正电荷会转移到输电线之上，因此大量的自由电荷会朝着输电线的两边奔跑，会在输电线上出现因为强烈冲击而产生的电压波——雷电波。雷电波在输电线路的运行速度极快，趋近于光速，而且电压从零升至巅峰状态只需要短短的几微秒时间[2]。常见的雷电波的常规波形如图3.
图3 雷电波的常规波形
由上图可见，曲线从零一直升至巅峰状态这个过程叫做波头，下降的过程叫做波尾。假如将波头所耗费的时间当成是整个雷电波运行周期中的25%段，那么雷电波就能够看成是频率极高的周期性波。这样的话，当过电压波运行至变压器的线头端位时，就相当于为变压器加上了一个高频率的高电压。这个过程是在一瞬间内完成的。开始时，因为高频下，电流只从高压绕组的匝电容以及对地电容之间穿行。因为电压低的绕组和铁心之间的距离较短，所以有非常大的地电容，简单的说，就是容抗不大，基本上趋近于低压的绕组接地。但是当出现雷电波袭击的时候，绕组附近高度上的电压排布基本上和匝间电容以及对地电容之间的数值比例有着密切的关系。通常情况下，因为同时存在两种电容，所以出现过电压的情况时，一部分的电流从对地电容处分流，因此各个匝之间的电容流电流是有差异的，处于上段的匝间电容通过的电流量越到下方数值越小，而且同时存有电压周边的绕组高度的不均匀分布[3]。详见图4。
图4 电流对地电容分流
从上图中可以发现，开始的电压分布都是比较混乱的，越是接近输电线的A段，出现的电压梯度就越大。所以在最初的几个线匝之中，各个匝之间的绝缘以及线饼之间的绝缘都会遭受着巨大的变化，在这个过程中，巅峰位的匝电压之间，有可能会出现高过额定电压的情况，并且超过至少50倍至200倍。 3 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分别如图5和如图6所示，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。
图5 典型振荡型雷电冲击电压波形
图6 典型振荡型操作冲击电压波形
4 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。
4.1 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。
4.2 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。 4.3 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。
4.4 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。
5 结语
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。
参考文献：
[1]颜湘莲，文远芳.模糊神经网络在变压器故障诊断中的研究[J].变压器，2012（07）.
[2]徐文，王大忠，周泽存.电气设备故障诊断中模糊性处理方法的探讨[J].高电压技术.2009（03）.
[3]张永会，李忠全，张晨.变压器传递过电压故障分析及防护措施[J].吉林电力，2009（15）.