第276号白皮书版本0
作者：AntonyParsons
摘要
近年来，已发现中压配电系统中的电压瞬变 问题会导致数据中心内的电力变压器和仪表变压器出现故障.本白皮书提供有关瞬变问题本质的背景知识，并讨论可能导致变压器面临风险的因素.提出几种常见的解决方案 可用于帮助保护变压器.文中对每种解决方案及其优缺点进行了讨论.
电压瞬变（见侧栏），常常又被称为“电涌”或“尖峰”（这些称呼其实不够严谨），是子周期配电系统的短暂干扰，其特征表现为明显高于正常的电压水平.虽然瓣变持续能会导致敏感负载运行异常或由于绝缘破坏而损坏元器件.图1为真空断路器（VCB） 时间不会太长（它们通常持续的时间可能只是一个电源周期的很小一部分），但它们可截断高感应电流时可能产生电压瞬变的示例.注意时标一一峰值电压在150微秒内或者相当于60Hz单次周期不到1/100的时间内形成，且整个事件在大约400微秒内结束.
简介
图1 由真空断路器截断电感电路产生的电压瞬变的示例
不是开关操作都会导致明显的电压瞬变，但在发生瞬变可能性较大的场合应提供保护.通常情况下，可通过确保设备具有足够的绝缘等级以及额外安装浪涌保护器（SPD） 来防止瞬变.与电压瞬变保护最相关的绝缘等级是基本绝缘水平（BIL），有时也称为雷电冲击等级.BIL额定值是设备绝缘的峰值电压额定值，通常高出标称系统电压均方根值的数倍.SPD限制瞬态电能到达配电设备或负载设备承受的特定水平，以提供额 外保护，现代中压（MV）浪涌保护器是基于金属氧化物压敏电阻（MOV）器件，一旦施加的电压超过一定水平，这些器件便会将浪涌电能传导到地面.它们可应用于市电接入线开关柜、敏感负载和/或配电系统中的其他关键点.
2种电压瞬变：
脉冲膜变，极性为单向（正极或负极），可能由雷击产生.
振荡膜变，振幅（正和负）变化 根快，可能由开关电源时产生..
这两种类型害具有港在的破坏性.
虽然设备的基本绝缘水平BIL和浪涌保护器在很多情况下可提供有效保护，但有一些特保护数据中心设施内的电力变压器.（阻容吸收器本质上是从每相连接到地之间串联电 定的开关场景可能需要额外的保护.这导致阻容（R-C）吸收器的使用日益增加，以此阻和电容，有助于滤除开关瞬变的高频部分.这有助于加强变压器开关瞬变保护.）本白皮书将介绍可能导致变压器绕组内应力过大的开关瞬变现象，讨论可能存在问题的系 统条件，并对可行的解决方案进行总结和比较.
电压瞬变可能由外部（例如，系统雷击）引起或内部 （例如，断路器开关）引起.在本白皮书中，我们将主要聚集开关瞬变.
虽然电压瞬变对于任何类型的配电设备来说都是个问题，但近年来，由真空断路器产生的开关瞬变造成电力变压器和电压互感器出现问题而日益受到关注.根据观察，部分问 题是因绕组内共振导致变压器绕组内部故障.有些人认为这是相对较新的问题，但事实并非如此-格林伍德在20世纪70年代初便认为这是与变压器内部绕组共振相关的故障.随着近期对此话题越来越多的关注，多篇技术论文再次聚焦这一问题，以及由此 制定了IEEE标准²
开关瞬变和 变压器
开关瞬变为正常中压断路器开关所造成的副作用.中压真空断路器开断可能导致电流截断和重燃，这会造成系统电压大幅升高.断路器闭合可能导致产生相同影响的预击穿.
当真空断路器的触点断开时，电流不会立即中断.相反，断路器触点之间会引发电弧，而电流继续流动，直到正弦电流波形通过电流零点.直到过零点，电弧才会熄灭；但是，如果被中断的电流值较低，则电弧不稳定，且可能在电流通过零点之前骤降.电流从几 安培到零的骤降（称为电流截断）会产生瞬变电压.所产生的电压瞬变的频率和强度取决于截断电流的大小，以及电路的电感和电容.当更高强度的电流遭中断时，无论是高电平故障电流还是负载电流，电流截断发生的可能性会更小.
强度（即，抵抗电流流动的能力），则穿过触点间隙的电流可能重燃或二次击穿.这可 如果电流中断期间在断路器触点上产生的瞬态恢复电压（TRV）超过断路器触点的介电能导致高频（100-200kHz）振荡电流通过断路器.然后真空断路器开断此高频电流，但如果由此产生的瞬态恢复电压再次超过触点分离的介电强度，它可能再次重新击穿， 而且这可能在电流最终中断之前多次发生.图1中的电压变化过程为由真空断路器内的多次中断和重燃引起电压升高的示例.
预击穿是指在断路器闭合操作期间触点之间的间隙遭击穿，且在实际闭合之前发生电弧放电的情况.无论种方式，这些情况都可能导致电流的突变和带来相应的瞬态过电压.图2显示了真空断路器闭合操作期间预击穿电压和电流时间幅值的示例.
预击穿事件期间的瞬态 电压（上图）和电流（下图）.
单个电流截断可能不会引起任何问题.因多次截断和重燃而造成的电压升高会产生一系列高频电压瞬变，且强度不断增加.电压瞬变的强度和频率都非常重要.如果峰值电压超过变压器的基本绝缘水平BIL，则高强度瞬变会对变压器造成损害，特别是在变压器 绕组的前几圈（即“端部线血”）中.
瞬变的频率同样很重要，因为变压器本身的电气特性对于高频而言与在50或60Hz的 低功率频率下截然不同.诸如血间或匝对地间电容等变压器特性，在50或60Hz时可忽略不计，但在高频时会产生较为显著的影响.变压器的阻抗特性并非与频率恒定，而是在各种频率下具有谐振点，如IEEEC57.1422中的图3所示，瞬态电压也不以恒定 频率工作，相反，瞬变期间电压的突变（即，快速dv/dt）所产生电压的频率范围非常宽泛.典型的真空断路器开关瞬变的频率范围为50-100kHz，如果变压器的谐振频率在该范围内，则开关瞬变可能会“激发”变压器的内部谐振，从而可能产生破坏性后果.
图3典型变压器输人阻抗 与频率，IEEEC57.142
如前所述，高强度瞬变会对变压器的“绕组端部”造成问题.然而，高频开关变不仅的电压增大.也就是说，变压器绕组内部的电压可能高于变压器终端处的外加电压，正如Wagner通过典型的15kV干式变压器对开关瞬变活动的受控测试所证明的那样. 有关此现象（有时称为绕组内共振）的示例，请参见图4中的图表.
典型的15kV干式变压器 的变压器高压端子（左）和TX绕组（右）中心的电压瞬变.
图4中所示的电压水平相对较低，因为测试期间使用了低外加电平以避免对测试变压器 造成灾难性损害.变压器中心抽头的峰值测量电压仍然是变压器终端峰值瞬态值的6倍，是标称外加电压的20倍.这是保护变压器免受开关瞬变影响的其中一个难点--可能存在变压器端子瞬态电压保持在变压器的BIL基本绝缘水平额定值范围内的情况，因 此低于该点时传统浪涌保护器会提供重要保护，而绕组内部的电压上升到可能导致绝缘失效.因此，对电力变压器的保护必须解决瞬变频率和瞬变强度的问题.
作者还观察到电流截断和重燃产生电压瞬变的情况，这些电压瞬变导致电压互感器瞬变的强度可能足以对电压互感器造成问题.虽然这些情况与上文讨论的电力变压器的 （PT）故障.某案例研究的作者指出铁磁共振是问题的根源“，而其他分析表明，开关情况不同，但潜在的解决办法却是类似的.
可熊导致设备故障的系统条件
上文讨论的开关变问题属于系统问题.也就是说，它与“有缺陷”的变压器或任何其他单个组件并不严格相关.相反，各种因素结合才是造成电压瞬变在“错误”频率下出 现并引起变压器故障的必需条件.一些相关参数（例如给定变压器绕组的详细频率响应对于给定的配电装置或特定的开关事件，基于变压器谐振的故障往往难以预测.不过，根据我们的经验，有几项因素可能会带来更多的风险，包括：
中压真空断路器的开关操作真空断路器和变压器原边之间的电缆长度相对较短（<~100m）低电流切换（磁化或负载电流水平）负载功率因数（感性） 中压真空断路器的开关操作 如前所述，发生电流截断才会刺激变压器内部谐振产生电压瞬变，并且在一系列重燃之后达到最高瞬变强度，主真空断路器的开关操作是这些现象的最可能来源.在两种主要的中压断路器技术中（即真空和SF6断路器），真空断路器开关操作会产生明显更高 水平的截断电流，而六氟化硫SF6不易于连续重燃，这并不一定意味着SF6断路器供电的变压器100%不受瞬变问题的影响，但由于断路器特性不同，造成这些问题的可能强度， 性要小得多.请注意，中压真空接触器、真空开关或空气开关不会产生明显的截断电流 尽管对原因的全面讨论不在本白皮书的范围之内，但更多信息可在CahierTechnique #193中查阅. 主电缆长度 案例研究表明，当中压断路器和变压器之间的电缆长度较长时，开关引起变压器故障的 可能性较小.这被认为是固有的中压电统对地电容作用的结果，因为电容充当电压瞬变中的高频部分的滤波器.无论电容是由浪涌电容器、阻容吸收器的电容元件还是电统本身的电容提供，滤波结果皆相同. 瞬变中的高频部分，是保护 阳容吸收器有助于滤除开关变压器免受开关瞬变影响的有效方法. 200英尺（约60米）时出现问题的可能更大.经验证据表明，大于800英尺（约240米）的电统可提供足够的阻尼来减少瞬变活动，但这一水平可能因电缆特性而异.电缆的电压水平也是需要考虑的因素一一低压电缆的每单位长度电缆电容更高，这可能有助 于解释为何在5kV时开关瞬变引起的问题不常见.电缆结构或应用的其他差异，例如绝缘类型，也可能是因素之一.在任何情况下，电缆长度小于约300英尺（约100米）时发生瞬变问题的可能性更大. 虽然有助于衰减开关瞬变的中频电缆长度的闯值没有明 确定义，但较长的主电缆确实不太可能造成瞬变损害. 负载特性 当真空断路器开断相对较低的电流水平时，电流截断最有可能造成破坏.如前所述，低电流中断期间，在分离断路器触点之间引出的电弧不像在故障中断期间那样稳定.因此， 当电流波形接近其过零点时，电弧可能更容易地出现暂时性熄灭后重新复燃.当电弧出现这种现象时，会在电路电感中捕获能量，电路电感与电路电容相互作用，产生电压瞬变，如图1、2和4所示.美国的数据中心出现了多件此类案例，其中变压器损坏是由 于开关操作空载变压器造成的--例如，图4中的瞬变是开关操作-3A变压器磁化电流的结果， 负载的功率因数也非常重要.分析和测试表明，当负载功率因数接近于相位同步或超前载馈电的数据中心变压器中，预计存在高功率因数-甚至可能是超前功率因数.然而， 功率因数时，电压瞬变的峰值幅度较低，但会随着电流感性增强而增加.在为服务器负卸载的变压器仍然会吸收磁化电流，从本质上看具有高感性.
