關于氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合研究

裘鴿豐 上海鐵路局杭州供電段

隨著鐵路的快速發展，對鐵路供電系統的穩定性要求越來越高。但是鐵路10 kV 貫通（自閉）線路供電臂長、線路通過徑路地形復雜，有山地、平原和丘陵，區域廣，線路走向處在多雷區范圍，雷擊使電力設備事故頻發，而為運輸生產服務安裝的TMIS、紅外線、中繼站等小容量供電變壓器和開關設備時常被雷擊損壞，影響鐵路運輸生產安全。以往的防雷措施多是在桿上變壓器、高壓開關高壓側和架空電線路上安裝氧化鋅避雷器，實施避雷功能，所選型號是YH5WS5-17/50，隨著氣候變化，在運行過程中線路遭雷擊跳閘和損壞電力設備的情況時有發生，出現了現有選型的避雷器對電力設備避雷效果不佳情況。2008 年7 月23 日溪西配電所貫通3＃桿貫通變被雷擊冒煙，千向貫通速斷動作。7 月23 日諸暨東貫通中繼變無電，檢查發現諸暨東貫通中繼變被雷擊壞。發生事故后經調查，發現氧化鋅避雷器沒有對變壓器起到保護作用。

1 故障原因分析

針對發生的故障，我們進行了分析，考慮到可能出現的以下幾種情況：

(1)避雷器本身是否有質量問題。

(2)在避雷器損壞區段的落雷強度和避雷器的耐雷水平問題。

(3)在貫通、自閉線路上避雷器實際保護的是單相干式變壓器，其變壓器的絕緣水平與避雷器的保護匹配問題。

原先選用的YH5WS5-17/50 氧化鋅避雷器是常用的配電型避雷器，生產廠家在出廠前按規定標準進行了各項電氣性能試驗，段采購入庫安裝之前又按預防性試驗要求進行了預防性試驗，因此安裝在貫通、自閉線路上的氧化鋅避雷器其質量符合國家產品規格質量要求，避雷器本身沒有質量問題。

我們再考慮是不是在避雷器損壞區段的落雷強度過大和避雷器的耐雷水平較低的緣故，但分析發現在運行中小容量電力變壓器遭受雷擊損環情況嚴重，因此我們考慮到是否在避雷器選型和避雷器的保護絕緣配合上存在問題。

2 氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合原理

2.1 氧化鋅避雷器實現功能

雷云放電時在導線或電氣設備上所形成的過電壓，稱為雷電過電壓。它是由于電力系統內的設備遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應而引起的過電壓。雷電過電壓產生的雷電沖擊波，其電壓幅值可高達1 億伏，其電流幅值可高達幾十萬安。而雷擊是不能阻止其發生的，即無源不可消雷，也不能拒雷，只能攔截導引改變入大地路徑。氧化鋅避雷器是現代性能最佳的避雷器。避雷器具有非線性特性，正常電壓下其電阻很大，而過電壓下其電阻變得很小。它實質上是一個放電器，與被保護的電氣設備并聯，當作用于其上的電壓超過一定數值后，避雷器首先放電，限制了過電壓，保護了其它電氣設備。

2.2 氧化鋅避雷器保護原理

避雷器和變壓器的聯接如圖1 所示。

圖1 避雷器安裝示意圖

避雷器動作前等值電路圖如圖2 所示。

圖2 避雷器動作前等值電路圖

動作后等值電路圖如圖3 所示。

圖3 避雷器動作后等值電路圖

為了簡化分析過程，我們可以設輸電線路為無限長，從輸電線涌入的電壓波為U（t），而且不考慮變壓器入口電容的影響。避雷器動作前，避雷器端口電壓即為入侵波電壓。當入侵波電壓U（t）與避雷器放電間隙的伏秒特性相交時，避雷器開始動作，即有電流Ib流過避雷器。根據圖3 所示的等值電路，可以列出下列方程式

此中Ib為流過避雷器的電流，而z1為線路的波阻抗。從而解得

由于避雷器具有非線性特性，所以正常電壓下其電阻很大，而過電壓下其電阻變得很小。避雷器就接在變壓器旁邊，所以避雷器在泄放雷電流時有一定殘壓加在變壓器上，由此，變壓器絕緣的沖擊耐壓強度大于避雷器的殘壓值，則變壓器的絕緣將得到可靠的保護。

2.3 氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合分析

根據GB 311.1-1997《高壓輸變電設備的絕緣配合》規定：對受避雷器保護的設備，其額定雷電沖擊耐受電壓由避雷器的雷電沖擊保護水平乘以配合因數KC 計算選定。對氧化鋅避雷器的雷電沖擊保護水平是下列兩項的較高者：

(1)8/20 us 沖擊電流下的最大殘壓值。

(2)陡波（波前時間0.9～1.1 us）沖擊電流下的最大殘壓值除以1.1。

在國家標準GB311.1-1997《高壓輸配電設備的絕緣配合》中對于變壓器的絕緣水平規定為“:6 kV 變壓器的短時(1 min)工頻耐受電壓(有效值)為25 kV，雷電沖擊耐受電壓(峰值) 為60 kV;10 kV變壓器的短時(1 min)工頻耐受電壓(有效值)為35 kV，雷電沖擊耐受電壓(峰值)為75 kV”。

根據我國情況，避雷器的絕緣配合因數值Kc，對于雷電沖擊：一般取Kc≥1.4;對于操作沖擊：一般取Kc≥1.15。

發生變壓器雷擊故障前，我段所選用的避雷器是YH5WS5-17/50，YH5WS5-17/50 參數如表1。

表1 避雷器參數表

則8/20 us 雷電殘壓最大值為50 kV，陡波最大殘壓值為57.5 kV，經計算：10 kV 變壓器用YH5WS5-17/50（L）避雷器的絕緣配合因數值:

Kc=被保護設備的額定雷電沖擊耐受電壓÷避雷器的雷電沖擊保護水平=

如果僅從純粹的計算來看，YH5WS5-17/50 金屬氧化物避雷器的參數完全可以滿足變壓器過電壓保護的需要。但間隔系數Kc 不是裕度系數，不是安全系數，是彌補在估算過電壓設計確定和設定絕緣耐受電壓值與實際的誤差。也就是說，設計確定的過電壓值和絕緣耐受電壓值不完全是電網運行中實際的“真值”。若是電網運行中的“真值”，電網運行是不會發生絕緣故障的。

隨著變壓器的運行時間變長，變壓器的絕緣會下降，而8/20 us 雷電殘壓是避雷器流過5 kA 雷電流時的殘壓，在雷電流超過5 kA 時，避雷器殘壓會升高，容易造成避雷器與變壓器間的絕緣配合不良，出現避雷器保護動作，釋放了雷電壓，但使用中的變壓器還是被雷擊損壞故障。桿上變壓器是單相干式變壓器，其容量較小（使用的道口變、紅外線軸溫探測、TMIS 系統、無線中繼站等等供電的變壓器容量大部分在5 kVA 以內），耐熱等級是E 級（120 ℃），耐雷水平較低，在經常遭受過電壓沖擊下絕緣會下降。在無法提高變壓器絕緣水平的情況下，考慮降低避雷器的殘壓。避雷器是一種特殊電氣設備，首先它必須具有一定的電氣絕緣性能，保證它在電力系統正常狀態下能承受相電壓和暫時過電壓，且能夠穩定可靠運行，不致出現擊穿故障。從這個角度看，避雷器電壓等級應該是越高越好，但在發生大氣過電壓或操作過電壓時，避雷器又必須可靠動作，而且殘壓應不超過被保護設備的絕緣水平。從這個角度看，避雷器電壓等級應該是越低越好，因為電壓等級越低殘壓就越低，避雷器的保護裕度就好。所以，綜合來看，選擇避雷器的原則應該是：在滿足避雷器正常運行的相電壓和暫態過電壓絕緣需要的前提下，盡可能選擇放電殘壓較小的產品。

不同型號的氧化鋅避雷器在系統電壓相同的情況下，避雷器的額定電壓、持續運行電壓相同，但1/5 us 陡波殘壓、8/20us 雷電殘壓不同。經以上分析YH5WS5-17/50（L）氧化鋅避雷器與小容量的變壓器的絕緣配合不匹配，需根據設備等級要求的絕緣水平來匹配相應的氧化鋅避雷器。因此根據我段發生的多次小容量變壓器雷擊故障選擇殘壓比YH5WS5-17/50（L）小的YH5WS5-17/45（L）氧化鋅避雷器。

3 結束語

從2008 年選擇采用YH5WS5-17/45（L）氧化鋅避雷器后,在安裝的路段沒有發生線路跳閘以及避雷器擊損事故。YH5WS5-17/45 氧化鋅避雷器能對電力設備起可靠保護作用，降低設備故障率，保證供電可靠。減少設備的替換與維修，提高自閉貫通信號供電可靠性，從而節約大量的財力和人力資源。