避雷器作為操作過電壓保護裝置的應用

趙曉東

（天津市特變電工變壓器有限公司，天津300308）

真空斷路器是風電系統中常用的斷路器，由于系統的配置和切換操作的類型，在不利條件下可能會出現高瞬態過電壓，根據實測數據可以發現風電變壓器使用避雷器限制斷路器感應的瞬態過電壓時性能實際上比預期的要好。

1 與真空斷路器和感性負載有關的現象

斷電過程中的電流斷路會引起過電壓，并引發多次重新點火，引起電壓升高。在研究測試中發現，當多次重新點火引起虛電流截斷時，會記錄到最高電壓。

1.1 電流截斷

所有的斷路器在自然電流過零點之前都會在一定程度上中斷電流，其幅度稱為“電流切斷電平”。當電流被切斷時，磁能將被困在斷路器負載側的電感中。這將導致電感和斷路器負載側的電容之間的電流循環，導致一個瞬態過電壓，其振幅和振蕩頻率可以通過平衡磁儲存能量和電儲存在斷路器負載側的能量來估計。

當電流達到3A 以下時，通過第一極的電流被截斷，此時繞組內的陷波電流也為3A，并隨電容開始振蕩。根據式（1）給出了電流斬波過電壓的簡單算式此相的相地電壓達到50kv 以上。

1.2 虛電流斬波

虛電流斬波是一種由于負載側電感中有較高的截留電流而導致過電壓過高的現象。雖然上文所述的電流斬波不會引起過高的過電壓，但很可能會導致斷路器重新點火，當電流斬波的過電壓達到50kV 時，模擬一個相位的重新點火將產生一個高頻電流通過斷路器極點和通過負載電容到地。高頻電流通過另外兩相的斷路器極點的負載側電容找到兩條回路，從而導致通過斷路器極點的電流過零和電流中斷。此時變壓器繞組中的捕獲電流等于通過斷路器的“斬波”電流，其結果是，在變壓器繞組中可以捕捉到負載電流的峰值電流，從而產生幅度顯著提高的過電壓。

采用與上例相同的參數，但以“虛電流斬波”對應的電流幅值，過電壓由54kV 變為250kV，見式2 與式1 比較。

2 避雷器作為保護裝置

當通過斷路器的電流被切斷時，在斷路器斷開時斷路器不再導通。由于繞組中儲存的能量，變壓器端子可能會發生過電壓，電流的回路本來是通過斷路器負載側的電容，安裝避雷器將為變壓器繞組中的被困電流提供一個回流路徑，使電流即使在斷路器開路的情況下也能繼續流過繞組。在這種情況下避雷器的一個優點是它不僅為電流提供了一個返回路徑，而且還能非常有效地吸收磁能。在這種情況下當電流斬波或虛電流斬波發生時，通過避雷器的峰值電流與變壓器繞組中的捕獲電流相似，其殘壓僅為保護電平的70%左右。

3 避雷器應用結果

3.1 沒有保護裝置的感應負載斷開

首先在沒有安裝任何避雷器的情況下對感應負載進行斷開，以測試在不利條件下可能發生的瞬態過電壓。變壓器端子測得的相地電壓隨著再點火次數增多幅值增大，最大對地電壓達到99kV。繞組之間的電壓達到的最大值為168kV，高于變壓器的基本絕緣水平125kV。

3.2 安裝相對地避雷器斷開感應負載

為了研究避雷器作為保護裝置的影響，首先將避雷器在變壓器端子處與相和地連接。測量到的相地電壓，通過避雷器到達地面的電流，電流振幅很低從大約10A 開始，相應地電壓限制在45kV 左右，即明顯低于避雷器的保護水平。繞組兩端的電壓被限制在90kV 左右，疊加一些高頻的瞬態電壓后能達到95kV，該電壓對應于兩個避雷器之間的電壓串聯即≈2*45kV，繞組兩端的電壓由兩個串聯的避雷器有效地限制。

4 結論

在安裝了避雷器的情況下，過電壓幅值都限制在變壓器的基本絕緣水平以下，在沒有避雷器保護的情況下，當斷開附近的真空開關在變壓器繞組上觀察到過電壓幅值遠遠超過變壓器的基本絕緣水平，因此電涌避雷器是限制瞬態過電壓幅值的一種有效的保護裝置，安裝電涌避雷器后電壓將被限制在一個明確的水平。

當斷路器斷開時，避雷器為繞組中儲存的磁能量提供一個可選的回流電流路徑，在這種情況下電壓將限制在一個明顯較低的振幅，只有大約70%的保護水平。當避雷器限制了斷路器負載側的過電壓時，斷路器上的電壓即恢復電壓也會受到限制，其結果是重新點火將停止。實際測試中避雷器能夠將電壓限制在一個較低的值。