35kV系統(tǒng)電站用避雷器配置淺析

范永威，孫照鵬

（1.上海能源科技發(fā)展有限公司,上海 200233；2.上海勘測設(shè)計研究院有限公司,上海 200434）

1 前言

避雷器的類型目前主要有兩大類：①碳化硅閥式避雷器：普通閥式避雷器和磁吹閥式避雷器,其特點是均有間隙,使其在正常電壓下,避雷器處于絕緣狀態(tài)。②交流金屬氧化物避雷器。傳統(tǒng)的碳化硅避雷器有陡波放電電壓高、操作波放電分散性大等缺點,而氧化鋅避雷器由性能優(yōu)越的氧化鋅非線性電阻片組裝而成,與碳化硅閥型避雷器相比,具有響應(yīng)迅速、殘壓低、陡波特性好、通流容量大、可耐受連續(xù)多重過電壓沖擊、無工頻續(xù)流、閥片壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、耐污能力強等優(yōu)點,氧化鋅避雷器是較為理想的過電壓保護電器。

本文通過對35 kV系統(tǒng)氧化鋅避雷器主要參數(shù)選擇的分析和計算,指出其在與設(shè)備絕緣配合方面存在的問題,并提出了電站用避雷器參數(shù)選擇的優(yōu)化建議,具有一定的實踐意義。

2 避雷器主要參數(shù)選擇

根據(jù)參考文獻[7]附錄D推薦的典型35 kV系統(tǒng)電站用避雷器參數(shù)見表1。

表1 35 kV避雷器主要參數(shù)

根據(jù)上述規(guī)范要求,目前市場上主流的35 kV電站用無間隙避雷器參數(shù)均為YH5W-51/134,此參數(shù)僅最低限度的滿足了規(guī)范要求,那么實踐中此避雷器參數(shù)是否存在一定的問題或存在進一步優(yōu)化的可能,下面就此做一些分析。

2.1 避雷器額定電壓Ur

根據(jù)參考文獻[8]-7.2.3,避雷器的額定電壓通常取大于等于安裝處的最大工頻暫時過電壓,

式中：Ur為避雷器額定電壓,kV；k為切除單相接地故障時間常數(shù)；Ut為暫時過電壓,kV。

35 kV系統(tǒng)通常為不接地、消弧線圈接地或小電阻接地系統(tǒng),當單相接地故障切除時間為10 s及以內(nèi)時,k=1.0；當單相接地故障切除時間大于10 s時,k=1.25,相應(yīng)的避雷器額定電壓分別為Ur≥40.5 kV和Ur≥50.625 kV,根據(jù)避雷器額定電壓標準值的規(guī)定,對應(yīng)的常用避雷器額定電壓為42 kV、51 kV。

考慮到在相同的系統(tǒng)標稱電壓下,避雷器的額定電壓越高,則運行中避雷器的泄漏電流就越小,對減輕避雷器的裂化有利,可以提高避雷器運行的可靠性。故在滿足絕緣配合等要求的情況下,無論單相接地故障切除時間是否小于10 s,應(yīng)盡可能選額定電壓高的產(chǎn)品,可選用額定電壓為51 kV的電站型無間隙氧化鋅避雷器。

考慮到避雷器的持續(xù)運行電壓Uc與其額定電壓之間有大致的比例關(guān)系,一般為避雷器額定電壓的75%～85%,故本次不再就避雷器的持續(xù)運行電壓進行闡述。

2.2 避雷器的標稱放電電流In

避雷器的標稱放電電流In是波形為8/20用以劃分其等級類別的重要參數(shù),35 kV系統(tǒng)避雷器通常有5 kA、10 kA二個等級,根據(jù)參考文獻[5]式7.3.1,當在線路進線段以外落雷時,流過避雷器的雷電沖擊電流以單回路進線為最大,且一般按以下公式估算：

式中：U1n為進入變電所的雷電過電壓,kV；Ur1為避雷器雷電沖擊殘壓,kV；Z為線路波阻抗,Ω。

對于架空進線的雷電侵入波,通常按照進線段的絕緣沖擊強度,即進線段絕緣子串的雷電沖擊50%放電電壓,35 kV架空線路懸垂絕緣子串一般為3片,根據(jù)文獻[9]圖3-137,其最大雷電沖擊50%放電電壓約為350 kV,35 kV線路波阻抗通?？扇?10 Ω,則流過避雷器的雷電沖擊電流為：

35 kV線路絕緣子串一般不超過4 片絕緣子,若按4 片考慮,其最大雷電沖擊50%放電電壓約為455 kV,則流過避雷器的雷電沖擊電流為：

風(fēng)力發(fā)電站場內(nèi)35 kV集電線路一般均全線架設(shè)避雷線,箱式變壓器和升壓站35 kV線路均具有進線段保護,由式（3）和（3）可知,流過避雷器的雷電沖擊放電電流均小于5 kA。

以上分析為變電站進線段以外線路落雷且絕緣子串未發(fā)生閃落時的情況,若雷電強度大,雷擊進線段發(fā)生繞擊或反擊時,流過避雷器的雷電沖擊發(fā)電電流將大大增加,此時變電站仍可能發(fā)生雷擊事故。以山西某風(fēng)電場為例,根據(jù)當?shù)乩纂姳O(jiān)測數(shù)據(jù),其監(jiān)測到的最大雷電流為76.1 kA,若此時發(fā)生雷擊桿塔,則線路絕緣所受電壓可達1000 kV,此時若按式（2）估算流過避雷器的雷電沖擊放電電流為：

若考慮由于雷擊點與變電所距離減小導(dǎo)致雷電波在避雷器動作后產(chǎn)生的負電壓波折回到雷擊點,又在該點產(chǎn)生負反射波到達避雷器,則最終流過避雷器的放電電流將比上述計算值還大的多。

綜上所述,建議當項目所在地雷電活動頻繁且強度大,為了提高防雷效果,可以進一步將35 kV避雷器的標稱放電電流提高至10 kA。

2.3 避雷器的雷電沖擊殘壓Ures

根據(jù)文獻[6]-6.4.4-3,變電站電氣設(shè)備外絕緣的雷電沖擊耐壓Ue.l.o應(yīng)符合如下要求：

式中：k17為設(shè)備外絕緣的雷電沖擊耐壓配合系數(shù),取1.4；Ue.l.o為設(shè)備外絕緣雷電沖擊耐壓水平,避雷器雷電沖擊殘壓為134 kV,按照慣用法進行絕緣配合,則要求的設(shè)備外絕緣不小于187.6 kV,而根據(jù)文獻[6]表6.4.6-1,35 kV設(shè)備外絕緣的額定雷電沖擊耐壓水平為185 kV,顯然不滿足絕緣配合要求,反之要滿足絕緣配合要求,則避雷器的雷電沖擊殘壓最大值為：

目前35 kV系統(tǒng)電站用避雷器均參照文獻[7]附錄D推薦的典型35 kV避雷器參數(shù)進行配置,即選用復(fù)合外套氧化鋅避雷器YH5WZ-51/134,此避雷器標準雷電沖擊殘壓為134 kV,與上述規(guī)范要求存在出入,故宜進一步降低避雷器的標準雷電沖擊殘壓水平至132 kV及以下以滿足絕緣配合的要求。

2.4 避雷器壓比分析

氧化鋅電阻片是金屬氧化物避雷器的核心部件,是由氧化鋅為主要材料所構(gòu)成的非線性電阻,其最早于1968年由日本松下公司的松崗道雄等發(fā)現(xiàn)。非線性電阻片標稱電流下的殘壓（峰值）與其參考電壓（峰值）之比稱為非線性電阻片的壓比,壓比是反映電阻片性能的重要參數(shù),壓比越低則電阻片的性能越好。

目前35 kV系統(tǒng)的氧化鋅避雷器通常采用規(guī)格型號為D3～D6的電阻片,其壓比參數(shù)見表2。

表2 D3～D6的電阻片壓比參數(shù)表

文獻[7]附錄D推薦的35 kV電站用避雷器壓比為134/73=1.836,對比上表可知,此要求還是比較低的。根據(jù)本文第2.3節(jié)分析,從設(shè)備外絕緣的絕緣配合分析,電站用避雷器的雷電沖擊殘壓應(yīng)不大于132 kV,考慮到目前避雷器廠家的技術(shù)水平,建議將避雷器的殘壓水平要求值降至不大于130kV,即將氧化鋅電阻片的壓比要求提至1.73 左右,以便全面滿足規(guī)范要求,同時也提高35 kV設(shè)備運行的可靠性。

3 結(jié)論

綜上所述,綜合考慮雷電保護、絕緣配合和當前避雷器技術(shù)水平等因素,建議35 kV系統(tǒng)避雷器的主要參數(shù)按如下要求進行選擇：

（1）有進線段保護的變電所及少雷區(qū)的電站用避雷器可以按標稱放電電流In=5 kA,額定電壓Ur≥51 kV,標準雷電沖擊耐壓水平Ures≤130 kV。

（2）無進線段保護或中雷區(qū)及以上地區(qū),電站用避雷器,可以按標稱放電電流In=10 kA,額定電壓Ur≥51 kV,標準雷電沖擊耐壓水平Ures≤130 kV。