15kV系統(tǒng)避雷器的選擇

徐世宇（中國建筑設(shè)計研究院機電院，北京 100044）

1 引言

避雷器，又稱過電壓限制器（surge arrester），是保護電氣設(shè)備免受瞬態(tài)過電壓的危害、限制續(xù)流的持續(xù)時間和幅值的一種裝置。當(dāng)過電壓出現(xiàn)時，避雷器兩端子間的電壓不超過規(guī)定值，使電器設(shè)備免受過電壓損壞；過電壓作用后，又能使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常狀態(tài)。

因電網(wǎng)中可能存在雷電過電壓、工頻過電壓、操作過電壓、諧振過電壓等過電壓威脅，而避雷器作為克服過電壓的利器，有著不可替代的地位。因此，正確、合理的選擇和使用避雷器顯得尤為重要。

我國采用中壓電網(wǎng)為民用建筑供電，常見配電電壓等級有6kV和10kV，在個別地區(qū)也有20kV這個電壓等級。15kV中壓電網(wǎng)在國內(nèi)還未見使用。但是，隨著我國對外經(jīng)貿(mào)交往的不斷擴大，我國企業(yè)承攬的海外工程越來越多，15kV這個電壓等級的中壓電網(wǎng)也引入了我國電氣設(shè)計、產(chǎn)品制造及施工領(lǐng)域。由于我國沒有這個電壓等級的中壓電網(wǎng)，因此國家及電力行業(yè)標準中對15kV避雷器的選擇及使用尚未做出明確規(guī)定。

下文就以筆者設(shè)計的某工程為模型，簡述15kV系統(tǒng)中避雷器的選擇。

2 工程簡介

某工程變電所位于民用建筑內(nèi)，內(nèi)設(shè)高壓環(huán)網(wǎng)柜、變壓器及低壓配電柜。電源為15kV中性點非直接接地系統(tǒng)，單相接地故障在10s以上切除，避雷器安裝在高壓進線柜內(nèi)。為敘述簡便，下文僅簡稱“上述避雷器”。

民用建筑變配電系統(tǒng)中，中壓避雷器一般設(shè)置在變電所內(nèi)的中壓母線側(cè)。用以限制作用在中壓配電的設(shè)施，主要是配電變壓器、分段開關(guān)、刀閘及電纜頭的雷電過電壓和除諧振過電壓及暫態(tài)過電壓以外的相對地過電壓。

無間隙金屬氧化物避雷器的特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單。

（2）保護性能好，電阻片具有良好的非線性伏安特性，正常工作電壓下通過避雷器的電流小(以容性分量為主)，無需串聯(lián)間隙，消除了因間隙擊穿特性變化所造成的影響，保護特性僅由殘壓所決定。

（3） 吸收能量大，非線性金屬氧化物電阻片單位體積吸收能量較碳化硅非線性電阻片大5～10倍，同時，電阻片或避雷器均可并聯(lián)使用，使吸收能力成倍提高。

（4）保護效果好，只要過電壓超過避雷器額定電壓，保護作用就開始。這對降低頻繁作用在被保護設(shè)備上的過電壓，減少異常絕緣擊穿，延長設(shè)備的壽命有積極作用。

（5）運行檢測方便，能通過帶電試驗檢測避雷器特性的變化。

（6）由于沒有串聯(lián)間隙，電阻片不僅要承受雷電和操作過電壓作用，還要承受正常持續(xù)運行電壓和暫時過電壓，因而存在著這些電壓作用下的劣化和熱穩(wěn)定問題。

鑒于以上特點，本案例選用了肘形無間隙金屬氧化物避雷器，安裝在環(huán)網(wǎng)柜進線處。

由于無間隙金屬氧化物避雷器沒有主間隙，因此沒有滅弧電壓和放電電壓的特性參數(shù)。故選擇金屬氧化物避雷器的參數(shù)主要控制兩個方面：一是避雷器應(yīng)有足夠的保護水平；二是避雷器自身保證必要的使用壽命，并在工作時不損壞。

1) 持續(xù)運行電壓(Uc)

避雷器持續(xù)運行電壓是允許持久地施加在避雷器端子間的工頻電壓有效值。

對于無間隙避雷器，運行電壓直接作用在避雷器的電阻片上，會引起電阻片的劣化，因此允許持續(xù)作用在避雷器上的電壓是一個很重要的參數(shù)。為了保證一定的使用壽命，長期作用在避雷器上的電壓不得超過避雷器的持續(xù)運行電壓，以免引起電阻片的過熱和熱崩潰。

中性點非直接接地系統(tǒng)，單相接地故障在10s以上切除Uc≥1.1 Um(3kV 20kV系統(tǒng))。15kV系統(tǒng)Um=17.5kV， 1.1Um=19.25kV ，故 上 述 避 雷 器Uc≥19.25kV。

2) 額定電壓(Ur)

避雷器額定電壓是施加到避雷器端子間的最大允許工頻電壓有效值，按照此電壓所設(shè)計的避雷器，能在所規(guī)定的動作負載試驗中確定的暫時過電壓下正常地工作。

由于電力系統(tǒng)的標稱電壓是該系統(tǒng)相間電壓的標稱值，而避雷器一般安裝在相對地之間，正常工作下承受的是相電壓和暫時過電壓，并且避雷器有它本身的特點，因此其額定電壓與電力系統(tǒng)的標稱電壓以及其他電器(變壓器、斷路器等)的額定電壓有不同的意義。

按國際電工委員會(IEC 99-4)及GB11032對無間隙金屬氧化物避雷器的規(guī)定，避雷器在60℃的溫度下，注入標準規(guī)定的能量后，必須能耐受相當(dāng)于額定電壓數(shù)值的暫時過電壓至少10s。

在相同的系統(tǒng)標稱電壓下，避雷器的額定電壓選得越高，在運行中通過避雷器的漏電流越小，對減輕避雷器的劣化有利，可以提高運行的可靠性。但另一方面，避雷器的額定電壓高了，殘壓也相應(yīng)增高了，在同樣的絕緣水平下，保護裕度會降低，這兩方面是矛盾的。一般考慮的原則是：只要滿足保護絕緣的配合系數(shù)，避雷器的額定電壓可選得高一些。

K ——切除單相接地故障時間系數(shù)；10s及以內(nèi)切除，k＝1.0，10s以上切除，k＝1.251.3(k＝1.25主要用于保護并聯(lián)補償電容器及其他絕緣較弱設(shè)備的避雷器)；

Ut——暫時過電壓(kV)。

表1 暫時過電壓Ut推薦值 kV(有效值)

根據(jù)上式和表1，上述避雷器的kUt=1.3×1.1×17.5=25.03kV， 故Ur≥25.03 kV。

3) 標稱放電電流

GB11032中規(guī)定的避雷器標稱放電電流見表2。

根據(jù)表2，上述避雷器的標稱放電電流為5kA。

4) 直流參考電壓

直流參考電壓是避雷器在直流參考電流下測出的避雷器上的電壓。直流參考電流的數(shù)值，由制造廠規(guī)定。國內(nèi)一般都采用1mA。直流1mA參考電壓值一般不小于避雷器額定電壓的峰值。故上述避雷器的1mA直流參考電壓值不小于45kV。

5) 能量吸收能力

避雷器的能量吸收能力包括操作沖擊(長持續(xù)電流沖擊)與大電流沖擊兩個方面。

表2 GB11032中規(guī)定的避雷器標稱放電電流

(1)方波沖擊電流能力

對1.5kA和2.5kA等級避雷器和5kA等級(額定電壓90kV以下) 避雷器，不要求進行輸電線路特性規(guī)定的線路放電試驗，但避雷器在雷電過電壓或部分操作過電壓動作后，系統(tǒng)的電容、電感中存儲的能量仍會向避雷器釋放。因此要根據(jù)避雷器的類型及使用情況進行幅值為50A 600A的2000μs的方波沖擊電流試驗，具體要求見DL/T804-2002表11。

故上述避雷器的 2000μs的方波沖擊電流(峰值)為150A。

(2)大電流沖擊耐受能力

GB11032中規(guī)定，對無間隙避雷器電阻片需進行大電流沖擊耐受抽樣試驗，這是考慮在接近避雷器安裝地點處，遭受直接雷擊或發(fā)生反擊時，通過避雷器的雷電流將較大。電阻片在這種大電流沖擊下，不應(yīng)有擊穿或閃絡(luò)等破壞。在動作負載試驗中，也要施加大電流沖擊，由于避雷器承受大電流的幾率較少，所以只施加兩次，耐受試驗數(shù)值見DL/T804-2002表12。

故上述避雷器的大電流沖擊耐受實驗電流峰值為65kA。

6) 雷電過電壓的保護水平

無間隙金屬氧化物避雷器的保護水平完全由它的殘壓所決定。避雷器雷電過電壓的保護水平是下列兩項數(shù)值的較高者：

(1) 陡波沖擊電流下最大殘壓除以1.15；

(2) 標稱放電電流（8/20μs）下最大殘壓。

配合系數(shù)

按慣用法衡量絕緣配合程度時，設(shè)備的絕緣水平與避雷器的保護水平之間應(yīng)有裕度，稱之為配合系數(shù)ks，其數(shù)值為被保護設(shè)備的絕緣水平除以避雷器的保護水平。按GB311.1的規(guī)定：

(1) 雷電過電壓的配合系數(shù)：

中性點避雷器ks＞1.25；

避雷器非緊靠保護設(shè)備ks＞1.4。

(2) 操作過電壓的配合系數(shù)ks＞1.15。

根據(jù)GB311.1，15kV系統(tǒng)變壓器、高壓電器、高壓電力電纜等額定雷電沖擊耐受電壓（峰值）為105kV，上述避雷器的標稱放電電流（8/20μs）下最大殘壓應(yīng)小于75kV。

3 總結(jié)

綜上所述，上述避雷器的持續(xù)運行電壓Uc≥19.25kV；額定電壓Ur≥25.03 kV；標稱放電電流為5kA；2000μs的方波沖擊電流(峰值)為150A；大電流沖擊耐受實驗電流峰值為65kA；標稱放電電流（8/20μs）下最大殘壓應(yīng)小于75kV。

4 結(jié)語

因篇幅限制，筆者僅就本案例所用避雷器選用中的主要技術(shù)參數(shù)作以簡要介紹，仍有工頻參考電壓、壓力釋放、避雷器外絕緣和耐污要求以及機械性能、密封性能等未介紹。讀者可參閱相關(guān)資料。

[1] 水利電力部西北電力設(shè)計院. 電力工程電氣設(shè)計手冊[M].北京: 中國電力出版社,1998.

[2] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院.工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊[M] .3版.北京：中國電力出版社，2005.

[3] 電力工業(yè)部. DL/T804-2002交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則[S]. 北京：中國電力出版社，2002.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 中國國家標準化管理委員會. GB 11032-2010交流無間隙金屬氧化物避雷器[S]. 北京: 中國標準出版社, 2010.

[5] 中華人民共和國機械工業(yè)部. GB 311.1-1977高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合[S].北京：中國電力出版社，1988.