35kV系統電站用避雷器配置淺析

范永威，孫照鵬

（1.上海能源科技發展有限公司,上海 200233；2.上海勘測設計研究院有限公司,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。②交流金屬氧化物避雷器。傳統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,具有響應迅速、殘壓低、陡波特性好、通流容量大、可耐受連續多重過電壓沖擊、無工頻續流、閥片壽命長、結構簡單、重量輕、耐污能力強等優點,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系統氧化鋅避雷器主要參數選擇的分析和計算,指出其在與設備絕緣配合方面存在的問題,并提出了電站用避雷器參數選擇的優化建議,具有一定的實踐意義。

2 避雷器主要參數選擇

根據參考文獻[7]附錄D推薦的典型35 kV系統電站用避雷器參數見表1。

表1 35 kV避雷器主要參數

根據上述規范要求,目前市場上主流的35 kV電站用無間隙避雷器參數均為YH5W-51/134,此參數僅最低限度的滿足了規范要求,那么實踐中此避雷器參數是否存在一定的問題或存在進一步優化的可能,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；Ut為暫時過電壓,kV。

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

考慮到在相同的系統標稱電壓下,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,應盡可能選額定電壓高的產品,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運行電壓Uc與其額定電壓之間有大致的比例關系,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,35 kV系統避雷器通常有5 kA、10 kA二個等級,根據參考文獻[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線路波阻抗通常可取為310 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：

風力發電站場內35 kV集電線路一般均全線架設避雷線,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生閃落時的情況,若雷電強度大,雷擊進線段發生繞擊或反擊時,流過避雷器的雷電沖擊發電電流將大大增加,此時變電站仍可能發生雷擊事故。以山西某風電場為例,根據當地雷電監測數據,其監測到的最大雷電流為76.1 kA,若此時發生雷擊桿塔,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致雷電波在避雷器動作后產生的負電壓波折回到雷擊點,又在該點產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

根據文獻[6]-6.4.4-3,變電站電氣設備外絕緣的雷電沖擊耐壓Ue.l.o應符合如下要求：

式中：k17為設備外絕緣的雷電沖擊耐壓配合系數,取1.4；Ue.l.o為設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,則要求的設備外絕緣不小于187.6 kV,而根據文獻[6]表6.4.6-1,35 kV設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避雷器參數進行配置,即選用復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現。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,壓比越低則電阻片的性能越好。

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

表2 D3～D6的電阻片壓比參數表

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。根據本文第2.3節分析,從設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不大于132 kV,考慮到目前避雷器廠家的技術水平,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,以便全面滿足規范要求,同時也提高35 kV設備運行的可靠性。

3 結論

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

（1）有進線段保護的變電所及少雷區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及以上地區,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。