关于氧化锌避雷器与变压器的绝缘配合研究

裘鸽丰 上海铁路局杭州供电段

随着铁路的快速发展，对铁路供电系统的稳定性要求越来越高。但是铁路10 kV 贯通（自闭）线路供电臂长、线路通过径路地形复杂，有山地、平原和丘陵，区域广，线路走向处在多雷区范围，雷击使电力设备事故频发，而为运输生产服务安装的TMIS、红外线、中继站等小容量供电变压器和开关设备时常被雷击损坏，影响铁路运输生产安全。以往的防雷措施多是在杆上变压器、高压开关高压侧和架空电线路上安装氧化锌避雷器，实施避雷功能，所选型号是YH5WS5-17/50，随着气候变化，在运行过程中线路遭雷击跳闸和损坏电力设备的情况时有发生，出现了现有选型的避雷器对电力设备避雷效果不佳情况。2008 年7 月23 日溪西配电所贯通3＃杆贯通变被雷击冒烟，千向贯通速断动作。7 月23 日诸暨东贯通中继变无电，检查发现诸暨东贯通中继变被雷击坏。发生事故后经调查，发现氧化锌避雷器没有对变压器起到保护作用。

1 故障原因分析

针对发生的故障，我们进行了分析，考虑到可能出现的以下几种情况：

(1)避雷器本身是否有质量问题。

(2)在避雷器损坏区段的落雷强度和避雷器的耐雷水平问题。

(3)在贯通、自闭线路上避雷器实际保护的是单相干式变压器，其变压器的绝缘水平与避雷器的保护匹配问题。

原先选用的YH5WS5-17/50 氧化锌避雷器是常用的配电型避雷器，生产厂家在出厂前按规定标准进行了各项电气性能试验，段采购入库安装之前又按预防性试验要求进行了预防性试验，因此安装在贯通、自闭线路上的氧化锌避雷器其质量符合国家产品规格质量要求，避雷器本身没有质量问题。

我们再考虑是不是在避雷器损坏区段的落雷强度过大和避雷器的耐雷水平较低的缘故，但分析发现在运行中小容量电力变压器遭受雷击损环情况严重，因此我们考虑到是否在避雷器选型和避雷器的保护绝缘配合上存在问题。

2 氧化锌避雷器与变压器的绝缘配合原理

2.1 氧化锌避雷器实现功能

雷云放电时在导线或电气设备上所形成的过电压，称为雷电过电压。它是由于电力系统内的设备遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压。雷电过电压产生的雷电冲击波，其电压幅值可高达1 亿伏，其电流幅值可高达几十万安。而雷击是不能阻止其发生的，即无源不可消雷，也不能拒雷，只能拦截导引改变入大地路径。氧化锌避雷器是现代性能最佳的避雷器。避雷器具有非线性特性，正常电压下其电阻很大，而过电压下其电阻变得很小。它实质上是一个放电器，与被保护的电气设备并联，当作用于其上的电压超过一定数值后，避雷器首先放电，限制了过电压，保护了其它电气设备。

2.2 氧化锌避雷器保护原理

避雷器和变压器的联接如图1 所示。

图1 避雷器安装示意图

避雷器动作前等值电路图如图2 所示。

图2 避雷器动作前等值电路图

动作后等值电路图如图3 所示。

图3 避雷器动作后等值电路图

为了简化分析过程，我们可以设输电线路为无限长，从输电线涌入的电压波为U（t），而且不考虑变压器入口电容的影响。避雷器动作前，避雷器端口电压即为入侵波电压。当入侵波电压U（t）与避雷器放电间隙的伏秒特性相交时，避雷器开始动作，即有电流Ib流过避雷器。根据图3 所示的等值电路，可以列出下列方程式

此中Ib为流过避雷器的电流，而z1为线路的波阻抗。从而解得

由于避雷器具有非线性特性，所以正常电压下其电阻很大，而过电压下其电阻变得很小。避雷器就接在变压器旁边，所以避雷器在泄放雷电流时有一定残压加在变压器上，由此，变压器绝缘的冲击耐压强度大于避雷器的残压值，则变压器的绝缘将得到可靠的保护。

2.3 氧化锌避雷器与变压器的绝缘配合分析

根据GB 311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》规定：对受避雷器保护的设备，其额定雷电冲击耐受电压由避雷器的雷电冲击保护水平乘以配合因数KC 计算选定。对氧化锌避雷器的雷电冲击保护水平是下列两项的较高者：

(1)8/20 us 冲击电流下的最大残压值。

(2)陡波（波前时间0.9～1.1 us）冲击电流下的最大残压值除以1.1。

在国家标准GB311.1-1997《高压输配电设备的绝缘配合》中对于变压器的绝缘水平规定为“:6 kV 变压器的短时(1 min)工频耐受电压(有效值)为25 kV，雷电冲击耐受电压(峰值) 为60 kV;10 kV变压器的短时(1 min)工频耐受电压(有效值)为35 kV，雷电冲击耐受电压(峰值)为75 kV”。

根据我国情况，避雷器的绝缘配合因数值Kc，对于雷电冲击：一般取Kc≥1.4;对于操作冲击：一般取Kc≥1.15。

发生变压器雷击故障前，我段所选用的避雷器是YH5WS5-17/50，YH5WS5-17/50 参数如表1。

表1 避雷器参数表

则8/20 us 雷电残压最大值为50 kV，陡波最大残压值为57.5 kV，经计算：10 kV 变压器用YH5WS5-17/50（L）避雷器的绝缘配合因数值:

Kc=被保护设备的额定雷电冲击耐受电压÷避雷器的雷电冲击保护水平=

如果仅从纯粹的计算来看，YH5WS5-17/50 金属氧化物避雷器的参数完全可以满足变压器过电压保护的需要。但间隔系数Kc 不是裕度系数，不是安全系数，是弥补在估算过电压设计确定和设定绝缘耐受电压值与实际的误差。也就是说，设计确定的过电压值和绝缘耐受电压值不完全是电网运行中实际的“真值”。若是电网运行中的“真值”，电网运行是不会发生绝缘故障的。

随着变压器的运行时间变长，变压器的绝缘会下降，而8/20 us 雷电残压是避雷器流过5 kA 雷电流时的残压，在雷电流超过5 kA 时，避雷器残压会升高，容易造成避雷器与变压器间的绝缘配合不良，出现避雷器保护动作，释放了雷电压，但使用中的变压器还是被雷击损坏故障。杆上变压器是单相干式变压器，其容量较小（使用的道口变、红外线轴温探测、TMIS 系统、无线中继站等等供电的变压器容量大部分在5 kVA 以内），耐热等级是E 级（120 ℃），耐雷水平较低，在经常遭受过电压冲击下绝缘会下降。在无法提高变压器绝缘水平的情况下，考虑降低避雷器的残压。避雷器是一种特殊电气设备，首先它必须具有一定的电气绝缘性能，保证它在电力系统正常状态下能承受相电压和暂时过电压，且能够稳定可靠运行，不致出现击穿故障。从这个角度看，避雷器电压等级应该是越高越好，但在发生大气过电压或操作过电压时，避雷器又必须可靠动作，而且残压应不超过被保护设备的绝缘水平。从这个角度看，避雷器电压等级应该是越低越好，因为电压等级越低残压就越低，避雷器的保护裕度就好。所以，综合来看，选择避雷器的原则应该是：在满足避雷器正常运行的相电压和暂态过电压绝缘需要的前提下，尽可能选择放电残压较小的产品。

不同型号的氧化锌避雷器在系统电压相同的情况下，避雷器的额定电压、持续运行电压相同，但1/5 us 陡波残压、8/20us 雷电残压不同。经以上分析YH5WS5-17/50（L）氧化锌避雷器与小容量的变压器的绝缘配合不匹配，需根据设备等级要求的绝缘水平来匹配相应的氧化锌避雷器。因此根据我段发生的多次小容量变压器雷击故障选择残压比YH5WS5-17/50（L）小的YH5WS5-17/45（L）氧化锌避雷器。

3 结束语

从2008 年选择采用YH5WS5-17/45（L）氧化锌避雷器后,在安装的路段没有发生线路跳闸以及避雷器击损事故。YH5WS5-17/45 氧化锌避雷器能对电力设备起可靠保护作用，降低设备故障率，保证供电可靠。减少设备的替换与维修，提高自闭贯通信号供电可靠性，从而节约大量的财力和人力资源。