15kV系统避雷器的选择

徐世宇（中国建筑设计研究院机电院，北京 100044）

1 引言

避雷器，又称过电压限制器（surge arrester），是保护电气设备免受瞬态过电压的危害、限制续流的持续时间和幅值的一种装置。当过电压出现时，避雷器两端子间的电压不超过规定值，使电器设备免受过电压损坏；过电压作用后，又能使系统迅速恢复正常状态。

因电网中可能存在雷电过电压、工频过电压、操作过电压、谐振过电压等过电压威胁，而避雷器作为克服过电压的利器，有着不可替代的地位。因此，正确、合理的选择和使用避雷器显得尤为重要。

我国采用中压电网为民用建筑供电，常见配电电压等级有6kV和10kV，在个别地区也有20kV这个电压等级。15kV中压电网在国内还未见使用。但是，随着我国对外经贸交往的不断扩大，我国企业承揽的海外工程越来越多，15kV这个电压等级的中压电网也引入了我国电气设计、产品制造及施工领域。由于我国没有这个电压等级的中压电网，因此国家及电力行业标准中对15kV避雷器的选择及使用尚未做出明确规定。

下文就以笔者设计的某工程为模型，简述15kV系统中避雷器的选择。

2 工程简介

某工程变电所位于民用建筑内，内设高压环网柜、变压器及低压配电柜。电源为15kV中性点非直接接地系统，单相接地故障在10s以上切除，避雷器安装在高压进线柜内。为叙述简便，下文仅简称“上述避雷器”。

民用建筑变配电系统中，中压避雷器一般设置在变电所内的中压母线侧。用以限制作用在中压配电的设施，主要是配电变压器、分段开关、刀闸及电缆头的雷电过电压和除谐振过电压及暂态过电压以外的相对地过电压。

无间隙金属氧化物避雷器的特点：

（1）结构简单。

（2）保护性能好，电阻片具有良好的非线性伏安特性，正常工作电压下通过避雷器的电流小(以容性分量为主)，无需串联间隙，消除了因间隙击穿特性变化所造成的影响，保护特性仅由残压所决定。

（3） 吸收能量大，非线性金属氧化物电阻片单位体积吸收能量较碳化硅非线性电阻片大5～10倍，同时，电阻片或避雷器均可并联使用，使吸收能力成倍提高。

（4）保护效果好，只要过电压超过避雷器额定电压，保护作用就开始。这对降低频繁作用在被保护设备上的过电压，减少异常绝缘击穿，延长设备的寿命有积极作用。

（5）运行检测方便，能通过带电试验检测避雷器特性的变化。

（6）由于没有串联间隙，电阻片不仅要承受雷电和操作过电压作用，还要承受正常持续运行电压和暂时过电压，因而存在着这些电压作用下的劣化和热稳定问题。

鉴于以上特点，本案例选用了肘形无间隙金属氧化物避雷器，安装在环网柜进线处。

由于无间隙金属氧化物避雷器没有主间隙，因此没有灭弧电压和放电电压的特性参数。故选择金属氧化物避雷器的参数主要控制两个方面：一是避雷器应有足够的保护水平；二是避雷器自身保证必要的使用寿命，并在工作时不损坏。

1) 持续运行电压(Uc)

避雷器持续运行电压是允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压有效值。

对于无间隙避雷器，运行电压直接作用在避雷器的电阻片上，会引起电阻片的劣化，因此允许持续作用在避雷器上的电压是一个很重要的参数。为了保证一定的使用寿命，长期作用在避雷器上的电压不得超过避雷器的持续运行电压，以免引起电阻片的过热和热崩溃。

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

2) 额定电压(Ur)

避雷器额定电压是施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值，按照此电压所设计的避雷器，能在所规定的动作负载试验中确定的暂时过电压下正常地工作。

由于电力系统的标称电压是该系统相间电压的标称值，而避雷器一般安装在相对地之间，正常工作下承受的是相电压和暂时过电压，并且避雷器有它本身的特点，因此其额定电压与电力系统的标称电压以及其他电器(变压器、断路器等)的额定电压有不同的意义。

按国际电工委员会(IEC 99-4)及GB11032对无间隙金属氧化物避雷器的规定，避雷器在60℃的温度下，注入标准规定的能量后，必须能耐受相当于额定电压数值的暂时过电压至少10s。

在相同的系统标称电压下，避雷器的额定电压选得越高，在运行中通过避雷器的漏电流越小，对减轻避雷器的劣化有利，可以提高运行的可靠性。但另一方面，避雷器的额定电压高了，残压也相应增高了，在同样的绝缘水平下，保护裕度会降低，这两方面是矛盾的。一般考虑的原则是：只要满足保护绝缘的配合系数，避雷器的额定电压可选得高一些。

K ——切除单相接地故障时间系数；10s及以内切除，k＝1.0，10s以上切除，k＝1.251.3(k＝1.25主要用于保护并联补偿电容器及其他绝缘较弱设备的避雷器)；

Ut——暂时过电压(kV)。

表1 暂时过电压Ut推荐值 kV(有效值)

根据上式和表1，上述避雷器的kUt=1.3×1.1×17.5=25.03kV， 故Ur≥25.03 kV。

3) 标称放电电流

GB11032中规定的避雷器标称放电电流见表2。

根据表2，上述避雷器的标称放电电流为5kA。

4) 直流参考电压

直流参考电压是避雷器在直流参考电流下测出的避雷器上的电压。直流参考电流的数值，由制造厂规定。国内一般都采用1mA。直流1mA参考电压值一般不小于避雷器额定电压的峰值。故上述避雷器的1mA直流参考电压值不小于45kV。

5) 能量吸收能力

避雷器的能量吸收能力包括操作冲击(长持续电流冲击)与大电流冲击两个方面。

表2 GB11032中规定的避雷器标称放电电流

(1)方波冲击电流能力

对1.5kA和2.5kA等级避雷器和5kA等级(额定电压90kV以下) 避雷器，不要求进行输电线路特性规定的线路放电试验，但避雷器在雷电过电压或部分操作过电压动作后，系统的电容、电感中存储的能量仍会向避雷器释放。因此要根据避雷器的类型及使用情况进行幅值为50A 600A的2000μs的方波冲击电流试验，具体要求见DL/T804-2002表11。

故上述避雷器的 2000μs的方波冲击电流(峰值)为150A。

(2)大电流冲击耐受能力

GB11032中规定，对无间隙避雷器电阻片需进行大电流冲击耐受抽样试验，这是考虑在接近避雷器安装地点处，遭受直接雷击或发生反击时，通过避雷器的雷电流将较大。电阻片在这种大电流冲击下，不应有击穿或闪络等破坏。在动作负载试验中，也要施加大电流冲击，由于避雷器承受大电流的几率较少，所以只施加两次，耐受试验数值见DL/T804-2002表12。

故上述避雷器的大电流冲击耐受实验电流峰值为65kA。

6) 雷电过电压的保护水平

无间隙金属氧化物避雷器的保护水平完全由它的残压所决定。避雷器雷电过电压的保护水平是下列两项数值的较高者：

(1) 陡波冲击电流下最大残压除以1.15；

(2) 标称放电电流（8/20μs）下最大残压。

配合系数

按惯用法衡量绝缘配合程度时，设备的绝缘水平与避雷器的保护水平之间应有裕度，称之为配合系数ks，其数值为被保护设备的绝缘水平除以避雷器的保护水平。按GB311.1的规定：

(1) 雷电过电压的配合系数：

中性点避雷器ks＞1.25；

避雷器非紧靠保护设备ks＞1.4。

(2) 操作过电压的配合系数ks＞1.15。

根据GB311.1，15kV系统变压器、高压电器、高压电力电缆等额定雷电冲击耐受电压（峰值）为105kV，上述避雷器的标称放电电流（8/20μs）下最大残压应小于75kV。

3 总结

综上所述，上述避雷器的持续运行电压Uc≥19.25kV；额定电压Ur≥25.03 kV；标称放电电流为5kA；2000μs的方波冲击电流(峰值)为150A；大电流冲击耐受实验电流峰值为65kA；标称放电电流（8/20μs）下最大残压应小于75kV。

4 结语

因篇幅限制，笔者仅就本案例所用避雷器选用中的主要技术参数作以简要介绍，仍有工频参考电压、压力释放、避雷器外绝缘和耐污要求以及机械性能、密封性能等未介绍。读者可参阅相关资料。

[1] 水利电力部西北电力设计院. 电力工程电气设计手册[M].北京: 中国电力出版社,1998.

[2] 中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M] .3版.北京：中国电力出版社，2005.

[3] 电力工业部. DL/T804-2002交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则[S]. 北京：中国电力出版社，2002.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局 中国国家标准化管理委员会. GB 11032-2010交流无间隙金属氧化物避雷器[S]. 北京: 中国标准出版社, 2010.

[5] 中华人民共和国机械工业部. GB 311.1-1977高压输变电设备的绝缘配合[S].北京：中国电力出版社，1988.