基于电感开关型的高压避雷器级联设计研究

刘 刚

（湖南红太阳光电科技有限公司，长沙 410000）

0 引言

避雷器、电感线圈作为电力系统的重要组成设备，一直受到行业从业人员的重视，对避雷器和电感线圈的研究成果也比较多：文献［1］提出了一种新型阻性泄漏电流的提取方法，该方法有效地避免了谐波与耦合的干扰以及三相差异的影响；文献［2］提出在氧化锌压敏电阻中掺杂多元素稀土提高了氧化锌避雷器的保护效果，实现深度限制电力系统，特别是对特高压系统的过电压防护效果较好；文献［3］提出了一种配合电流的方法，用以降低避雷器的过电压；文献［4］主要对避雷器经济性和可靠性进行研究，通过仿真计算得到避雷器残压、放电电流、吸收能量变化规律及数值水平，最后得出避雷器的过载概率；文献［5］针对西北地区750 kV 工频差异化研究，提出避雷器额定电压可以进一步降低，进而降低避雷器的操作过电压；文献［6］针对1 000 kV 避雷器瓷瓶污秽径向放电、表面泄漏电流干扰、电网电压谐波影响以及内部阀片受潮进行了研究和分析；文献［7］针对避雷器提出了一种利用红外热成像、阻性电流测试等的带电检测技术；文献［8］提出了一种避雷器分步投入分断方法，在快速机械开关分断达到相应耐压要求后立即投入相应数量避雷器，从而降低了高压直流断路器故障电流峰值；文献［9］结合北京电网配网系统实例，对10 kV 氧化锌避雷器进行了多项试验研究，从而得出了一些电网配网系统的运行维护建议。

上述文献对避雷器和电感线圈进行了多方面、多角度的研究，但仍无法完全提供防雷、避雷的所有方案，雷击导致避雷器爆裂事故仍层出不穷。本文针对某工业小区35 kV 变电站110 kV 进线避雷器雷击事故，通过现场调研，分析认为其事故的主要原因是避雷器泄流不足，遂研究提出一种两级避雷器带电感的防雷、避雷设备设计方案——串联电感线圈的避雷器级联，利用不同避雷器特性的级联，在雷电流较低时导通第二级避雷器单独泄流，当发生较大雷电流事故时利用串联电感特性，提高过电压使得第一级避雷器同时导通进行泄流，该方法不仅能对电力设备起到更有效地防雷保护，同时能够保护避雷器本身。

1 雷击事故概述

发生事故的是某工业小区的一座35 kV 变电站，该变电站主要给新建的工业小区供电，进线供电分别来源于两座独立的110 kV 变电站，两座主变进行双回路供电，可保障供电的可靠性。变电站出线馈线的一座主变为5 回，另外一座主变为6 回，同时每座变压器都留有3 到4 回的备用馈线。电气主接线方式如图1 所示。

图1 变电站电气主接线Fig.1 Substation main electrical wiring

根据变电站值班人员以及检修人员叙述，事故发生时间大概是傍晚五点半到六点半，当时天气突然变化，出现多次闪电现象，在变电站的终端杆塔附近看到雷电放电电弧，该变电站35 kV 出线避雷器发生爆炸，造成了跳闸停电事故。

2 事故原因分析

2.1 地理环境原因

该变电站地处半山腰，终端杆塔架设于山顶（如图2所示），地势高容易遭受雷电的威胁。经查阅该站的历史事故记录，该变电站事故中83%的事故是由雷击造成的，雷击架空输电线路达到62%。

图2 终端杆塔Fig.2 Terminal Tower

2.2 避雷器保护有限

当发生雷击架空输电线路时，雷电过电压将沿着输电线路传播，当雷电过电压到达线路避雷器时，很高的过电压将促使避雷器导通，雷电流将沿着避雷器泄放入大地。正常情况下，雷电流通过避雷器后将得到释放，避雷器的残压也将限制在一定安全范围内，不会导致跳闸停电事故以及设备的烧损。

该避雷器发生爆炸主要原因：一方面是该35 kV 避雷器的最大耐受电流小于雷击发生时的雷电流，而该雷电流传导至避雷器会导致其发生爆炸；另外一方面是雷电流波头时间非常短，造成雷电流陡度过大，而其冲击力会导致避雷器爆炸［10-12］。

3 改造措施研究

根据分析，导致避雷器爆炸的主要原因是避雷器无法承受雷电冲击电流。由于单个避雷器的最大耐受电流固定，只能对某相最大电流进行保护设计［13-14］，因此在改造上选择采用两级避雷器配合的方式进行保护，通过分级配合降低雷电流，实现避雷器的通流量满足设计要求的目标。

同时，在避雷器之间采用串联电感，该电感不仅可作为第一级避雷器的导通开关，而且可同时利用电感的充电特性，有效降低雷电流的冲击陡度。两级避雷器设计如图3 所示。该设计包含两组避雷器，其中避雷器1（MOV1）为大流通量的避雷器，主要为通过较大雷电流而设计；避雷器2（MOV2）为小流通量的避雷器，主要为通过较小的雷电流而设计。当发生小电流雷击事故时，避雷器2 动作，通过避雷器2 泄流，此时残压较低无法驱动避雷器1 动作。当发生大雷电流雷击事故时，避雷器2 首先动作，受串联电感的特性影响，电压升高，避雷器1 随即动作，雷电流同时通过两组避雷器进行泄流。

图3 两级避雷器Fig.3 Two arresters

图4 是避雷器的等效电路，其中U1为输电线路对地电压，C0和C1为等效电容。当输电线路电压达到一定值时，避雷器动作导通。由于避雷器导通时，泄流不是一瞬间完成的，因此会在避雷器上产生一定的残压，残压的计算见公式（1）［15-16］：

图4 避雷器等效电路Fig.4 Equivalent circuit of lightning arrester

在两级避雷器设计中，避雷器1 产生的残压UC1有两种情况：第一种是高于避雷器2 的导通电压，此时避雷器2 动作泄流，继续对避雷器1 的残压进行释放；第二种是低于避雷器2的导通电压，此时则对电力系统没有影响。以第一种情况为例，两级避雷器残压曲线如图5 所示。

图5 残压曲线Fig.5 Residual pressure curve

图5 中避雷器1（MOV1）导通后，在泄流的过程中产生一定的残压，在残压释放的过程中，若没有避雷器2（MOV2），则按照图中MOV1 的残压曲线进行释放。因为有MOV2 的存在，此时MOV1 残压曲线在超过MOV2 导通电压时，MOV2动作导通，残压不再按照MOV1 的残压曲线释放，而是按照MOV2 的残压曲线释放。同时，在两级避雷器级联中加装防雷电感，防雷电感不能对残压进行释放，但是其能够起到一定的阻碍作用，降低残压陡度，降低冲击效应。加装防雷电感后，MOV2 的残压曲线将沿着图中虚线MOV2+L 曲线进行释放。在MOV2+L 曲线上，可以看到残压的极值并没有降低，只是滞后了达到极值的时间，进而降低对MOV2 的冲击。

4 仿真研究

仿真分析主要采用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP 进行，仿真避雷器之间的通流量关系、仿真电感的降陡度效果以及整个设计对于防雷保护的效果。仿真模型搭建组成主要包括：电源模型中雷电模拟发生器冲击波电源Heidler type15（电压电流两种类型），避雷器采用金属氧化物避雷器MOV Type92，避雷器接地模型采用接地线等效电路以及接地体等效模型。仿真架空输电线路采用LCC 架空线路中的分布参数线路模型JMarti，架空线路加装相应的保护间隙MODEL FLASH 模型，其他还有相应的电压探针Probe Volt，电流测量仪Probe Curr，地线等效线路阻抗LINE Z。

图6 所示仿真电路中雷电发生器的电源为电流100 kA（模拟发生平均雷击事故），第一级避雷器的动作电压设定为75 kV，第二级避雷器的动作电压为51 kV，电感为0.01 mH，利用电流、电压探针测试仿真结果。在单独避雷器2（无串接电感）的情况下仿真其雷电过电压的值以及避雷器的电流值，测试结果如图7、图8所示。

图6 仿真电路Fig.6 Simulation circuit

图7 标称放电电流波形Fig.7 Drain current waveform

图8 过电压波形Fig.8 Overvoltage waveform

从图7、图8 的仿真电流、电压波形图可知，该仿真模拟电路在雷击电流为100 kA 的情况下，避雷器动作。避雷器的标称放电电流最大值为9.6 kA，避雷器的残余电压幅值最大值约为67 kV。

4.1 级联避雷器仿真

为了进一步研究避雷器的级联设计效果，引入第一级避雷器和串联电感，运行仿真软件，分别对仿真电路中两级避雷器电流及残余电压进行测试。测试结果如图9、图10 所示。

从图9、图10 的仿真电流、电压波形图可知，该仿真模拟电路在雷击电流为100 kA 的情况下，级联避雷器动作。避雷器1 的标称放电电流最大值为5.3 kA，避雷器2 的标称放电电流最大值为4.6 kA，避雷器的残余电压幅值最大值约为51 kV，降低了23.88%。

图9 级联标称放电电流波形Fig.9 Cascade bleeder current waveform

图10 级联残余电压波形Fig.10 Cascade residual voltage waveform

4.2 串联电感仿真

串联电感开关特性主要是采用避雷器2 支路单独仿真，在有无电感的情况下对比其残余过电压值。图8 为没有架设电感的过电压波形，现单独架设电感（0.1 mH）再次仿真过电压，仿真结果如图11 所示。对比图8 和图11 过电压波形可知，在架设电感后能够提高过电压的幅值（由67 kV 增大到87 kV，提高了29.85%）。串联电感值直接影响到雷电过电压的陡度以及两级避雷器之间标称放电电流分配，为了研究其标称放电电流与串联电感之间的关系，分别采用不同的电感值进行仿真。串联电感分别采用0.001 mH、0.005 mH、0.01 mH、0.05 mH、0.1 mH、0.5 mH、1.0 mH，测试结果如表1 所示。

图11 对比电压波形Fig.11 Comparison voltage waveform

表1 串联电感仿真结果Tab.1 Series inductance simulation results

从表1 所示的串联电感仿真结果可知，串联不同的电感值直接关系到级联避雷器泄流电流的分配。当逐步加大串联电感值时，避雷器1 分配的泄漏电流值变大，相应的避雷器2 的标称放电电流逐步变小，对避雷器残余电压而言，串联电感值的大小对其影响不大。

5 结论

文章针对变电站雷电导致避雷器爆炸事故进行研究，通过分析事故原因，提出两级避雷器带电感的避雷防护措施，通过仿真软件对两级避雷器特性及防护效果进行验证，得到以下几点结论：

（1）串联电感作为第一级避雷器的导通开关，可以合理设置电感值达到两级避雷器的级联。

（2）串联电感值的增大可使第二级避雷器的通流量降低，工程中可根据不同的自然环境选择相应的第二级避雷器的通流量，进而保证保护的准确性及经济性。

（3）级联避雷器能够有效地降低残余电压，串联电感对于避雷器残压影响不大。可根据工程实际，综合考虑被保护电力设备的绝缘水平，合理地选择串联电感值，使级联避雷器能够起到有效的防雷保护作用。