35kV系统电站用避雷器配置浅析

范永威，孙照鹏

（1.上海能源科技发展有限公司,上海 200233；2.上海勘测设计研究院有限公司,上海 200434）

1 前言

避雷器的类型目前主要有两大类：①碳化硅阀式避雷器：普通阀式避雷器和磁吹阀式避雷器,其特点是均有间隙,使其在正常电压下,避雷器处于绝缘状态。②交流金属氧化物避雷器。传统的碳化硅避雷器有陡波放电电压高、操作波放电分散性大等缺点,而氧化锌避雷器由性能优越的氧化锌非线性电阻片组装而成,与碳化硅阀型避雷器相比,具有响应迅速、残压低、陡波特性好、通流容量大、可耐受连续多重过电压冲击、无工频续流、阀片寿命长、结构简单、重量轻、耐污能力强等优点,氧化锌避雷器是较为理想的过电压保护电器。

本文通过对35 kV系统氧化锌避雷器主要参数选择的分析和计算,指出其在与设备绝缘配合方面存在的问题,并提出了电站用避雷器参数选择的优化建议,具有一定的实践意义。

2 避雷器主要参数选择

根据参考文献[7]附录D推荐的典型35 kV系统电站用避雷器参数见表1。

表1 35 kV避雷器主要参数

根据上述规范要求,目前市场上主流的35 kV电站用无间隙避雷器参数均为YH5W-51/134,此参数仅最低限度的满足了规范要求,那么实践中此避雷器参数是否存在一定的问题或存在进一步优化的可能,下面就此做一些分析。

2.1 避雷器额定电压Ur

根据参考文献[8]-7.2.3,避雷器的额定电压通常取大于等于安装处的最大工频暂时过电压,

式中：Ur为避雷器额定电压,kV；k为切除单相接地故障时间常数；Ut为暂时过电压,kV。

35 kV系统通常为不接地、消弧线圈接地或小电阻接地系统,当单相接地故障切除时间为10 s及以内时,k=1.0；当单相接地故障切除时间大于10 s时,k=1.25,相应的避雷器额定电压分别为Ur≥40.5 kV和Ur≥50.625 kV,根据避雷器额定电压标准值的规定,对应的常用避雷器额定电压为42 kV、51 kV。

考虑到在相同的系统标称电压下,避雷器的额定电压越高,则运行中避雷器的泄漏电流就越小,对减轻避雷器的裂化有利,可以提高避雷器运行的可靠性。故在满足绝缘配合等要求的情况下,无论单相接地故障切除时间是否小于10 s,应尽可能选额定电压高的产品,可选用额定电压为51 kV的电站型无间隙氧化锌避雷器。

考虑到避雷器的持续运行电压Uc与其额定电压之间有大致的比例关系,一般为避雷器额定电压的75%～85%,故本次不再就避雷器的持续运行电压进行阐述。

2.2 避雷器的标称放电电流In

避雷器的标称放电电流In是波形为8/20用以划分其等级类别的重要参数,35 kV系统避雷器通常有5 kA、10 kA二个等级,根据参考文献[5]式7.3.1,当在线路进线段以外落雷时,流过避雷器的雷电冲击电流以单回路进线为最大,且一般按以下公式估算：

式中：U1n为进入变电所的雷电过电压,kV；Ur1为避雷器雷电冲击残压,kV；Z为线路波阻抗,Ω。

对于架空进线的雷电侵入波,通常按照进线段的绝缘冲击强度,即进线段绝缘子串的雷电冲击50%放电电压,35 kV架空线路悬垂绝缘子串一般为3片,根据文献[9]图3-137,其最大雷电冲击50%放电电压约为350 kV,35 kV线路波阻抗通常可取为310 Ω,则流过避雷器的雷电冲击电流为：

35 kV线路绝缘子串一般不超过4 片绝缘子,若按4 片考虑,其最大雷电冲击50%放电电压约为455 kV,则流过避雷器的雷电冲击电流为：

风力发电站场内35 kV集电线路一般均全线架设避雷线,箱式变压器和升压站35 kV线路均具有进线段保护,由式（3）和（3）可知,流过避雷器的雷电冲击放电电流均小于5 kA。

以上分析为变电站进线段以外线路落雷且绝缘子串未发生闪落时的情况,若雷电强度大,雷击进线段发生绕击或反击时,流过避雷器的雷电冲击发电电流将大大增加,此时变电站仍可能发生雷击事故。以山西某风电场为例,根据当地雷电监测数据,其监测到的最大雷电流为76.1 kA,若此时发生雷击杆塔,则线路绝缘所受电压可达1000 kV,此时若按式（2）估算流过避雷器的雷电冲击放电电流为：

若考虑由于雷击点与变电所距离减小导致雷电波在避雷器动作后产生的负电压波折回到雷击点,又在该点产生负反射波到达避雷器,则最终流过避雷器的放电电流将比上述计算值还大的多。

综上所述,建议当项目所在地雷电活动频繁且强度大,为了提高防雷效果,可以进一步将35 kV避雷器的标称放电电流提高至10 kA。

2.3 避雷器的雷电冲击残压Ures

根据文献[6]-6.4.4-3,变电站电气设备外绝缘的雷电冲击耐压Ue.l.o应符合如下要求：

式中：k17为设备外绝缘的雷电冲击耐压配合系数,取1.4；Ue.l.o为设备外绝缘雷电冲击耐压水平,避雷器雷电冲击残压为134 kV,按照惯用法进行绝缘配合,则要求的设备外绝缘不小于187.6 kV,而根据文献[6]表6.4.6-1,35 kV设备外绝缘的额定雷电冲击耐压水平为185 kV,显然不满足绝缘配合要求,反之要满足绝缘配合要求,则避雷器的雷电冲击残压最大值为：

目前35 kV系统电站用避雷器均参照文献[7]附录D推荐的典型35 kV避雷器参数进行配置,即选用复合外套氧化锌避雷器YH5WZ-51/134,此避雷器标准雷电冲击残压为134 kV,与上述规范要求存在出入,故宜进一步降低避雷器的标准雷电冲击残压水平至132 kV及以下以满足绝缘配合的要求。

2.4 避雷器压比分析

氧化锌电阻片是金属氧化物避雷器的核心部件,是由氧化锌为主要材料所构成的非线性电阻,其最早于1968年由日本松下公司的松岗道雄等发现。非线性电阻片标称电流下的残压（峰值）与其参考电压（峰值）之比称为非线性电阻片的压比,压比是反映电阻片性能的重要参数,压比越低则电阻片的性能越好。

目前35 kV系统的氧化锌避雷器通常采用规格型号为D3～D6的电阻片,其压比参数见表2。

表2 D3～D6的电阻片压比参数表

文献[7]附录D推荐的35 kV电站用避雷器压比为134/73=1.836,对比上表可知,此要求还是比较低的。根据本文第2.3节分析,从设备外绝缘的绝缘配合分析,电站用避雷器的雷电冲击残压应不大于132 kV,考虑到目前避雷器厂家的技术水平,建议将避雷器的残压水平要求值降至不大于130kV,即将氧化锌电阻片的压比要求提至1.73 左右,以便全面满足规范要求,同时也提高35 kV设备运行的可靠性。

3 结论

综上所述,综合考虑雷电保护、绝缘配合和当前避雷器技术水平等因素,建议35 kV系统避雷器的主要参数按如下要求进行选择：

（1）有进线段保护的变电所及少雷区的电站用避雷器可以按标称放电电流In=5 kA,额定电压Ur≥51 kV,标准雷电冲击耐压水平Ures≤130 kV。

（2）无进线段保护或中雷区及以上地区,电站用避雷器,可以按标称放电电流In=10 kA,额定电压Ur≥51 kV,标准雷电冲击耐压水平Ures≤130 kV。