探讨变电站过电压及其防护措施

探讨变电站过电压及其防护措施
1、现状背景
常规设计中，避雷器的选择都是根据上级电源中性点接地方式进行选择，即上级电源35kV侧中性点为经小电阻（或消弧线圈）接地系统，则本站35kV侧按经小电阻（或消弧线圈）接地系统考虑避雷器选择；上级电源10kV侧中性点为经小电阻（或不接地）接地系统，则本站10kV侧按经小电阻（或不接地）接地系统考虑避雷器选择。

变电站避雷器参数未经计算，只参照上级电源变电站中性点接地方式选取固定参数，配置只沿用其它工程，设计人对避雷器参数意义及选取、配置原则不甚明确，则有可能造成选择错误。

本文目的在于分析避雷器参数的意义、过电压的产生机理，明确天津地区用户变电站避雷器参数选择及配置原则，为其它工程中避雷器的选取和配置提供理论依据及可靠成果。

2、避雷器主要参数及型式表达
2.1主要参数
1）标称放电电流。

冲击波形为8/20μs的放电电流峰值，单位kA，用以区分避雷器的等级。

我国规定的标称放电电流有1kA、1.5 kA、2.5 kA、5 kA、10 kA和20 kA几个等级。

2）残压。

残压包括放电电流下的残压、陡波电流下残压和操作冲击电流下的残压。

其中陡波电流波形为1/5μs，操作冲击电流的波头时间为30～100μs。

3）雷电冲击保护水平。

避雷器标称放电电流下的残压值为其雷电冲击保护水平。

陡波电流下的残压与标称放电电流下的残压之比不得大于1.15。

4）操作冲击保护水平。

操作冲击保护水平即为避雷器在操作冲击电流（波头时间为30～100μs）下的最大残压。

5）额定电压。

额定电压是指能施加在避雷器两端的最大允许工频电压有效值，单位为kV。

6）最大持续允许电压。

最大持续允许电压为运行中允许持续地施加在避雷器上的最大工频电压有效值，单位kV。

其值一般应不小于额定电压的0.8倍，且不低于系统的最高运行相电压。

2.2避雷器型式表达
天津地区用户变电站一般采用HY5WZ型复合外套无间隙电站用金属氧化物避雷器。

3、变电站过电压及其防护
3.1雷电侵入波防护。

1）对于变电站的直击雷防护，一般采用避雷针或避雷线。

运行经验表明，按规程要求装设避雷针和避雷线的发电厂和变电站，发生绕击和反击的事故都非常低。

2）由于线路遭受雷击频繁，因此沿输电线路传入的雷电波是变电站遭受雷害的主要原因，所以变电站必须对沿线路来波加以防护。

对变电站侵入波的防护，主要措施是采用避雷器。

3.2内部过电压防护
系统运行中出现于设备绝缘上的内部过电压主要分暂时过电压和操作过电压，其中暂时过电压又分为工频过电压和谐振过电压。

3.2.1工频过电压
工频过电压一般由线路空载、接地故障和切负荷引起。

110kV及220kV系统，工频过电压一般不超过1.3p.u.；3kV～10kV和35kV～66kV系统，一般分别不超过1.1√3p.u.和√3p.u.（1.0p.u.=Um/√3）。

工频过电压对220kV及以下电网的电气设备危害较小。

3.2.2谐振过电压
谐振过电压主要可以分为线性谐振、铁磁谐振和参数谐振三种类型。

限制谐振过电压的基本方法，一是尽量防止它发生，即在设计中作出必要的预测，适当调整电网参数，避免谐振发生。

二是缩短谐振存在的时间，降低谐振的幅值，削弱谐振的影响。

一般是采用电阻阻尼进行抑制。

3.2.3操作过电压
1）线路合闸和重合闸过电压。

空载长线合闸时，电压波行至终端产生反射，形成接近2倍末端电压的过电压。

线路重合时，由于电源电势较高和线路上存在着残余电压，将使电压更高。

目前220kV及以下系统中，线路合闸和重合闸过电压一般不超过3.0 p.u. （1.0p.u.= √2Um/√3），通常无需采取限制措施。

2）空载线路分闸过电压。

空载线路开断时，如断路器发生重击穿，将产生操作过电压。

引起空载线路分闸过电压的根本原因是断路器重击穿，故在设计过程中应对断路器的相关能力提出明确要求。

目前随着设备制造水平的提高，在一般情况下，工程中断路器都能满足设计要求，故不建议额外配置避雷器防护。

如相关设备确实无法满足相关参数要求时，可考虑配置避雷器作为后备防护手段。

3）线路非对称故障分闸和振荡解列过电压。

系统送受端联系薄弱，如线路非对称故障导致分闸，或在系统振荡状态下解列，将产生线路非对称分闸或振荡解列过电压。

线路非对称分闸或振荡解列过电压主要发生在两个电网的超高压联络线上。

4）隔离开关操作空载母线过电压。

隔离开关操作空载母线时，由于重击穿将会产生幅值可能超过2.0 p.u.、频率为数百千赫至兆赫的高频振荡过电压。

此过电压对220kV及以下系统一般无危险。

5）开断并联电容补偿装置过电压。

开断并联电容补偿装置产生过电压的原理与开断空载长线过电压类似，都是由于断路器重击穿引起的。

3kV～66kV系统开断并联电容补偿装置如断路器发生单相重击穿时，电容器高压端对地过电压可能超过4.0p.u.，开断前电源侧有单相接地故障时，该过电压将更高。

所以，操作并联电容补偿装置，应采用开断时不重击穿的断路器。

对于需频繁投切的补偿装置，应按相关规定设置避雷器。

6）操作空载变压器和并联电抗器等的过电压。

开断空载变压器和并联电抗器一样，都是开断感性负载，开断过程中如出现截流，就会产生过电压。

对220kV 级以下电压的变压器，一般不需要对开断空载变压器过电压进行保护。

空载变压器和并联电抗补偿装置合闸产生的操作过电压一般不超多2.0 p.u.，可不采取保护措施。

7）操作高压感应电动机过电压。

开断高压感应电动机时，因断路器的截流、三相同时开断和高频重复重击穿等会产生过电压。

8）间歇电弧过电压。

66kV及以下系统发生单相间歇性电弧接地故障时，可产生过电压，过电压的高低随接地方式不同而异。

对于这种过电压，一般通过预测电容电流，合理选取中性点接地方式进行限制。

4、天津地区用户变电站避雷器配置及参数选择
4.1概述
在天津地区用户变电站中，设备的主要风险来自感应雷和对所连架空线的直击雷。

未与架空线连接的电缆系统，系统内部故障或开关操作引起的过电压所占比例较大，但也会产生雷电感应过电压，引起闪络并严重损坏设备，影响用户得正常供电。

目前天津市市区及郊区部分地区变电站出线实现了电缆化，其中性点接地方式由不接地系统向经小电阻接地系统过渡，有利于降低避雷器的额定电压
水平。

采用较低的线电压选择避雷器是中性点接地电网的主要优点之一，且额定电压低的避雷器其残压也低，对设备的保护更加可靠。

复合有机外套金属氧化物避雷器是有机绝缘材料和传统的瓷套式金属氧化物避雷器技术优点相结合的科研成果，具有电气绝缘性能好，介电强度高、抗漏痕、抗电蚀、耐热、耐寒、耐老化、密封性能好等优点，目前变电站内避雷器均采用复合有机外套金属氧化锌避雷器。

4.2避雷器配置
在避雷器配置上，除在变电站进线段上配置防止雷电侵入波的避雷器外，还应按规程规定在每一段母线上至少配备一组避雷器以防止操作过电压及工频过电压对电器设备的危害。

特别是架空线通过短电缆引入时母线避雷器还可以作为第二道防护关口。

对于有电缆进线的情况，由于电缆波阻抗小（电缆约24～30Ω，架空线约400～500Ω），经电缆架空线连接处的避雷器放电后，通过电缆波阻抗造成的电压小，对站内电气设备不至造成危害，但该避雷器接地端应与电缆外皮连接后共同可靠接地，防止反击。

除在母线及线路装设避雷器外，为防止雷击击穿开关，在变压器低压侧也应配置相应的避雷器或浪涌保护器。

4.3参数的选择及计算
避雷器选择的一般程序及参数计算如下：
1）根据避雷器的使用当地条件，如海拔、气温、风速、污秽、地震等环境因素进行选择。

天津地区一般情况下条件：
a）海拔：≤1000m。

b）环境气候
最高气温：+40℃
最低气温：-35℃
最大日温差：25K
最大风速：34m/s，（10米高度30年一遇10分钟平均最大风速）
c）覆冰厚度：10mm。

d）最大相对湿度：
日平均：95%。

月平均：90%。

e）日照强度：0.1W/cm2（风速0.5m/s）。

污秽等级：C
耐震能力
地震烈度8度，水平加速度：0.3g
共振、正弦拍波试验法，激振5次，每次持续时间5个周波，各次间隔2s，并考虑其端部连接导线振动和导线张力的影响。

安全系数不小于1.67。

水平加速度应计及设备支架的动力放大系数1.2。

安装地点（户内或户外）；
2）根据系统最高相电压来确定避雷器的持续运行电压，长期施加于避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压：
a）对于10kV：
不接地系统。

避雷器的持续运行电压为1.1xUm=13.2kV
小电阻系统。

避雷器的持续运行电压为0.8xUm=9.6kV
b）对于35kV：
消弧线圈系统。

避雷器的持续运行电压为Um=40.5kV
小电阻系统。

避雷器的持续运行电压为0.8xUm=32.4kV
其中Um为系统最高电压，取12kV、40.5kV
3）根据暂时工频过电压来确定避雷器的额定电压（灭弧电压），即保证避雷器能灭弧的最高工频电压允许值：
a）对于10kV：
不接地系统。

避雷器的持续运行电压为1.38xUm=16.56kV
小电阻系统。

避雷器的持续运行电压为Um=12kV
b）对于35kV：
消弧线圈系统。

避雷器的持续运行电压为1.25xUm=50.625kV
小电阻系统。

避雷器的持续运行电压为Um=40.5kV
其中Um为系统最高电压，取12kV、40.5kV
4）标称放电电流：冲击波形为8/20μs放电电流的峰值，它根据雷电侵入波流进避雷器的放电电流幅值对避雷器的类型分别进行等级划分。

根据《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032-2010表1，取5kA；
5）雷电冲击残压：当波形为8/20μs，5kA的冲击电流流过避雷器时避雷器两端的电压降，以幅值表示。

此残压为避雷器雷电放电时加于并接的被保护设备上的电压；根据《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032-2010表J3，相对于10kV不接地系统、小电阻系统、35kV消弧线圈系统、小电阻系统下，分别为32.4kV、45kV、121kV、134kV。

6）操作冲击残压：当波形为30/60μs，5kA的操作冲击电流下的操作冲击残压。

根据《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032-2010表J3，相对于10kV 不接地系统、小电阻系统、35kV消弧线圈系统、小电阻系统下，分别为27.6kV、38.3kV、103kV、114kV。

它与设备的绝缘额定操作冲击耐压或一分钟工频试验电压之间应满足绝缘配合的要求。

按惯用法进行绝缘配合时，设备的绝缘水平与避雷器保护水平比值为配合系数，即有
a）雷电过电压配合系数：避雷器紧靠被保护设备时>1.25、避雷器非仅靠被保护设备时>1.4
b）操作过电压配合系数：>1.15；
7）方波冲击放电等级：在标称放电电流范围内，雷电冲击容量一般均可满足要求，对于操作冲击10kV等级2ms方波400A、35kV等级2ms方波600A；
8）根据预期故障电流来选择避雷器的压力释放；
9）选择满足要求的避雷器，确定其雷电冲击保护特性；
10）确定被保护设备的配合用雷电冲击耐受电压，应考虑架空线路的雷电特性，即典型的雷电过电压侵入波及避雷器和被保护设备之间的距离；
11）避雷器的直流参考电压：使恒定的1mA电流流过避雷器时施加于避雷器两段的电压；
4.4天津地区用户变电站避雷器通用参数
4.4.1HY5WZ-12.7/41避雷器
1）系统标称电压：12kV。

2）避雷器额定电压：12.7kV。

3）避雷器持续运行电压（有效值）：9.2kV。

4）避雷器直流1mA参考电压：≮23kV。

5）标称放电电流（峰值）：5kA。

6）操作冲击电流残压（峰值）：≯35kV。

7）雷电冲击电流残压（峰值）：≯41kV。

8）2ms方波通流容量（20次）：400A。

9）主变低压侧和电容器组附放电计数器。

10）绝缘件泄漏比距：泄漏比距53.7mm/kV （相对于最高相电压），采用大小伞裙结构型式。

采用硅橡胶绝缘。

安装系统中性点接地方式：经10欧姆电阻接地方式。

4.4.2HY5WZ-17/45避雷器
1）系统标称电压：12kV。

2）避雷器额定电压：17kV。

3）避雷器持续运行电压（有效值）：13.6kV
4）避雷器直流1mA参考电压：≮24kV
5）标称放电电流（峰值）：5kA
6）操作冲击电流残压（峰值）：≯40.5kV
7）雷电冲击电流残压（峰值）：≯45kV
8）2ms方波通流容量（20次）：400A
9）主变低压侧和电容器组附放电计数器
10）绝缘件泄漏比距：泄漏比距53.7mm/kV（相对于最高相电压），采用大小伞裙结构型式。

采用硅橡胶绝缘。

安装系统中性点接地方式：不接地或经消弧线圈接地方式。

4.4.3HY5WZ-42/121避雷器
1）系统标称电压：35kV
2）系统最高工作电压：40.5kV
3）避雷器额定电压：42kV
4）避雷器持续运行电压（有效值）：32kV
5）避雷器直流1mA参考电压：≮73kV
6）标称放电电流（峰值）：5kA
7）操作冲击电流残压（峰值）：≯103kV
8）雷电冲击电流残压（峰值）：≯121kV
9）2ms方波通流容量（20次）：600A
10）附在线监测仪
11）绝缘件泄漏比距：泄漏比距53.7mm/kV（相对于最高相电压），采用大小伞裙结构型式。

采用硅橡胶绝缘。

安装系统中性点接地方式：经16.5欧姆电阻接地方式。

4.4.4HY5WZ-51/134避雷器
1）系统标称电压：35kV
2）系统最高工作电压：40.5kV
3）避雷器额定电压：51kV
4）避雷器持续运行电压（有效值）：40.5kV
5）避雷器直流1mA参考电压：≮76kV
6）标称放电电流（峰值）：5kA
7）操作冲击电流残压（峰值）：≯114kV
8）雷电冲击电流残压（峰值）：≯134kV
9）2ms方波通流容量（20次）：600A
10）附在线监测仪
11）绝缘件泄漏比距：泄漏比距53.7mm/kV（相对于最高相电压），采用大小伞裙结构型式。

采用硅橡胶绝缘。

安装系统中性点接地方式：经消弧线圈或不接地的接地方式。

5、结语
本报告针对在进行配置避雷器时对其应考虑的内在机理、配置原则及其型式参数选择等方面的理解研究尚有欠缺的情况，以目前的常规设计为出发点，结合理论分析，针对变电站产生各种过电压的可能性，结合相关规程规范，明确了天津地区35kV及10kV用户变电站中避雷器配置及型式参数的选择，有效地解决
了设计过程中碰到的实际问题，为设计工作提供了可靠依据。

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