浅谈电力系统中避雷器的应用

浅谈电力系统中避雷器的应用

发表时间：2017-08-18T13:59:05.263Z 来源：《电力设备管理》2017年第8期作者：任安壮孔阁赵永峰张鑫

[导读] 避雷器装在需限制过电压的地方，例如：变压器高低压侧、线路进出线侧、母线、电缆端头、发电机出口、架空线路等地方。中国酒泉卫星发射中心

摘要：本文简述避雷器（SPD）在电力系统中的作用和性能，通过避雷器（SPD）对电力设备的投入使用对所关联的设施设备起到较好的闭环保护措施，防止电网接地或者短路故障，外部因素瞬间产生的高压值，对过电压的危害、火灾危害、数据与信息的丢失、以及人身伤害等故障。

关键词：避雷针/避雷器；防雷措施；浪涌保护

避雷器是一种过电压保护装置，当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器动作，释放电压负荷，将电网电压升高的幅值限制在一定水平之下，从而保护设备绝缘所能承受的水平，现代避雷器除了限制雷电过电压外，还能限一部分操作过电压，因此称之过电压限制器。避雷器装在需限制过电压的地方，例如：变压器高低压侧、线路进出线侧、母线、电缆端头、发电机出口、架空线路等地方。在很多电力设施设备中应用得很广泛。

浪涌保护器作用主要是用来限制瞬态过电压及泄放相应的瞬态过电流，而引起过压主要有直击雷，传导雷，感应雷，操作过电压等等。

1避雷器的作用

避雷器是变电站被保护设备免遭雷电冲击波袭击的设备。当沿线路传入变电站的雷电冲击波超过避雷器保护水平时，避雷器首先放电，并将雷电流经过导体安全的引入大地，利用接地装置使雷电压幅值限制在被保护设备雷电冲击水平以下，使电气设备受到保护。

避雷器实质上是一种放电器，并联连接在被保护设备附近。避雷器保护作用原理如图1所示。避雷器的击穿电压要比被保护设备的低，当过电压波沿线路入侵并超过避雷器的放电电压时，避雷器首先放电把入侵波导入大地，限制了作用于设备上的过电压数值，从而保护了设备绝缘免遭击穿破坏。当入侵波消失后，避雷器应能自行恢复绝缘能力，以免造成工频接地短路事故。

2避雷器在配电变压器的应用

2.1根据GB技术要求10/0.4kV配电变压器，其高、低压侧安装避雷器的具体应遵循要求如下：

(1) 避雷器应安装在高压熔断器与变压器间。

(2) 避雷器防雷接地引下线采用“三位一体”的接地方法。即避雷器接地引下线、配电变压器金属外壳与低压侧中性点这三点连在一起，然后共同与接地装置相连接。

(3) 在多雷区、在变压器低压侧出线处应安装一组低压避雷器。

配电变压器高压侧一般都装有FS-10阀型避雷器，每当雷击，雷电流流过接地电阻时，必须会产生电压降，同时雷电流流过避雷器时也会产生残压，这两者叠加在一起作用于变压器绝缘上，将产生高电压。如将避雷接地线和变压器外壳连在一起再接地，那么只有避雷器残压作用在变压器上，可避免叠加高电压损坏配电变压器的绝缘。

2.2三位一体接地

由于高压侧出线装设避雷器，出线端电压受避雷器的限制，其产生的冲击高电压将高压绕组分布，在尾端达到最大值，会将中性点附近绝缘击穿，也可能使高压绕组层间或匝间绝缘击穿，而损坏配电变压器。由此可见，配电变压器除在高压侧装设高压避雷器外，还应在低压侧装设低压避雷器，在380/220V三相四线制中性点直接接地的电网中，配电变压器低压侧应装设一组三只FS-0.22型避雷器(中性线不装避雷器)。

但是，接地线及接地线上的压降，会使配电变压器外壳的电位大大提高，有可能发生外壳低压侧逆向闪络。为此，把配电变压器低压侧的中性点连接在配电变压器外壳上，再与避雷器接地线(三点)连在一起，接入接地体接地，这样低压侧电位被提高了，配电变压器外壳与低压侧就不会发生闪络了。

2.3避雷器作用

避雷器的作用是通过并联放电间隙或非线性电阻，对入侵流动电波进行削幅，降低被保护的设备所承受的过电压值。避雷器即可用来防护大气过电压，也可用来防护操作过电压。

(1)为防止雷电在电力系统中引起电压瞬间过高，造成设备损坏，其避雷防雷装置将起到良好保护作用，而接地装置必须接地可靠，当雷电压侵入时进线过电流迅速经避雷器传入大地起到分流作用。

(2) 电力系统中的大气过电压是由雷云放电所引起的，过电压对变压器的伤害大，而过电压有大气过电压和操作过电压两类。操作过电压的数值一般为额定电压的2—4．5倍，而大气过电压则可达到额定电压的8—12倍。变压器设计的绝缘强度—般考虑能承受2.5倍的过电压，因此超过2．5倍的过电压，不论哪一种过电压都有可能使变压器绝缘损坏。

(3)大气过电压或操作过电压基本是冲击波，由于冲击波的频率很高，波前陡度很大，波前时间为１.5μs的冲击波其频率相当于

160kHz，因此，在过电压冲击波的作用下，变压器容抗很小，对变压器内部电压的分布影响很大。

2.4防护措施

防止过电压损坏变压器，首先安装避雷针、避雷器，使过电压不超过绕组绝缘强度的电压幅值到绕组上，并且在高空的雷击时会先通过其避雷针（如图2所示）避雷器把高放电电流导入地下，从而使变压器等设备得到保护。

操作过电压是电力系统中由于开关操作或发生事故，使运行状态发生突变，引起电容和电感元件之间电磁场能量互相转换，出现一种振荡性过电压。常见操作过电压有：切、合空载长线引起的过电压；切除空载变压器引起的过电压；电弧接地引起的过电压等。

外部过电压即指雷电过电压，一种是由于雷云感应使电气设备引起过电压，称为感应过电压；另一种则是雷云通过电力网或设备直接放电而引起过电压，则称为直击雷过电压。大气过电压都是由于电力系统外部的大气影响而产生的，直击雷过电压和感应雷过电压，故亦称做外部过电压。

3 线路过电压、过电流损坏设备的原囚分析及防护方法

3.1过电压原因分析

针对避雷针、避雷带、避雷环网、电源线、信号线产生感应过电压、过电流的现象是经常发生的。图1中的电源设备A和B是两台互相传输数据的设备，假设电源线上传输进来5kA雷电电流波，按图2所示的等效电路，设备是否会被损坏？假设：电源避雷器P性能优良，其响应时间和导通后的残压不会损坏电子设备A，雷电流Ip=5kA全部流经避雷器P进人接地点G1入地。接地电阻R1、R2、R3均小于1Ω，且互为独立接地。雷电流Ip流过接地电阻R1时，接地点G1的地电位将抬升为UG1=IPR1=5kV。

3.2防护方法

该电位UG1此时会加到电源的输入端a1，而设备A的接地点G2为零电位，则电源输入端与入地点G2之间的电位差Va1G2 =5kV。电子设备开关电源能耐受的最高电压为800- 1500V，若5kV的电压波加到a1——G2两端，则设备A的电源端将被过电压损坏。为了避免设备A的电源端免受雷击损坏，应将接地点G1与G2相连接(如图2所示)。

当G2电位变为5kV，此时，信号传输线另一端设备B的接地点G3为零电位，而信号接口a2与接地点G2之间的电位差VG2a2变成了

5kV，从而使信号接口a2损坏。要保护信号接口a2，应在信号接口a2和接地点G2之间安装残压小的信号避雷器PA，且接地点必须与G2相连。由上看出，设备信号接口被雷击损坏，该雷电不一定是由信号传输线产生的感应过电压所致。由此可以发现，虽然设备A的信号接口a2并未损坏，但5kV的电压已加到a2与G3端，那么信号接口b2会损坏吗?理论计算与实验结果表明：a2至b2的信号传输线，如果线径

≤lmm,长度大于100m，则线阻加上导线的分布电感所形成的电抗分压，使得加到b2与G3的电压Vb2G3小于100V，但如果传输线小于

100m，则有可能使Vb2G3>100V而使设备B受到雷击损坏。

3.3 SPD在电子信息系统雷电防护中的应用

SPD的作用是在最短时间（纳秒级）释放电路因雷击感应而产生的大量脉冲能量短路泄放到大地，降低设备各接口间的电位差，从而保护电路上的设备。依据强度不同，又可分为避雷器和过压保护器。避雷器的测试电流是10.350us波形，50As，100KA,2.5MJ/Ω。过压保