并联电容器装置保护用氧化锌避雷器的选型问题.doc

并联电容器装置保护用氧化锌避雷器的选型问题
唐耀胜
摘要：从我国电力系统实际情况出发，结合避雷器选型的历史回顾和新版本的避雷器国家标准，提出了使电力系统安全、可靠运行的并联电容器装置用氧化锌避雷器的选型方法，对变电站中并联电容器装置的设计具有一定的参考价值。
关键词：氧化锌避雷器；额定电压；持续运行电压；并联电容器装置
1、以往只考虑操作过电压和雷电过电压水平的避雷器选型及弊端
　　国家标准规定，系统供电端电压应略高于系统的标称电压（或额定电压）Un的K倍，即K=Um/Un（Um是系统最高电压）。电气设备的绝缘应能在Un下长期运行。220kV及以下系统的K为1.15，330kV及以下系统的K=1.1。避雷器设计的初期也遵守上述原则。
氧化锌避雷器之前是SiC避雷器。10kV及以下SiC避雷器的灭弧电压设计是定在系统最高运行电压的1.1倍；35kVSiC避雷器的灭弧电压等于系统最高电压；110kV及以上SiC避雷器的灭弧电压为系统最高电压的80％。对应以上的倍数分别有110％避雷器、100％避雷器和80％避雷器。
　　我国使用氧化锌避雷器初期，其额定电压是以SiC避雷器的灭弧电压为参考作设计的。早期的6kV、10kV和35kV避雷器均遵守上述原则，如：Y5WR-7.6/26、Y5WR-12.7/45、Y5WR-41/130。而最大长期工频工作电压为系统最高相电压，如Y5WR-12.7/45为：

2、保证在单相接地过电压下运行且电力系统安全情况下的避雷器选型及必要性
　　从安全运行角度，避雷器的额定电压的选择还应遵守如下原则：
　　①氧化锌避雷器的额定电压，应该使它高于其在安装处可能出现的工频暂态电压。在110kV及以上的中性点接地系统中是可以按上述方法选择的。
　　②在110kV及以下的中性点非直接接地系统中，电力部门规程规定在单相接地情况下允许运行2h，有时甚至在断续地产生弧光接地过电压情况下运行2h以上才能发现故障，这类系统的运行特点对氧化锌避雷器在额定电压下安全运行10s构成严重威胁。且氧化锌避雷器与SiC避雷器结构、设计不同（后者是有间隙灭弧，前者没有间隙或者只有隔流间隙），使得实践中氧化锌避雷器出现热崩溃甚至严重的爆炸事故。面对这种情况，许多供电局、电力设计院根据各地的电网条件提出了许多类型的额定电压值（如14.4kV，14.7kV等）。而在多次国标讨论稿中动作负载试验中耐受10s的额定电压规定提高至1.2～1.3倍，使氧化锌避雷器对中性点非直接接地系统工况的适应能力有所提高。
　　而由于氧化锌避雷器的额定电压选择过低，使避雷器在单相接地过电压甚至许多暂态过电压下工作出现安全事故。电力部安全监察及生产协调司早在1993年10月30日第十七期安全情况通报上就对避雷器提出修改意见。文中要求对新装设的3～66kV电压等级无间隙氧化锌避雷器持续运行电压（UC）和额定电压（Ur）按表1所列值选择，而同时保护性能不能降低。

（括号内数据适用于发电机和变压器中性点氧化锌避雷器，Um为系统标准电压的1.05-1.10倍）
    而在通报发布与新标准修订的过渡阶段，对中性点非接地系统的氧化锌避雷器额定电压、持续运行电压的选择提出了如下设计规则：
    额定电压在参考SiC避雷器灭弧电压设计基础上乘以1.2-1.3倍，持续运行电压为系统运行最高线电压。这样各种电压等级电容器用避雷器的额定电压数据如下：
6kV额定电压（型号为Y5WR-10/27）：

    上述基本数据由于没有统一标准，避雷器厂家及使用单位在设计制造中会有出入。
3 、贯彻2000年版新标准，安全、合理地对避雷器进行选型的现实性
    在我国2000年新标准中（GB11032-2000），额定电压的选择上述1.2-1.3倍原则得到了认可，但持续运行电压的选择则出现了新规定：从反映避雷器使用寿命的参数1.5Un//U1mA作为参考值选择（设计）避雷器持续运行电压。以国内避雷器的设计、制造水平，一般η值为80％，故持续运行电压选择为额定电压的0.8倍。这一点我们从伏安曲线的小电流区上看，是有根据的。这样新标准中电容器装置用避雷器选型参数如表2。

　　这样，在实践中根据具体条件进行模拟计算或按经验惯例对避雷器进行选型时，应考虑单相接地运行1h的过电压水平。但用户中的技术协议甚至电力设计院图纸中出现了许多与上述值有细微差别的额定电压值，我认为是不必要的（如10kV中出现16.5kV、16.7kV等）。理由是实际设计避雷器过程中，额定电压值在伏-安曲线中是在小电流区里面，均小于U1mAAC值，追求细微之差在实际避雷器设计中得不到实现；另外从下面论述可知，按照新国标要求选择才能在许可过电压下安全使用（这是指不接地系统）。
4、按2000年版新标准中非接地系统氧化锌避雷器选型的科学性
4．1、额定电压的选择应按施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值选择、设计，此时能在所规定的动作负载试验中确定的暂态过电压下正确地工作。持续运行电压的选择必须是允许持久地施加于避雷器端子间的有效值。此时工频放电电压要足够高，以免在被保护设备的绝缘能耐受不需保护的操作过电压下动作，延长使用寿命，且必须考虑到我国现阶段制造氧化锌避雷器的荷电率与残压的实际水平。
4．2、凡是工频电压升高较严重的处所或是设备绝缘试验电压较高的条件所允许，就应选择较高的氧化锌避雷器额定电压。工频参考电压的选择应等于或大于额定电压。这两点在新国标要求中都较好地满足，下面计算也可发现是满足过电压要求的。国标要求，要保证单相接地运行2h不动作。最严重情况是当单相接地与甩负荷同时发生，此时理论计算可能出现的最大过电压为1．99倍，则选取的氧化锌避雷器容许持续运行电压UC（有效值）如下：

　　国标按荷电率为0.8选取额定电压（即Ur≈1.25 UC），均满足要求。如果按躲开概率较高的弧光接地和谐振过电压，则额定电压应满足：

　　再按η=0.8选择持续运行电压，也满足要求。
　　综上所述，避雷器选型问题的主要难点是确定暂时过电压的范围问题，既要保证在较高的操作过电压及大气过电压下安全、可靠地动作，又要保证在暂时过电压下阀片不动作。现阶段避雷器的选型和设计必须保证2h单相接地时出现的系统最高过电压氧化锌避雷器不动作，否则氧化锌避雷器会出现热崩溃甚至爆炸事故。故在不接地系统中按照新要求选择是合适的。但在经消弧线圈接地的电容器装置中，接地过电压会低许多，这时可根据实际模拟计算选择较低的额定电压及持续运行电压使氧化锌避雷器在较低的操作过电压下动作，保护电容器装置，但如果不方便模拟，也可按不接地系统选择，因电容器极对地绝缘已考虑能满足单相接地2h要求。在小于额定电压下工作，避雷器不动作也不会导致过电压损害电容器装置。
　　总之，这是由于氧化锌阀片不带串联间隙直接串联，导致氧化锌避雷器电阻片不能承受甚至超过1.99倍的过电压，导致以SiC灭弧电压作为参考选择的氧化锌避雷器额定电压不能满足要求，必然要升高才能保证避雷器安全工作，如没有实际模拟数据，以国家标准精神中体现的推荐值较合适，因为它满足了极限要求。