可控避雷器的触发型间隙方案研究

可控避雷器的触发型间隙方案研究

王云龙

广东电网有限责任公司惠州供电局 广东省惠州市 516000

摘要：雷电灾害是自然灾害中破坏力比较大的一种灾害，对人们的生命财产安全带来极大的隐患，作为电力系统的大动脉，高压输电线路本身地处旷野，纵横绵延，分布又极散，雷击风险很大。而输电线路担负着将巨大的电能传输到四面八方的职责，是连接各变电站、各重要用户的纽带。因此，远距离输电线路的安全运行与否，直接决定着整个电网稳定性的强弱和对用户侧供电可靠性的高低，输电线路的防雷保护构成了电网安全运行的重要课题之一。目前经常采用的提高输电线路耐雷水平的措施有降低杆塔接地电阻、架设避雷线、架设耦合地线、增加绝缘子片数、安装线路型避雷器等。如何综合考虑技术经济效益，选取最优的防雷措施，基于此，本文主要对可控避雷器的触发型间隙方案进行研究，详情如下。

关键词：可控避雷器；触发型；间隙

引言

雷害事故在现代电力系统的跳闸停电事故中占有很大比重，据不完全统计，电力系统事故中雷害事故一般占50％以上。可见，雷击引起的线路跳闸或其它故障严重威胁着输电线路安全可靠运行。

1避雷器放电计数器多重雷击动作特性

近年来，南方电网就出现了多起由于雷击引起设备损坏但现场避雷器放电计数器未动作的情况，给事故分析带来了困难。目前，国内普遍采用的机械式放电计数器的原理图见图１。传统放电计数器采用冲击电流分流储能方式，储能大小与避雷器动作电流幅值及持续时间密切相关，由于避雷器动作过后，R_１呈现高阻特性，电容器储能通过电磁计数器电磁线圈释放驱动电磁式计数器动作。电磁式计数器能否动作取决于电容Ｃ上是否储存有足够的能量。

图１　避雷器传统放电计数器原理

我国行标ＪB/T10492-2017中规定了计数器动作电流上、下值，它是表征计数器必须具备的正确动作电流值。通常上限动作电流为避雷器标称放电电流，下限电流沿用了SiC避雷器及其灭弧能力确定的电流值50A。在放电计数器的型式试验和出厂试验中也依据行标对放电计数器的动作电流上、下限进行了测试，试验电流波形为8/20μｓ的冲击电流，而对其它雷电流波形下放电计数器的动作特性却没有进行过测试。仿真计算表明，对变电站内设备危害最大的近区雷击在站内MOA上引起的放电流波头时间通常在2μｓ左右，在如此陡的雷电流作用下，图１中电容Ｃ的等值阻抗将变小，其与R₂分压后两端的电压将减小，导致电容Ｃ充电不足，从而使Ｃ对Ｌ的放电电流不足以驱使计数器指针移动，致使放电计数器不能正确动作。因此，笔者对传统避雷器的动作特性进行分析，提出改进避雷器动作特性的措施，使得改进后的放电计数器能可靠记录多重雷击下可靠动作的要求。具体改进如下，首先是下限动作电流值受波形参数影响的解决。传统电磁计数器的计数需要足够的电能进行驱动，电能来源于避雷器动作电流。不同泄漏电流波形参数，提供的能量必然不同。针对该问题，可采用利用脉冲电流传感器流经避雷器的电流进行电流转换，转换后的电流通过电子电路实现高效的计数。为了进一步满足不同电流波形下限动作电流足够低，且能有效避免其他干扰造成的误动作，可采用比较电路，设定电流下限门槛值，高于门槛值的电流才送入主控单元进行计数。其次是多重雷击作用下可靠记录的解决。多重雷击间隔时间较短，大多在几十毫秒数量级。为此，可采用单片机中断的方式对多重雷击进行记录，并设定中断一次的屏蔽时间，防止单次雷击反击引起的误动作。

2考虑风速和光照影响的高压避雷器温度分布

可控避雷器是高压变电站内重要过电压防护设备，一般配置在GIS的主变及线路出线侧。当避雷器内部电阻片出现受潮、劣化等现象时，会导致表面温度特征的变化，从而可以通过红外测温手段对高压避雷器运行状况进行诊断。然而避雷器属于电压致热型设备，具有发热量小、表面温升低的特点，且其表面温度同样受到外界环境因素的影响，例如光照强度、风力大小等，势必会给红外测温及故障诊断带来困难，若等待合适环境条件则降低工作效率，甚至不能及时发现缺陷，因此需要对外界环境因素影响下的高压避雷器内外部温度分布特征进行研究。利用ANSYS建立了可控避雷器的三维热电耦合模型，对避雷器正常及内部劣化情况下的温度分布进行了仿真，并通过现场试验数据与仿真结果的比对，验证了仿真模型的有效性和正确性，从而利用该模型对不同风速、光照影响下的避雷器温度分布进行了计算分析，得出了以下结论：１）风速增大加强了空气对流散热，使得避雷器内部缺陷发热导致的表面最高温度下降，温升减小，甚至可能低于避雷器红外测温缺陷判定阈值，因此若在风速较高时进行红外测温，则有可能难以及时发现缺陷。２）避雷器表面温度随太阳辐射强度的增大而升高，且向阳侧高于背阳侧，但温升值变化不大，因而在红外测温时，应重点关注温升而不是温度最大值，则可以基本排除光照的影响，准确识别避雷器内部存在的缺陷。

3可控避雷器电位分布

可控避雷器是一种新型高压输电系统操作过电压柔性抑制装置，由电力电子开关与避雷器本体组成。避雷器本体分为非控单元与可控单元两部分，电力电子开关由多个晶闸管串联组成与可控单元并联，通过控制可控单元的接入和退出改变避雷器伏安特性。在系统正常运行时，电力电子开关关断，避雷器本体的可控单元与非控单元共同承受持续运行电压，大幅降低了避雷器的运行荷电率，提高了可靠性。暂态高幅值操作过电压下，电力电子开关依据设定的动作阈值导通，短接可控单元，避雷器的残压降为非控单元的残压，可达到深度抑制系统操作过电压的目的。

4低压侧并联电容

雷电击于配电变压器高压侧时，由于电磁感应和电容耦合的作用，当雷过电压沿着配电变压器高压侧输电线路入侵时，将在低压侧产生较大的感应过电压，绕组间电容传递过电压。由于配变高、低压侧绕组阻抗无法改变，因此其电磁感应过电压是确定值。又因为电容耦合过电压主要是按照高、低压侧电容Ｃ_１、Ｃ_２进行分布，而高压侧电容不可变，根据绕组间电容传递过电压等效电路求解低压绕组电压公式Ｕ_２＝Ｕ_１*２Ｃ_１/（Ｃ_１＋３Ｃ_０）可知，需要通过改变低压侧电容来改变低压侧对变压器外壳电压Ｕ_２。为研究低压侧不同电容值对变压器低压侧相对变压器外壳电压的影响，以10ｋA雷电流沿变压器高压侧入侵为例，仿真分析低压侧并联不同电容值的电容器后，低压侧对外壳电压的分布。随着低压侧并联电容数值的逐渐加大，低压侧对外壳电压最大值呈逐渐减少的趋势，但同时会出现低压侧残压过高的现象，因此对于低压侧并联电容数值的选择需要结合两个参数共同考虑。在保证残压不能超过允许的电压值的同时，要求低压侧套管对外壳电压最大值尽量低。低压侧的输出为380Ｖ，一般允许的波动电压为上下5％，即为361Ｖ～399Ｖ，出于综合考虑选择大小位于8～12μＦ之间的电容能够在降低电压最大值时，控制低压侧的残压不超过允许的电压值。

结语

总之，雷电灾害是影响我国电网安全运行的主要外力破坏因素之一，给电力系统和国民经济造成了巨大损失。可控避雷器的研究对于抵御雷电灾害有重要意义。

参考文献

[1]廖民传，蔡汉生，贾磊，胡上茂，刘刚．基于雷击特性的配网避雷器可靠性与经济性研究［J］．南方电网技术，2017，11（6）：22－28．

[2]邬锦波，胡军，孟鹏飞，何金良．深度限制高压系统操作过电压对避雷器的要求[J]．高电压技术，2017,43（12）：4132-4138．

作者简介：王云龙，1983，男，吉林，硕士研究生，高级工程师，高电压技术方向。

论文来自广东电网有限责任公司职工技术创新项目：《雷击计数器动作检验器电量指示》