关于牵引变电所高压避雷器保护距离的分析

 关于牵引变电所高压避雷器保护距离的分析

蔡思宇

身份证号码：4115261989****0032

摘  要：首先从国内规范入手，对不同电压等级下金属氧化物避雷器的保护距离要求进行归纳；然后结合IEC绝缘配合的相关规范及原理，得出保护距离的数学模型，并对不同回路、不同电压等级的外部电源形式进行保护距离的计算和对比，证明了方法选择的正确性；最后结合国外150kV铁路牵引变电所的主接线形式、接地形式及设备电气参数，对保护距离进行校验。此方法可以为实际工程中牵引变电所氧化锌避雷器的安装位置和设备耐压参数的选择提供有价值的参考。

关键词：金属氧化物避雷器；绝缘配合；保护距离；外部电源形式；电气参数

0  引言

随着国内铁路的迅速发展，在雷电活动频繁地区的牵引变地所内，雷电侵入波过电压导致跳闸的事故多有发生，很大程度影响了铁路的正常运营，尤其是随着中国铁路走出去，海外地区尤其是东南亚等多雷电国家，更要注重避雷器位置的设置。

对于外部电源采用架空进线的铁路牵引变电所，避雷器一般设置在高压进线侧，保护着一次设备比如断路器、隔离开关、互感器和变压器等，由于变压器造价较高，所以避雷器对变压器的保护距离成为工程中考虑的重中之重。关于避雷器对变压器的保护距离，在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064-2014）中[1]，对35kV、66kV、110kV和220kV的不同等级的系统标称电压下最大电气距离做了规定，但是没有对电气距离的确定方法进行详细说明。不同电压等级的系统，变压器和避雷器的绝缘配合参数都是不同的，

作者简介：蔡思宇. 中国铁路设计集团有限公司，工程师。

尤其是海外项目，电压等级与国内不同，不可直接套用此标准，因此对避雷器的保护距离计算进行研究显得更加重要。

1 国内规程对保护距离的要求

金属氧化物避雷器的保护距离是根据行波理论计算的[2]，行波的正、反向反射会造成电压的升高。因此保护距离与避雷器的雷电冲击电流下残压峰值（kV）、被保护设备的雷电冲击耐压峰值（kV）、雷电压冲击的陡度（kV/μs）、雷电侵入波的通道阻抗（Ω）、传播速度等均有关系。

避雷器安装得越靠近被保护的设备，则设备越安全。根据我国电力行业的标准《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》（DL/T 620）[3]，发电厂和变压所内的雷电过电压来自雷电对配电装置的直接雷击、反击和架空进线上出现的雷电侵入波，应该采取措施防止或减少发电厂和变电所近区线

路的雷击闪络并在厂、所内适当配置阀式避雷器以减少雷电侵入波过电压的危害。要求对采用的雷电侵入波过电压保护方案校验时，校验条件为保护接线一般应该保证2kM外线路导线上出现雷电侵入波过电压时，不引起发电厂和变电所电气设备绝缘损坏。金属氧化物避雷器与主变压器间的最大电气距离可参照下表，对其他电气设备的最大保护距离可增加35%。

表1 金属氧化物避雷器至主变压器间的最大电气距离

注：括号内距离对应的雷电冲击全波耐受电压为850kV

除了电力行业标准，在《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T50064-2014）中，对于金属阀式避雷器至主变压器的最大电气距离要求与电力行业标准一致。

2国际规程对保护距离的要求

国外标准尤其是IEC相关标准对于保护距离没有明确的说法，但是给了相关原理及方法。在《绝缘配合-第2部分：应用指南》（IEC 60071-2）中[4]，并给出了以下简化公式：

        （1）

              （2）

其中，是避雷器的雷电冲击电流下的残压峰值（kV），是雷电侵入波陡度（kV/μs），是雷电侵入波的传输时间（μs）。

                           （3）

其中，是雷电侵入波的传播距离，是雷电侵入波的传播速度。可以看出，大部分参数可以通过实际测量和查询相应设备铭牌得到。

而电压冲击的陡度取决于雷电流陡度和雷电侵入波的通道阻抗，雷电流陡度是雷电流产生破坏的重要原因之一，由于雷电波属于瞬态波，因此电压陡度的计算变得更加复杂。在IEC 60071-2中，给出了在变电所中，金属氧化物避雷器保护时，雷电侵入波电压陡度的取值方法：

                  （4）

其中，是连接到变电站的架空线路的回路数，双回路采用单塔进线算作一回，是电晕衰减参数（），是雷击点到变电站的距离（m）。对于电晕阻尼参数的取值，规范中也给出了参考：

表2 电晕衰减参数的选择

根据以上公式，当可以得出金属氧化物避雷器与被保护物体之间的距离公式为：

         （5）

3对保护距离公式进行校验

综合国内规范与IEC规范，可知，对于雷击电到变电站的距离，IEC规范没有明确的要求，但是DL/T 620要求校验条件为2kM。

目前国内铁路牵引变电所的主接线形式一般线路变压器组接线，当采用单回路单塔或者双回路单塔时，取n=1；当采用双回路双塔时，取n=2；外电电压等级为220kV时，分别取主变压器的雷电冲击全波耐受电压为950kV和850kV，雷电冲击电流下残压峰值为532kV，采用单导线架空进线（kco=1.5×10-6），雷电侵入波的传播速度c=300m/us,根据上述公式（1）—公式（4）可知：

当Upl≥2S·ts时，可以根据表1中对应的保护距离算出变压器的设备耐压最低值，然后得出保护系数k，根据规范要求，如果保护系数k≥1.15，则检验成功，相关计算结果如表3和表4所示。

表3 取n=1时的220kV变压器校验

表4 取n=2时的220kV变压器校验

从表3和表4可以看出，均属于Upl≥2S·ts的情况，根据计算得出设备的耐压参数，在通过设备本身的参数校验，得到的保护系数均大于1.15。下面再对110kV牵引变压器的保护距离进行计算校验，取Upl < 2S·ts的时候相关参数进行计算，结果如表5所示：

表5 取n=1时的110kV变压器校验

通过表5可以看出，Upl < 2S·ts时，计算得出的2000m和1500m情况下的避雷器保护距离分别为117m和87.75m，与表1规范中的125m和90m差别很小，也证明了此方法进行计算的准确性。

4对国外150kV牵引变电所保护距离进行计算

对于一些东南亚国家，由于电网电压等级只有500kV和150kV，适用于铁路牵引变电所的电压等级为150kV，由于铁路与电网接线的方式不同，避雷器的保护距离需要进行有针对性的计算。某150kV牵引变电所的设备布置图如图1所示：

图1  牵引变电所侧面布置图

经过查询设备参数，150kV牵引变压器的雷电冲击全波耐受电压为750kV，150kV避雷器的雷电冲击电流下残压峰值为335kV，接线采用单塔双回路接线，因此n=1；外部电源进线采用双分裂导线，因此kco=1×10-6；外电全线架设避雷线，因此校验长度去2000m；综上，可以计算得出：

=500（kV/μs）

图2  设备接地示意图

图2为变电所避雷器和变压器的接地示意图，从图1中可以计算得出，从避雷器到变压器高压套管的直线距离为a3=34m，接地网深度为Ld=1m，避雷器顶部到地面距离a1+a2+a4=5.6m，因此L= a1+a2+a3+a4+Ld=40.6m。因此可计算得出

335-2500=199.67（kV）>0

因此，可通过校验变压器的耐压水平来判断可靠性。经过计算可知：

（kV）

计算得出，安全系数 。

可见，对于150kV的变压器，安全系数远大于规范要求的1.15，说明金属氧化物避雷器的保护范围完全足够，可避免主变压器受到雷电侵入波的影响。并且还可以对此情况下的最大保护距离进行计算，经过计算，得出此情况下的最大保护距离为100.5m，此结果可以作为在单塔双回路进线情况下，150kV氧化锌避雷器对牵引变压器保护距离的参考数据。

5 结语

本文首先通过对国内规范数据进行对比，并结合国际IEC标准中相关计算方法，对数据的准确性进行了一定范围内的校验，证明了计算方法中取值

原则和计算的准确性。然后结合实际国外铁路工程中牵引变电所的接线形式、设备参数等数据，对牵引变压器需要达到的耐压等级和最大计算保护距离进行计算，验证了工程参数选择的准确性和安全性。为实际工程中，面临不同国家电压等级不同的情况，提供了计算方法和参考依据，具有实际的工程价值和意义。

参考文献：

[1] GB/T 50064-2014,交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范[S]．

[2] 庄秋月．1000kV变电站雷电侵入波的分析研究[D]．北京交通大学．2010．23-24．

[2] DL/T 620-1997．交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]．

[3] IEC60071-2-2018，Insulation co-ordination-Part2: Application guidelines[S]．