基于電感開關型的高壓避雷器級聯設計研究

劉 剛

（湖南紅太陽光電科技有限公司，長沙 410000）

0 引言

避雷器、電感線圈作為電力系統的重要組成設備，一直受到行業從業人員的重視，對避雷器和電感線圈的研究成果也比較多：文獻［1］提出了一種新型阻性泄漏電流的提取方法，該方法有效地避免了諧波與耦合的干擾以及三相差異的影響；文獻［2］提出在氧化鋅壓敏電阻中摻雜多元素稀土提高了氧化鋅避雷器的保護效果，實現深度限制電力系統，特別是對特高壓系統的過電壓防護效果較好；文獻［3］提出了一種配合電流的方法，用以降低避雷器的過電壓；文獻［4］主要對避雷器經濟性和可靠性進行研究，通過仿真計算得到避雷器殘壓、放電電流、吸收能量變化規律及數值水平，最后得出避雷器的過載概率；文獻［5］針對西北地區750 kV 工頻差異化研究，提出避雷器額定電壓可以進一步降低，進而降低避雷器的操作過電壓；文獻［6］針對1 000 kV 避雷器瓷瓶污穢徑向放電、表面泄漏電流干擾、電網電壓諧波影響以及內部閥片受潮進行了研究和分析；文獻［7］針對避雷器提出了一種利用紅外熱成像、阻性電流測試等的帶電檢測技術；文獻［8］提出了一種避雷器分步投入分斷方法，在快速機械開關分斷達到相應耐壓要求后立即投入相應數量避雷器，從而降低了高壓直流斷路器故障電流峰值；文獻［9］結合北京電網配網系統實例，對10 kV 氧化鋅避雷器進行了多項試驗研究，從而得出了一些電網配網系統的運行維護建議。

上述文獻對避雷器和電感線圈進行了多方面、多角度的研究，但仍無法完全提供防雷、避雷的所有方案，雷擊導致避雷器爆裂事故仍層出不窮。本文針對某工業小區35 kV 變電站110 kV 進線避雷器雷擊事故，通過現場調研，分析認為其事故的主要原因是避雷器泄流不足，遂研究提出一種兩級避雷器帶電感的防雷、避雷設備設計方案——串聯電感線圈的避雷器級聯，利用不同避雷器特性的級聯，在雷電流較低時導通第二級避雷器單獨泄流，當發生較大雷電流事故時利用串聯電感特性，提高過電壓使得第一級避雷器同時導通進行泄流，該方法不僅能對電力設備起到更有效地防雷保護，同時能夠保護避雷器本身。

1 雷擊事故概述

發生事故的是某工業小區的一座35 kV 變電站，該變電站主要給新建的工業小區供電，進線供電分別來源于兩座獨立的110 kV 變電站，兩座主變進行雙回路供電，可保障供電的可靠性。變電站出線饋線的一座主變為5 回，另外一座主變為6 回，同時每座變壓器都留有3 到4 回的備用饋線。電氣主接線方式如圖1 所示。

圖1 變電站電氣主接線Fig.1 Substation main electrical wiring

根據變電站值班人員以及檢修人員敘述，事故發生時間大概是傍晚五點半到六點半，當時天氣突然變化，出現多次閃電現象，在變電站的終端桿塔附近看到雷電放電電弧，該變電站35 kV 出線避雷器發生爆炸，造成了跳閘停電事故。

2 事故原因分析

2.1 地理環境原因

該變電站地處半山腰，終端桿塔架設于山頂（如圖2所示），地勢高容易遭受雷電的威脅。經查閱該站的歷史事故記錄，該變電站事故中83%的事故是由雷擊造成的，雷擊架空輸電線路達到62%。

圖2 終端桿塔Fig.2 Terminal Tower

2.2 避雷器保護有限

當發生雷擊架空輸電線路時，雷電過電壓將沿著輸電線路傳播，當雷電過電壓到達線路避雷器時，很高的過電壓將促使避雷器導通，雷電流將沿著避雷器泄放入大地。正常情況下，雷電流通過避雷器后將得到釋放，避雷器的殘壓也將限制在一定安全范圍內，不會導致跳閘停電事故以及設備的燒損。

該避雷器發生爆炸主要原因：一方面是該35 kV 避雷器的最大耐受電流小于雷擊發生時的雷電流，而該雷電流傳導至避雷器會導致其發生爆炸；另外一方面是雷電流波頭時間非常短，造成雷電流陡度過大，而其沖擊力會導致避雷器爆炸［10-12］。

3 改造措施研究

根據分析，導致避雷器爆炸的主要原因是避雷器無法承受雷電沖擊電流。由于單個避雷器的最大耐受電流固定，只能對某相最大電流進行保護設計［13-14］，因此在改造上選擇采用兩級避雷器配合的方式進行保護，通過分級配合降低雷電流，實現避雷器的通流量滿足設計要求的目標。

同時，在避雷器之間采用串聯電感，該電感不僅可作為第一級避雷器的導通開關，而且可同時利用電感的充電特性，有效降低雷電流的沖擊陡度。兩級避雷器設計如圖3 所示。該設計包含兩組避雷器，其中避雷器1（MOV1）為大流通量的避雷器，主要為通過較大雷電流而設計；避雷器2（MOV2）為小流通量的避雷器，主要為通過較小的雷電流而設計。當發生小電流雷擊事故時，避雷器2 動作，通過避雷器2 泄流，此時殘壓較低無法驅動避雷器1 動作。當發生大雷電流雷擊事故時，避雷器2 首先動作，受串聯電感的特性影響，電壓升高，避雷器1 隨即動作，雷電流同時通過兩組避雷器進行泄流。

圖3 兩級避雷器Fig.3 Two arresters

圖4 是避雷器的等效電路，其中U1為輸電線路對地電壓，C0和C1為等效電容。當輸電線路電壓達到一定值時，避雷器動作導通。由于避雷器導通時，泄流不是一瞬間完成的，因此會在避雷器上產生一定的殘壓，殘壓的計算見公式（1）［15-16］：

圖4 避雷器等效電路Fig.4 Equivalent circuit of lightning arrester

在兩級避雷器設計中，避雷器1 產生的殘壓UC1有兩種情況：第一種是高于避雷器2 的導通電壓，此時避雷器2 動作泄流，繼續對避雷器1 的殘壓進行釋放；第二種是低于避雷器2的導通電壓，此時則對電力系統沒有影響。以第一種情況為例，兩級避雷器殘壓曲線如圖5 所示。

圖5 殘壓曲線Fig.5 Residual pressure curve

圖5 中避雷器1（MOV1）導通后，在泄流的過程中產生一定的殘壓，在殘壓釋放的過程中，若沒有避雷器2（MOV2），則按照圖中MOV1 的殘壓曲線進行釋放。因為有MOV2 的存在，此時MOV1 殘壓曲線在超過MOV2 導通電壓時，MOV2動作導通，殘壓不再按照MOV1 的殘壓曲線釋放，而是按照MOV2 的殘壓曲線釋放。同時，在兩級避雷器級聯中加裝防雷電感，防雷電感不能對殘壓進行釋放，但是其能夠起到一定的阻礙作用，降低殘壓陡度，降低沖擊效應。加裝防雷電感后，MOV2 的殘壓曲線將沿著圖中虛線MOV2+L 曲線進行釋放。在MOV2+L 曲線上，可以看到殘壓的極值并沒有降低，只是滯后了達到極值的時間，進而降低對MOV2 的沖擊。

4 仿真研究

仿真分析主要采用電磁暫態仿真軟件ATP-EMTP 進行，仿真避雷器之間的通流量關系、仿真電感的降陡度效果以及整個設計對于防雷保護的效果。仿真模型搭建組成主要包括：電源模型中雷電模擬發生器沖擊波電源Heidler type15（電壓電流兩種類型），避雷器采用金屬氧化物避雷器MOV Type92，避雷器接地模型采用接地線等效電路以及接地體等效模型。仿真架空輸電線路采用LCC 架空線路中的分布參數線路模型JMarti，架空線路加裝相應的保護間隙MODEL FLASH 模型，其他還有相應的電壓探針Probe Volt，電流測量儀Probe Curr，地線等效線路阻抗LINE Z。

圖6 所示仿真電路中雷電發生器的電源為電流100 kA（模擬發生平均雷擊事故），第一級避雷器的動作電壓設定為75 kV，第二級避雷器的動作電壓為51 kV，電感為0.01 mH，利用電流、電壓探針測試仿真結果。在單獨避雷器2（無串接電感）的情況下仿真其雷電過電壓的值以及避雷器的電流值，測試結果如圖7、圖8所示。

圖6 仿真電路Fig.6 Simulation circuit

圖7 標稱放電電流波形Fig.7 Drain current waveform

圖8 過電壓波形Fig.8 Overvoltage waveform

從圖7、圖8 的仿真電流、電壓波形圖可知，該仿真模擬電路在雷擊電流為100 kA 的情況下，避雷器動作。避雷器的標稱放電電流最大值為9.6 kA，避雷器的殘余電壓幅值最大值約為67 kV。

4.1 級聯避雷器仿真

為了進一步研究避雷器的級聯設計效果，引入第一級避雷器和串聯電感，運行仿真軟件，分別對仿真電路中兩級避雷器電流及殘余電壓進行測試。測試結果如圖9、圖10 所示。

從圖9、圖10 的仿真電流、電壓波形圖可知，該仿真模擬電路在雷擊電流為100 kA 的情況下，級聯避雷器動作。避雷器1 的標稱放電電流最大值為5.3 kA，避雷器2 的標稱放電電流最大值為4.6 kA，避雷器的殘余電壓幅值最大值約為51 kV，降低了23.88%。

圖9 級聯標稱放電電流波形Fig.9 Cascade bleeder current waveform

圖10 級聯殘余電壓波形Fig.10 Cascade residual voltage waveform

4.2 串聯電感仿真

串聯電感開關特性主要是采用避雷器2 支路單獨仿真，在有無電感的情況下對比其殘余過電壓值。圖8 為沒有架設電感的過電壓波形，現單獨架設電感（0.1 mH）再次仿真過電壓，仿真結果如圖11 所示。對比圖8 和圖11 過電壓波形可知，在架設電感后能夠提高過電壓的幅值（由67 kV 增大到87 kV，提高了29.85%）。串聯電感值直接影響到雷電過電壓的陡度以及兩級避雷器之間標稱放電電流分配，為了研究其標稱放電電流與串聯電感之間的關系，分別采用不同的電感值進行仿真。串聯電感分別采用0.001 mH、0.005 mH、0.01 mH、0.05 mH、0.1 mH、0.5 mH、1.0 mH，測試結果如表1 所示。

圖11 對比電壓波形Fig.11 Comparison voltage waveform

表1 串聯電感仿真結果Tab.1 Series inductance simulation results

從表1 所示的串聯電感仿真結果可知，串聯不同的電感值直接關系到級聯避雷器泄流電流的分配。當逐步加大串聯電感值時，避雷器1 分配的泄漏電流值變大，相應的避雷器2 的標稱放電電流逐步變小，對避雷器殘余電壓而言，串聯電感值的大小對其影響不大。

5 結論

文章針對變電站雷電導致避雷器爆炸事故進行研究，通過分析事故原因，提出兩級避雷器帶電感的避雷防護措施，通過仿真軟件對兩級避雷器特性及防護效果進行驗證，得到以下幾點結論：

（1）串聯電感作為第一級避雷器的導通開關，可以合理設置電感值達到兩級避雷器的級聯。

（2）串聯電感值的增大可使第二級避雷器的通流量降低，工程中可根據不同的自然環境選擇相應的第二級避雷器的通流量，進而保證保護的準確性及經濟性。

（3）級聯避雷器能夠有效地降低殘余電壓，串聯電感對于避雷器殘壓影響不大?？筛鶕こ虒嶋H，綜合考慮被保護電力設備的絕緣水平，合理地選擇串聯電感值，使級聯避雷器能夠起到有效的防雷保護作用。