交流系统金属氧化物避雷器的选择

介绍了用于中性点直接接地和非直接接地交流电力系统的金属氧化物避雷器（MOA）的选择方法。以GB 11032—2000为基础，结合安装点自然条件和系统条件(如当地环境条件、安装点的工频过电压、持续运行电压、操作通流能力、标称放电电流、污秽耐受能力等)，合理地选择MOA的保护特性和运行特性，以期取得良好的技术经济效益。 关键词： 交流电力系统；金属氧化物避雷器；接地方式；保护特性；运行特性 　　 1 概述

　　 三相交流电力系统中，作用于电器设备上的电压有运行工作电压、工频过电压、操作过电压、雷电过电压。不同的自然环境条件及各种过电压对电力设备的安全运行构成威胁。金属氧化物避雷器(MOA)的主要任务是将变电站内各类设备上的过电压限制在允许范围内，并使自身的损坏率控制在可接受的范围内。
　　 从使用方面分类，金属氧化物避雷器的特性可分为保护特性和运行特性。保护特性由保护水平决定；而运行特性则有额定电压、冲击通流能力（雷电通流能力，长持续时间耐受能力）、工频电压耐受时间特性、耐污性能、短路电流试验等级等决定，其中避雷器的短路电流试验等级主要由系统的容量和避雷器的安装点决定，具有独立的属性。避雷器的保护特性和运行特性是互相制约的。
　　 在系统条件一定，阀片性能一定的条件下，若避雷器的额定电压提高，则其允许的持续运行电压就高，耐受工频电压、能量吸收的能力随之提高，标称电流下的残压也随之提高，但保护裕度却会减小；反之，若避雷器的额定电压降低，则其允许的持续运行电压就低，耐受工频电压、能量吸收的能力随之降低，标称电流下的残压也随之降低，但保护裕度却会增大。
　　 若对系统的接地方式、过电压的幅值及持续时间等情况掌握得清楚的话，就可以选择最佳的避雷器额定电压值，以取得较大的保护裕度；反之，若对系统的情况了解得不清楚、不准确，那么就要选择额定电压高一些的避雷器，这时避雷器的保护裕度就会小一些，被保护物的绝缘所受的电应力就会大一些。若选择避雷器的额定电压较低，就有可能带来安全事故。
　　 在同一电压等级的系统中，接于相对地间的避雷器与接于相对相间的避雷器，其定额电压是不同的。在同一个变电站的同一电压侧，线路型避雷器和母线型避雷器的额定电压也是不同的。

2 中性点直接接地系统MOA的选择

　　 在中性点直接接地系统中，通常零序电抗X₀与正序电抗X₁的比值X₀/X₁≤3, 零序电阻R₀与正序电抗X₁的比值R₀/X₁≤1。中性点直接接地的系统主要有：①系统中大部分变压器的中性点是直接接地的；②负荷集中的10 kV和20 kV配电网；③330、550 kV系统中不允许变压器中性点不接地运行时的系统。在中性点直接接地系统中，选择MOA时应考虑以下几方面。
2.1 当地环境条件
　　 选择MOA时，应按使用避雷器当地的海拔高度、气温、风速、污秽、地震等环境条件进行选择。若属于正常使用条件，可选择常规产品；若属于非正常使用条件，则应根据用户的要求，经供需双方协商后选择符合非正常条件使用的避雷器。
　　 （1） 温度。可不考虑环境温度变化对避雷器保护特性的影响，但必须考虑环境温度变化对运行特性的影响。避雷器正常运行条件下设计的环境温度是-40～+40℃。验证避雷器工频电压耐受时间特性的试验是将试品预热到60±3℃后进行试验。运行中避雷器的电阻片短时升高到60℃是允许的（实测表明，避雷器在太阳下暴晒时，其靠上法兰阀片的温度可以达到60℃）。昼夜间、一年四季中环境温度的变化对避雷器的影响主要造成密封不良与机械特性变化。密封不良则易受潮，引发事故；机械特性变化主要表现为断裂和裂纹。当环境温度属于非正常运行条件时，密封系统应专门考虑并通过相应的检验加以验证。
　　 （2） 海拔高度。正常使用条件下的避雷器适用于海拔高度1000m以下。当避雷器使用于高海拔地区时，属于非正常使用条件。原则上讲，高海拔地区避雷器的爬距应和其他电器设备的爬距同步增长，避雷器内部绝缘件及外套绝缘的雷电冲击水平应不低于1.2×2倍的标称电流下的残压再加上海拔修正值（海拔每升高100 m，雷电冲击水平升高1%）。
　　 （3） 风速。作用于避雷器的风压力，一般按最大风速35 m/s计算；计算迎风面时应考虑覆冰厚度2cm。避雷器承受的长期机械力是避雷器顶端承受导线的最大允许水平拉力与作用于避雷器表面风压力的合力，在此合力作用下避雷器应能可靠运行。运行经验表明，变电站中避雷器端部承受的荷载是不苛刻的，凡是按标准GB 11032—2000型式试验合格的产品都可满足正常使用要求。
2.2 安装点的工频过电压
　　 一般按避雷器安装点出现的工频过电压来选择避雷器的额定电压。
　　 （1） 工频过电压通常是由于长线效应、甩负荷、单相接地，以及其他故障引起的暂时的工频电压升高。选择避雷器的额定电压，一般是按单相接地故障同时又有甩负荷时健全相上的工频电压升高来考虑。工频电压升高持续的时间由发电机的类型和继电保护的整定时间决定，一般为零点几秒或几秒（GB 11032—2000要求MOA必须能耐受相当于UR数值的工频过电压的持续时间为10 s），并有衰减振荡的暂态过程。当有工频过电压作用时，将使MOA电流增大、吸收能量增加、温度明显增高。工频过电压的作用将加快电阻片的老化进程，有的MOA在工频电压作用下甚至会发生热崩溃。对于中性点有效接地的系统，若X₀/X₁为0~+3，R₀/X₁为0~+1，则避雷器安装点的接地故障系数不超过1.4。避雷器的额定电压一般取为接地故障系数乘以最大运行相电压，对于110、220 kV中性点有效接地系统，工频过电压采用1.4倍系统最大运行相电压，但当前我国110 kV及220 kV系统工频过电压一般不会超过1.3倍；对于500 kV系统，通常取正常送电状态下的甩负荷和在线路受端有单相接地故障情况下甩负荷作为确定电网工频过电压的条件，一般330、500kV系统母线侧工频过电压为1.3 U_m/

，线路侧工频过电压为1.4U_m/

。当系统比较复杂时，或者比较重要时，一般通过暂态网络分析仪(TNA)或电磁暂态仿真程序(EMTP)计算来确定不同运行方式下避雷器安装点的工频过电压的幅值和持续时间，并通过分析后最终确定。
　　 （2） 工频过电压也可以是由雷击或操作过电压引起系统故障而产生的过电压，所以避雷器在承受工频过电压前将吸收一定雷电过电压或操作过电压的能量（称为初始能量），这部分能量会引起电阻片温度升高，从而影响避雷器耐受工频过电压的能力。为此，还需根据吸收的初始能量来选择额定电压。初始能量一般是按2次长持续时间放电所产生的能量。施加初始能量和工频过电压之后还要加避雷器的持续运行电压。在持续运行电压下，避雷器会因温度降低、泄漏电流减小而趋于稳定。因此，避雷器耐受工频过电压的允许时间是工频过电压值、初始能量和持续运行电压的函数。对于额定电压为96 kV以上的电站型避雷器，可用标准GB 11032—2000中8.4.2款线路放电耐受试验来检验所选的避雷器额定电压是否符合要求。
　　 （3） 如果要求的耐受工频过电压的能力超过了所选避雷器的实际能力，则需选择额定电压较高等级的避雷器。有的生产厂家给出了有初始能量和无初始能量的2条工频电压耐受曲线供用户选择避雷器用。不同生产厂家的避雷器工频电压耐受曲线是不同的。
　　 （4） 应防止局部失地。对于双电源供电的网络，当系统某些部位的设备发生故障时，开关动作，中性点不接地的变压器就有可能转变为带单相接地的非有效接地电网的运行方式，接地故障系数升高为1.73，这种情况在运行中应当避免。
2.3 避雷器的持续运行电压U_C
　　 避雷器的持续运行电压是允许持续加到避雷器端子间的工频电压有效值，它是衡量避雷器运行能力的参数之一。一般，在220 kV及以下系统中，避雷器的持续运行电压U_C=0.8U_R；在330、500 kV系统中，避雷器的持续运行电压U_C=0.75U_R。由于系统工作电压的持续作用，避雷器的电阻片发生老化，将引起避雷器泄漏电流增大，损耗增加，甚至热崩溃。运行经验表明，按照型式试验要求所生产的电阻片其耐老化性能是优异的。
2.4 避雷器的操作通流能力
2.4.1 原理
　　 在实际应用中的充电线路上重合操作时，开关重燃将引起过电压。在此情况下，如何确定安装在开断线路末端避雷器的吸收能量是一个重要问题。假定断路器闭合在工频电压正极性峰值上，Z为低阻抗，通过避雷器的电流是2倍线路传播时间的方波，电流的幅值可由图解确定。可以根据图解得到的电流，查生产厂家提供的方波通过能力来选择适当的避雷器。
　　 简单的单相模型经常是很有用的，它可以避免价格昂贵的计算机或TNA的费用。对于复杂系统，当用简单方法不能取得满意结果时，可进行更准确的计算。
2.4.2 确定避雷器操作通流能力的步骤
　　 第一步，确定系统参数。为了利用简化方法，须确定系统参数，如系统电压、不同电压等级线路的波阻抗和无避雷器时的预期过电压，如表1所示。已知系统的参数和厂家给出的避雷器的伏—秒特性后，可用图解法求出通过避雷器的电流。
　　 第二步，计算避雷器的能量。避雷器操作冲击放电能量W可由式（1）求得 　　
　　 W=（U_OV-U_p）/Z·U_p·2T·n ---------------------------------- (1)
式中，W为操作冲击放电能量，kJ/kV；U_OV为预期过电压，kV；U_p为操作冲击电流下的残压，kV；Z为波阻抗，Ω；T为传播时间；n为无冷却情况下连续放电次数。
　　 第三步，选择具有适当通流能力的避雷器。首先根据上述的结果和厂家提供的产品的通流能力（厂家一般给出比能量kJ/kV或方波通流能力）来选择适当的避雷器；如所选避雷器通流能力不够，则可以提高避雷器额定电压或选择通流能力更大的避雷器；对于同杆架设的双回路输电线路，在选择线路型避雷器的通流能力时应比单回路时增加10%。
表1 系统参数 系统电压/kV 波阻抗Z/Ω 无避雷器时预期过电压U_OVpu 110～220 450 3.0 330 400 2.75 500 350 2.50 2.4.3 避雷器长持续时间耐受能力
　　 为了检验避雷器在实际运行条件下承受线路操作过电压的能力，GB 11032—2000推荐了避雷器长持续时间冲击电流耐受试验用分布常数冲击发生器典型回路，并规定了110 kV及其以上系统用的避雷器（中性点使用的避雷器除外）须做线路放电试验。
　　 采用分布参数的链型冲击电流发生器来模拟输电线路。改变冲击发生器的参数可以模拟不同的线路长度和波阻抗，并可根据不同的电压等级按比例模拟不同的过电压倍数，然后对被试品的比例单元放电。一般，发生器的链数为10，可以产生试验要求的长持续时间冲击电流的波形。
2.5 避雷器标称放电电流
　　 通过避雷器的雷电流与其所在地区的雷电日水平、雷电频度、线路防雷设计、变电站的设备布置以及变电站所处的地形等许多因素有关。我国中性点直接接地系统的变电站都有避雷针或避雷线作为直击雷保护。
　　 （1） 影响通过避雷器雷电流的主要因素：①避雷器安装地区的雷电水平（在我国，40个雷电日为中雷区）和落雷强度。②与变电站连接的架空线的几何参数（主要是高度、宽度及地线位置）的影响，而几何参数由电压等级决定。③进线绝缘的雷电冲击耐受强度。④进线段的长度、放电电流的陡度取决于进入电站的雷电过电压的陡度，由于架空线路导体的衰减作用，这个陡度又取决于线路雷击点与电站间的距离。在所要求的最短进线保护长度下，最高电压陡度被限制在150～1150 kV/μs，具体视线路的几何距离而定。⑤线路冲击阻抗。⑥杆塔接地阻抗。⑦避雷器动作时连接线路的数目。
　　 （2） 决定避雷器标称放电电流的主要因素： ①电站的重要性，即可以接受的绝缘的危险率。随着系统电压的提高，重要性也随之提高。②高于标称电流的放电电流出现的概率。
　　 （3） 110～500 kV的输电线路均沿全线架设避雷线，保护角一般在25°～18°，按进线段外雷击的侵入波统计，通过避雷器的标称放电电流可取如下数据：① 110～220 kV系统一般不大于5 kA。据在我国雷电观测的实例数据统计，通过避雷器的电流超过5 kA的概率为0.27%；对220 V单进线变电站（线路绝缘子13×X-4.5），当仅有一只避雷器动作时，计算可得通过避雷器的负极性电流为5～6.4 kA，正极性电流为4.4～5.4 kA；对110、 220 kV变电站设计使用的标称电流，GB 311.1—1997中推荐为5 kA；而GB 11032—2000推荐使用5 、10 kA 2个系列。② 330 kV系统一般不大于10 kA。 ③ 500 kV系统用10 kA或20 kA。
　　 对于特别重要的发电厂、变电站，需要通过防雷分析计算确定避雷器的标称电流。
2.6 污秽耐受能力
　　 对于交流无间隙金属氧化物避雷器，GB 5582—1985《高压电力设备外绝缘污秽等级》对瓷绝缘和玻璃绝缘规定了最小公称爬电比距的要求：在无明显污秽的地区，最小公称爬电比距为17 mm/kV；在普通污秽地区，最小公称爬电比距为20 mm/kV；在重污秽地区，最小公称爬电比距为25 mm/kV。
　　 对于爬电比距相同的情况，能源部（1993）第45号文中规定，硅橡胶外套绝缘的污闪、湿闪电压与瓷绝缘或玻璃绝缘的污闪、湿闪电压之比为4∶ 3。
　　 污秽对交流无间隙金属氧化物避雷器运行特性除影响外绝缘性能外，还会引起避雷器内部电阻片的电位分布发生畸变，以及由多节瓷套组成的避雷器发生电流转移，这些都会引起电阻片局部过热。
　　 对用于重污秽地区的避雷器，应做污秽试验。对有特殊需要的地区，可由供需双方协商。
2.7 避雷器的短路电流试验性能
　　 当避雷器发生故障时，通过的短路电流不应引起粉碎性爆破。避雷器的短路电流试验性能与其结构和安装点的短路电流有关。当试验电源容量和试验回路参数一定时，内部充气的瓷套避雷器（试品1）、环氧管灌封嵌段胶复合外套避雷器（试品2）、内部单丝缠绕的实心结构复合外套避雷器（试品3），这3种试品所产生的爆破力差别很大。其中，试品1属开放式电弧原理，爆破力最大；试品2属半开放式电弧原理，爆破力次之；试品3属狭缝式电弧原理，爆破力最小。从安全运行的角度考虑，单丝缠绕式复合外套避雷器的安全性能为最好。
2.8 保护水平的校核
　　 （1） 配合系数。被保护设备的基准冲击绝缘水平(BIL)和避雷器的保护水平U_p之比称之为配合系数k_s，即k_s=BIL/U_p。如果雷电过电压的配合系数≥1.4(非紧靠时)，或≥1.25(紧靠时)，则操作过电压的配合系数≥1.15。
　　 （2） 距离系数。避雷器直接装在被保护物上时计算的保护裕度才是正确的。当避雷器和被保护物之间有一段距离时，被保护物就要承受一附加的过电压，即由于距离效应引起的电压升高。距离系数DF可由式（2）求得。
　　 D_F=U₂/U₁ ---------------------------------- (2)
式中，U₁为避雷器雷电过电压保护水平；U₂为设备上的雷电过电压。
　　 用简化方法，被保护物上的电压U₂可用式（3）计算。
　　 U₂=U₁+2aL/v ------------------------------- (3)
式中，U₁为避雷器残压，kV；a侵入波陡度，kV/μs；L为包括引线在内的被保护物与避雷器之间的距离，m；υ为波的传播速度，m/μs。
　　 距离效应明显地取决于侵入波的陡度，而侵入波陡度又与雷击点到变电站的距离、输电线路的参数有关。与雷电冲击电压相比，通常操作波的电压波头较缓慢，电流也较小，一般不考虑距离效应和接地电阻的影响。因此，设备的操作冲击强度的耐受值与避雷器操作冲击保护水平之比等于1.15即可认为是符合绝缘配合要求的。需要强调的是，对于大型敞开式变电站、GIS和带电线段的变电站，一般都要用计算机计算不同运行方式下各结点的雷电过电压的幅值和持续时间，以便确定避雷器的布置和组数。
　　 （3） 当避雷器不能满足绝缘配合要求时，可采取调整MOA的位置、选择保护性能更好的MOA、适当降低MOA额定电压或增加MOA台数等办法予以改进。
2.9 近区雷击
　　 （1） 所谓异常近区雷击，就是在变电站外的1～2 km范围内，输电线路上发生绕击或反击而进入变电站的雷电过电压的幅值高、陡度大。这种情况下，被保护物绝缘承受的电气应力增加很多，避雷器的雷电通流负担加重。在有些情况下，通过避雷器的电流可能达到GB 11032—2000中表17的大电流冲击耐受值。如果达到上述值，避雷器的残压将达到1.25～1.4倍标称电流下的残压值，在这种情况下要求避雷器的电阻片不穿、不闪、不裂。
　　 （2） 近区雷击时，如果线路绝缘子串或空气间隙发生闪络，幅值很高的载波侵入变电站，常使变电站发生事故。如电容式电压互感器爆炸，电磁式电压互感器相间绝缘或对地绝缘击穿，主变压器匝间绝缘击穿，进线隔离开关支柱闪络，热备用断路器断口击穿损坏等故障屡见不鲜。且站区短路往往造成恶性事故，损失很大。
　　 （3） 如果在变电站热备用的断路器外侧装线路终端避雷器，或在多雷区断路器外侧装线路终端避雷器（防止在断路器暂时断开过程时侵入波反射升高），可以有效地提高变电站的运行可靠性，降低事故率。

3 中性点非直接接地系统MOA的选择

　　 对于3～66 kV的电网，根据运行的需要，变压器的中性点可能有不接地、经高电阻接地或经消弧线圈接地等非直接接地方式。对于3～20 kV的电网，其工频过电压取1.1×1.73倍最大运行相电压；对于35、66kV电网，其工频过电压取1.73倍最大运行相电压。由于发生单相接地后，经常会引发间歇性弧光接地过电压、铁磁谐振过电压，故避雷器的额定电压应比工频过电压高出一定值，以保证避雷器运行的可靠性。对于要求在10 s以上切除故障的网络，避雷器的额定电压有效值如表2所示。其余步骤与中性点接地系统避雷器选择方法相似。
　　 表2 避雷器的额定电压值有效值 系统标称电压/kV 3 6 10 20 35 66 避雷器额定电压/kV 5 10 17 34 54 96 　　
4 保护旋转发电机的避雷器

　　 （1） 保护发电机、电动机的避雷器的额定电压，按1.25倍发电机、电动机额定电压选择，建议值见表3。
　　 （2） 大、中型旋转电机很重要，要求防雷可靠。由于电机结构上的原因，电机主绝缘的冲击系数很低，接近于1，其出厂冲击耐压值只有同等电压等级变压器的1/3左右。运行中电机的冲击耐压只有（2.12~2.5）U_e（U_e为电机额定电压）。
　　 （3） 发电机用MOA标称电流为5 kA，电动机为2.5 kA。运行经验表明，带串联间隙和并联电阻的“四星”接法的MOA事故率较高。研究表明，通过适当加大电阻片直径,减小电流密度，降低保护大、中型电机用避雷器的残压，使之达到绝缘配合的要求是合理的、可行的，可取得较好的技术、经济和安全运行效果。

表3 保护发电机、电动机的避雷器的额定电压建议值 额定电压/kV 3.15 6.3 10.5 13.8 15.75 18 20 22 24 26 避雷器额定电压/kV 4 8 13.2 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5
5 结论

　　 （1） 系统的接地方式及产生的工频过电压是选择避雷器额定电压的主要依据。
　　 （2） 避雷器的保护特性和运行稳定性是互相制约的。应结合被保护物的绝缘特性、绝缘水平和运行环境条件合理地选择避雷器的参数，避免偏颇。
　　 （3） 变电站热备用断路器或多雷区断路器外侧装线路终端避雷器可有效地提高变电站的运行可靠性。
　　 （4） 保护大、中型旋转电机用的避雷器残压水平是选择该型避雷器的着重点，从电机和避雷器安全运行的角度出发，采用较大直径的电阻片降低旋转电机用避雷器的残压是合理的、有效的途径。