關(guān)于氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合研究

裘鴿豐 上海鐵路局杭州供電段

隨著鐵路的快速發(fā)展，對鐵路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求越來越高。但是鐵路10 kV 貫通（自閉）線路供電臂長、線路通過徑路地形復(fù)雜，有山地、平原和丘陵，區(qū)域廣，線路走向處在多雷區(qū)范圍，雷擊使電力設(shè)備事故頻發(fā)，而為運(yùn)輸生產(chǎn)服務(wù)安裝的TMIS、紅外線、中繼站等小容量供電變壓器和開關(guān)設(shè)備時(shí)常被雷擊損壞，影響鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全。以往的防雷措施多是在桿上變壓器、高壓開關(guān)高壓側(cè)和架空電線路上安裝氧化鋅避雷器，實(shí)施避雷功能，所選型號是YH5WS5-17/50，隨著氣候變化，在運(yùn)行過程中線路遭雷擊跳閘和損壞電力設(shè)備的情況時(shí)有發(fā)生，出現(xiàn)了現(xiàn)有選型的避雷器對電力設(shè)備避雷效果不佳情況。2008 年7 月23 日溪西配電所貫通3＃桿貫通變被雷擊冒煙，千向貫通速斷動(dòng)作。7 月23 日諸暨東貫通中繼變無電，檢查發(fā)現(xiàn)諸暨東貫通中繼變被雷擊壞。發(fā)生事故后經(jīng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)氧化鋅避雷器沒有對變壓器起到保護(hù)作用。

1 故障原因分析

針對發(fā)生的故障，我們進(jìn)行了分析，考慮到可能出現(xiàn)的以下幾種情況：

(1)避雷器本身是否有質(zhì)量問題。

(2)在避雷器損壞區(qū)段的落雷強(qiáng)度和避雷器的耐雷水平問題。

(3)在貫通、自閉線路上避雷器實(shí)際保護(hù)的是單相干式變壓器，其變壓器的絕緣水平與避雷器的保護(hù)匹配問題。

原先選用的YH5WS5-17/50 氧化鋅避雷器是常用的配電型避雷器，生產(chǎn)廠家在出廠前按規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了各項(xiàng)電氣性能試驗(yàn)，段采購入庫安裝之前又按預(yù)防性試驗(yàn)要求進(jìn)行了預(yù)防性試驗(yàn)，因此安裝在貫通、自閉線路上的氧化鋅避雷器其質(zhì)量符合國家產(chǎn)品規(guī)格質(zhì)量要求，避雷器本身沒有質(zhì)量問題。

我們再考慮是不是在避雷器損壞區(qū)段的落雷強(qiáng)度過大和避雷器的耐雷水平較低的緣故，但分析發(fā)現(xiàn)在運(yùn)行中小容量電力變壓器遭受雷擊損環(huán)情況嚴(yán)重，因此我們考慮到是否在避雷器選型和避雷器的保護(hù)絕緣配合上存在問題。

2 氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合原理

2.1 氧化鋅避雷器實(shí)現(xiàn)功能

雷云放電時(shí)在導(dǎo)線或電氣設(shè)備上所形成的過電壓，稱為雷電過電壓。它是由于電力系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備遭受來自大氣中的雷擊或雷電感應(yīng)而引起的過電壓。雷電過電壓產(chǎn)生的雷電沖擊波，其電壓幅值可高達(dá)1 億伏，其電流幅值可高達(dá)幾十萬安。而雷擊是不能阻止其發(fā)生的，即無源不可消雷，也不能拒雷，只能攔截導(dǎo)引改變?nèi)氪蟮芈窂?。氧化鋅避雷器是現(xiàn)代性能最佳的避雷器。避雷器具有非線性特性，正常電壓下其電阻很大，而過電壓下其電阻變得很小。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)放電器，與被保護(hù)的電氣設(shè)備并聯(lián)，當(dāng)作用于其上的電壓超過一定數(shù)值后，避雷器首先放電，限制了過電壓，保護(hù)了其它電氣設(shè)備。

2.2 氧化鋅避雷器保護(hù)原理

避雷器和變壓器的聯(lián)接如圖1 所示。

圖1 避雷器安裝示意圖

避雷器動(dòng)作前等值電路圖如圖2 所示。

圖2 避雷器動(dòng)作前等值電路圖

動(dòng)作后等值電路圖如圖3 所示。

圖3 避雷器動(dòng)作后等值電路圖

為了簡化分析過程，我們可以設(shè)輸電線路為無限長，從輸電線涌入的電壓波為U（t），而且不考慮變壓器入口電容的影響。避雷器動(dòng)作前，避雷器端口電壓即為入侵波電壓。當(dāng)入侵波電壓U（t）與避雷器放電間隙的伏秒特性相交時(shí)，避雷器開始動(dòng)作，即有電流Ib流過避雷器。根據(jù)圖3 所示的等值電路，可以列出下列方程式

此中Ib為流過避雷器的電流，而z1為線路的波阻抗。從而解得

由于避雷器具有非線性特性，所以正常電壓下其電阻很大，而過電壓下其電阻變得很小。避雷器就接在變壓器旁邊，所以避雷器在泄放雷電流時(shí)有一定殘壓加在變壓器上，由此，變壓器絕緣的沖擊耐壓強(qiáng)度大于避雷器的殘壓值，則變壓器的絕緣將得到可靠的保護(hù)。

2.3 氧化鋅避雷器與變壓器的絕緣配合分析

根據(jù)GB 311.1-1997《高壓輸變電設(shè)備的絕緣配合》規(guī)定：對受避雷器保護(hù)的設(shè)備，其額定雷電沖擊耐受電壓由避雷器的雷電沖擊保護(hù)水平乘以配合因數(shù)KC 計(jì)算選定。對氧化鋅避雷器的雷電沖擊保護(hù)水平是下列兩項(xiàng)的較高者：

(1)8/20 us 沖擊電流下的最大殘壓值。

(2)陡波（波前時(shí)間0.9～1.1 us）沖擊電流下的最大殘壓值除以1.1。

在國家標(biāo)準(zhǔn)GB311.1-1997《高壓輸配電設(shè)備的絕緣配合》中對于變壓器的絕緣水平規(guī)定為“:6 kV 變壓器的短時(shí)(1 min)工頻耐受電壓(有效值)為25 kV，雷電沖擊耐受電壓(峰值) 為60 kV;10 kV變壓器的短時(shí)(1 min)工頻耐受電壓(有效值)為35 kV，雷電沖擊耐受電壓(峰值)為75 kV”。

根據(jù)我國情況，避雷器的絕緣配合因數(shù)值Kc，對于雷電沖擊：一般取Kc≥1.4;對于操作沖擊：一般取Kc≥1.15。

發(fā)生變壓器雷擊故障前，我段所選用的避雷器是YH5WS5-17/50，YH5WS5-17/50 參數(shù)如表1。

表1 避雷器參數(shù)表

則8/20 us 雷電殘壓最大值為50 kV，陡波最大殘壓值為57.5 kV，經(jīng)計(jì)算：10 kV 變壓器用YH5WS5-17/50（L）避雷器的絕緣配合因數(shù)值:

Kc=被保護(hù)設(shè)備的額定雷電沖擊耐受電壓÷避雷器的雷電沖擊保護(hù)水平=

如果僅從純粹的計(jì)算來看，YH5WS5-17/50 金屬氧化物避雷器的參數(shù)完全可以滿足變壓器過電壓保護(hù)的需要。但間隔系數(shù)Kc 不是裕度系數(shù)，不是安全系數(shù)，是彌補(bǔ)在估算過電壓設(shè)計(jì)確定和設(shè)定絕緣耐受電壓值與實(shí)際的誤差。也就是說，設(shè)計(jì)確定的過電壓值和絕緣耐受電壓值不完全是電網(wǎng)運(yùn)行中實(shí)際的“真值”。若是電網(wǎng)運(yùn)行中的“真值”，電網(wǎng)運(yùn)行是不會(huì)發(fā)生絕緣故障的。

隨著變壓器的運(yùn)行時(shí)間變長，變壓器的絕緣會(huì)下降，而8/20 us 雷電殘壓是避雷器流過5 kA 雷電流時(shí)的殘壓，在雷電流超過5 kA 時(shí)，避雷器殘壓會(huì)升高，容易造成避雷器與變壓器間的絕緣配合不良，出現(xiàn)避雷器保護(hù)動(dòng)作，釋放了雷電壓，但使用中的變壓器還是被雷擊損壞故障。桿上變壓器是單相干式變壓器，其容量較小（使用的道口變、紅外線軸溫探測、TMIS 系統(tǒng)、無線中繼站等等供電的變壓器容量大部分在5 kVA 以內(nèi)），耐熱等級是E 級（120 ℃），耐雷水平較低，在經(jīng)常遭受過電壓沖擊下絕緣會(huì)下降。在無法提高變壓器絕緣水平的情況下，考慮降低避雷器的殘壓。避雷器是一種特殊電氣設(shè)備，首先它必須具有一定的電氣絕緣性能，保證它在電力系統(tǒng)正常狀態(tài)下能承受相電壓和暫時(shí)過電壓，且能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，不致出現(xiàn)擊穿故障。從這個(gè)角度看，避雷器電壓等級應(yīng)該是越高越好，但在發(fā)生大氣過電壓或操作過電壓時(shí)，避雷器又必須可靠動(dòng)作，而且殘壓應(yīng)不超過被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平。從這個(gè)角度看，避雷器電壓等級應(yīng)該是越低越好，因?yàn)殡妷旱燃壴降蜌垑壕驮降停芾灼鞯谋Ｗo(hù)裕度就好。所以，綜合來看，選擇避雷器的原則應(yīng)該是：在滿足避雷器正常運(yùn)行的相電壓和暫態(tài)過電壓絕緣需要的前提下，盡可能選擇放電殘壓較小的產(chǎn)品。

不同型號的氧化鋅避雷器在系統(tǒng)電壓相同的情況下，避雷器的額定電壓、持續(xù)運(yùn)行電壓相同，但1/5 us 陡波殘壓、8/20us 雷電殘壓不同。經(jīng)以上分析YH5WS5-17/50（L）氧化鋅避雷器與小容量的變壓器的絕緣配合不匹配，需根據(jù)設(shè)備等級要求的絕緣水平來匹配相應(yīng)的氧化鋅避雷器。因此根據(jù)我段發(fā)生的多次小容量變壓器雷擊故障選擇殘壓比YH5WS5-17/50（L）小的YH5WS5-17/45（L）氧化鋅避雷器。

3 結(jié)束語

從2008 年選擇采用YH5WS5-17/45（L）氧化鋅避雷器后,在安裝的路段沒有發(fā)生線路跳閘以及避雷器擊損事故。YH5WS5-17/45 氧化鋅避雷器能對電力設(shè)備起可靠保護(hù)作用，降低設(shè)備故障率，保證供電可靠。減少設(shè)備的替換與維修，提高自閉貫通信號供電可靠性，從而節(jié)約大量的財(cái)力和人力資源。