特高壓避雷器工頻電壓耐受時(shí)間特性研究

呂雪斌，張搏宇，賀子鳴，張翠霞，殷 禹，時(shí)衛(wèi)東

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

特高壓避雷器工頻電壓耐受時(shí)間特性研究

呂雪斌，張搏宇，賀子鳴，張翠霞，殷 禹，時(shí)衛(wèi)東

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

工頻電壓耐受時(shí)間特性是避雷器最重要的技術(shù)參數(shù)之一，關(guān)系著避雷器的額定電壓等基本參數(shù)的選擇及避雷器長(zhǎng)期安全可靠性。結(jié)合現(xiàn)有試驗(yàn)條件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，研究了特高壓避雷器用電阻片工頻電壓極限耐受時(shí)間特性試驗(yàn)方法，并選取4種電阻片開展了試驗(yàn)研究。提出若某一特高壓工程的工頻暫時(shí)過電壓低于線路側(cè)1.4 pu或母線側(cè)1.3 pu時(shí)，從工頻電壓耐受的角度考慮，可適當(dāng)進(jìn)一步降低特高壓避雷器的額定電壓至780 kV。推薦特高壓變電站高抗中性點(diǎn)避雷器采用4柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)；不建議采用單柱結(jié)構(gòu)。

特高壓；避雷器；電阻片；工頻電壓耐受時(shí)間特性；溫度；能量

0 引言

避雷器是電力系統(tǒng)中最主要的過電壓保護(hù)設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的絕緣水平和工程造價(jià)有重要影響[1]。伴隨著特高壓輸電工程的發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究人員從調(diào)研國(guó)外研究水平[2-4]開始，依托工程需要和國(guó)內(nèi)研究能力，從特高壓避雷器的基本參數(shù)[5-8]、絕緣配合[9-12]、試驗(yàn)方法[13-14]、電壓分布性能[15-17]、抗震性能[18-19]、監(jiān)測(cè)器性能[20-21]、帶電考核[22]、研發(fā)經(jīng)驗(yàn)[23-25]等幾個(gè)方面開展了大量的研究。

工頻電壓耐受時(shí)間特性是避雷器最重要的技術(shù)參數(shù)之一，關(guān)系著避雷器的額定電壓等基本參數(shù)的選擇及避雷器的安全可靠性。但受設(shè)備能力和認(rèn)識(shí)水平的影響，需要進(jìn)一步開展特高壓避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)研究。

筆者選取國(guó)內(nèi)不同制造廠生產(chǎn)的特高壓避雷器用電阻片，開展了不同過電壓水平下電阻片的工頻電壓耐受極限時(shí)間特性試驗(yàn)研究，證實(shí)了交流特高壓避雷器額定電壓選取828 kV的可靠性，并討論了進(jìn)一步降低特高壓避雷器額定電壓的可行性。同時(shí)開展了注入不同能量、不同起始溫度條件下電阻片的極限耐受時(shí)間試驗(yàn)研究，結(jié)合已有過電壓計(jì)算結(jié)果，推薦了特高壓變電站高抗中性點(diǎn)避雷器結(jié)構(gòu)。

1 避雷器工頻電壓極限耐受時(shí)間試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

目前國(guó)內(nèi)外涉及到金屬氧化物避雷器用電阻片工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)主要有IEC 60099-4:2014和GB 11032—2010（以下分別簡(jiǎn)稱IEC法和GB法）。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的程序都主要包括試品選擇、起始溫度、注入能量、施加工頻（過）電壓和施加持續(xù)運(yùn)行電壓等幾個(gè)方面：兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了應(yīng)在不同的過電壓水平下進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)工況下可以僅取一個(gè)試品進(jìn)行；都要求試驗(yàn)起始溫度應(yīng)為60℃，在注入能量后盡可能短的時(shí)間內(nèi)（≤100 ms）施加規(guī)定時(shí)間的工頻（過）電壓，然后施加持續(xù)運(yùn)行電壓30 min。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別是：GB法僅進(jìn)行預(yù)注入能量條件下的相關(guān)試驗(yàn)，而IEC法還提出應(yīng)在預(yù)注入和不預(yù)注入能量條件下分別進(jìn)行試驗(yàn)；GB法要求按兩次方波沖擊電流預(yù)注入能量，而IEC法對(duì)預(yù)注入能量的次數(shù)和沖擊電流波形都沒有強(qiáng)制要求。

IEC法和GB法都適用于證實(shí)電阻片具有宣稱的工頻電壓耐受能力，本文主要研究電阻片的極限耐受能力，因此在IEC法和GB法的基礎(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)研究程序進(jìn)行了改進(jìn)：為了降低試品分散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，每個(gè)工況下增加試品數(shù)量到5個(gè)電阻片；考慮到電阻片極少在持續(xù)運(yùn)行電壓下破壞的實(shí)際情況，試驗(yàn)中僅施加設(shè)定的工頻（過）電壓直至試品破壞；同時(shí)還開展了常溫和不預(yù)注入能量時(shí)電阻片的工頻電壓極限耐受能力。

圖1給出了IEC法和GB法及本文的試驗(yàn)研究流程圖。

圖1 IEC法和GB法及本文的試驗(yàn)流程圖Fig.1 The flow chart of IEC，GB and this paper

1.2 試驗(yàn)試品

筆者選取國(guó)內(nèi)4個(gè)制造廠生產(chǎn)的特高壓避雷器用電阻片，開展了不同過電壓水平下電阻片的極限耐受時(shí)間能力試驗(yàn)研究，表1給出了4種電阻片的基本參數(shù)。

在工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)中，試品的性能在很大程度上取決于試品散熱能力，即泄放能量后冷卻下來的能力。工頻電壓耐受時(shí)間特性試驗(yàn)在比例單元上進(jìn)行，為了能夠代表實(shí)際的產(chǎn)品情況，試品應(yīng)具有等價(jià)或嚴(yán)格于整只MOA的電、熱特性，即試驗(yàn)的前提是保證比例單元與MOA之間具有電、熱等價(jià)性。

[26]研究制作了試驗(yàn)用比例單元，其中電阻片與金屬墊塊、固定用環(huán)氧棒、上下環(huán)氧板等零部件組裝成比例單元芯體；比例單元芯體裝配于環(huán)氧筒內(nèi)部，并在周圍塞滿隔熱巖棉，盡可能降低比例單元的散熱速度。

試驗(yàn)過程中，施加的沖擊和工頻電流在電阻片上產(chǎn)生的熱量要遠(yuǎn)大于金屬墊塊上產(chǎn)生的熱量。表2給出了各比例單元電阻片、金屬材料重量及連續(xù)注入沖擊能量時(shí)電阻片溫升情況。

表1 試驗(yàn)用電阻片主要參數(shù)Table 1 Main parameters of resistors for test

表2 比例單元組成及溫升情況Table 2 Composition and temperature rising of sections

表2中理論溫升ΔT按絕熱過程考慮，并按式（1）計(jì)算：

式中:ΔT表示理論溫升，K；Q表示注入能量，kJ；C1～C3表示各種材料的比熱容，J/（kg·℃）；m1～m3表示對(duì)應(yīng)材料的質(zhì)量，kg。

工程上常用散熱時(shí)間常數(shù)τ來衡量物體的散熱能力。無其他熱源時(shí)，物體降溫的溫度時(shí)間關(guān)系基本滿足指數(shù)函數(shù)：

式中:T（t）為時(shí)刻t的溫度，T0為任意的起始溫度，本文中按T0=60℃，Tα為環(huán)境溫度，τ為散熱時(shí)間常數(shù)。

本試驗(yàn)用比例單元并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)某一避雷器；但是實(shí)際測(cè)量比例單元的散熱特性對(duì)于后續(xù)研究和比較有實(shí)際意義。圖2給出了實(shí)測(cè)的試驗(yàn)用比例單元E的散熱曲線，表2給出了試驗(yàn)用4種比例單元的散熱時(shí)間常數(shù)。特高壓避雷器的散熱時(shí)間常數(shù)一般在4 h左右，本試驗(yàn)用比例單元的散熱能力與實(shí)際特高壓避雷器比較接近。

圖2 比例單元E散熱曲線Fig.2 The cooling curves of section E

1.3 試驗(yàn)電源

受試驗(yàn)條件限制，試驗(yàn)研究時(shí)選用了2個(gè)不同的試驗(yàn)電源，其主要參數(shù)分別為1 000 kVA/10 kV和2 500 kVA/6.3 kV。1.00Ur～1.10Ur對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)采用1 000 kVA/10 kV試驗(yàn)電源；1.15Ur～1.20Ur對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)采用2 500 kVA/6.3 kV試驗(yàn)電源。

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

筆者選取E、S、W、N 4種比例單元在初始溫度60℃，注入能量不小于15 kJ/kV且2 ms方波沖擊電流不小于2 kA條件下在1.00Ur～1.20Ur不同過電壓水平下進(jìn)行了電阻片的工頻電壓極限耐受時(shí)間試驗(yàn)，圖3給出了4種電阻片工頻電壓VS極限耐受時(shí)間曲線圖，圖4還給出了4種電阻片施加工頻電壓與電阻片破壞前吸收的工頻能量關(guān)系曲線圖。

圖3 全部試品工頻電壓VS耐受時(shí)間曲線Fig.3 Power-frequencyvoltageVStimecurvesofallthesamples

圖4 全部試品工頻電壓VS耐受工頻能量曲線Fig.4 Power-frequency voltage VS energy curves of all the samples

筆者還對(duì)比例單元N在初始溫度22℃，不預(yù)注入能量、1.20Ur過電壓水平下進(jìn)行了電阻片的工頻電壓耐受時(shí)間極限試驗(yàn)。表3給出了相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，圖5給出了相關(guān)試驗(yàn)波形圖。

表3 試品N在不預(yù)注入沖擊能量條件下試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results without prior duty of sample N

圖5 電阻片N工頻電壓VS極限耐受典型試驗(yàn)波形圖Fig.5 Power-frequency voltage withstand time test of sample N

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 不同條件下電阻片能量耐受能力比較

按照GB11032—2010規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)試品N電阻片進(jìn)行了方波沖擊電流耐受試驗(yàn)，試驗(yàn)選用3只試品，每只試品進(jìn)行6輪×3次2 ms方波沖擊電流耐受試驗(yàn)；每次之間時(shí)間間隔不大于1 min，即認(rèn)為兩次之間試品處于絕熱狀態(tài)；每輪之間試品冷卻到環(huán)境溫度；每次沖擊電流視在峰值不小于2 500 A。表4給出了相關(guān)試驗(yàn)每輪3次沖擊時(shí)電阻片吸收的能量之和。

試品N在1.20倍Ur工頻電壓下破壞時(shí)吸收能量的平均值約40 kJ；而在方波沖擊電流下進(jìn)行的試驗(yàn)表明，試品N能夠可靠耐受的單次沖擊能量不小于40 kJ，連續(xù)3次沖擊能量之和不小于120 kJ，即在方波沖擊電流下能夠耐受的能量要遠(yuǎn)大于1.20倍Ur工頻電壓下能夠耐受的能量。

因此，在進(jìn)行串聯(lián)補(bǔ)償裝置用限壓器等避雷器的能量耐受能力試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)盡可能模擬實(shí)際波形。不能簡(jiǎn)單用方波沖擊電流下的能量耐受能力代替工頻電壓下的能量耐受能力。

2.2 特高壓避雷器額定電壓的選取

避雷器的額定電壓通常取等于或大于安裝處的最大工頻暫時(shí)過電壓，如330 kV、500 kV和750 kV變電站線路側(cè)避雷器的額定電壓約為按1.4 pu，母線側(cè)約為1.3 pu。

交流特高壓工程工頻過電壓控制原則與330～750 kV相同，即線路斷路器的母線側(cè)不超過1.3 pu，線路斷路器的線路側(cè)不超過1.4 pu，為進(jìn)一步降低系統(tǒng)過電壓水平，采用斷路器聯(lián)動(dòng)方式，使線路側(cè)工頻暫時(shí)過電壓的持續(xù)時(shí)間縮短到一般不大于0.2 s，最長(zhǎng)不大于0.5 s（考慮了斷路器拒動(dòng)而后備保護(hù)跳閘的情況）。

筆者進(jìn)行的特高壓避雷器的工頻耐受時(shí)間特性表明，國(guó)產(chǎn)典型特高壓避雷器用電阻片在1.05Ur下基本可耐受7.3 s，在1.10Ur下基本可耐受1.1 s（出現(xiàn)一次在0.3 s下熱崩潰的情況，認(rèn)為是異常數(shù)據(jù)）。若線路側(cè)避雷器額定電壓選用與母線側(cè)均取828 kV（1.3 pu），不考慮后續(xù)持續(xù)運(yùn)行電壓的影響，在1.4 pu工頻電壓889 kV（相當(dāng)于1.074Ur）下可耐受時(shí)間大于1.1 s。即使不認(rèn)為在0.3 s下熱崩潰是異?，F(xiàn)象，從圖5的曲線也能看出，電阻片在889 kV下能夠耐受的時(shí)間也不小于1 s，大于0.5 s的實(shí)際工況要求。4個(gè)制造廠對(duì)應(yīng)的型式試驗(yàn)報(bào)告也表明，其電阻片在1.10Ur下耐受時(shí)間不小于1 s。因此，從工頻電壓耐受時(shí)間特性的角度考慮，在1 000 kV特高壓線路側(cè)避雷器的額定電壓和母線側(cè)避雷器的額定電壓可取相同值828 kV。

近年來有學(xué)者研究提出將特高壓避雷器的額定電壓進(jìn)一步降低到804 kV或780 kV，筆者根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，從工頻電壓耐受時(shí)間特性的角度分析了降低特高壓避雷器額定電壓的安全性。表5列出了1.4 pu工頻電壓（889 kV）與不同額定電壓避雷器的倍數(shù)關(guān)系及電阻片可能的極限耐受時(shí)間，其中耐受時(shí)間為圖3中0.3 s時(shí)的正常數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)。如果額定電壓降低到804 kV，避雷器在工頻電壓889 kV下能夠耐受0.3～1.0 s，與系統(tǒng)要求的時(shí)間0.5 s相比，不能滿足要求或安全系數(shù)不大；如果額定電壓降低到780 kV，避雷器在1.4 pu工頻電壓889 kV下能夠耐受0.20 s左右，不能滿足系統(tǒng)要求的時(shí)間0.5 s。

表5 不同額定電壓避雷器在1.4 pu下能夠耐受的時(shí)間Table 5 Voltage-withstand-time characteristic under 889 kV for UHV arrester with different rated voltage

另一方面，系統(tǒng)的工頻暫時(shí)過電壓會(huì)因工程而異，若某一工程的工頻暫時(shí)過電壓低于1.4 pu，可考慮適當(dāng)降低避雷器的額定電壓。對(duì)于線路較短的特高壓工程，如皖電東送蘇州到上海站、泰州特高壓換流站交流1 000 kV側(cè)等，線路工頻過電壓低于1.2 pu，從工頻電壓耐受時(shí)間特性的角度分析，進(jìn)一步降低特高壓避雷器的額定電壓是可行的。降低避雷器的額定電壓能夠降低換流站占地面積或取消斷路器合閘電阻，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，降低避雷器的額定電壓還受其他條件的限制，特別是受長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行電壓的限制。

2.3 UHV高抗中性點(diǎn)避雷器額定電壓的選取

特高壓變電站高抗中性點(diǎn)避雷器的長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)行電壓較低，其額定電壓的選取主要考慮工頻過電壓及其持續(xù)時(shí)間。本文以淮南-皖南-浙北-滬西工程為例，結(jié)合文獻(xiàn)[27]分析了高抗中性點(diǎn)避雷器額定電壓的選取。

從過電壓仿真計(jì)算的初步結(jié)果可知，淮南-皖南-浙北-滬西1 000 kV特高壓同塔雙回輸變電工程高抗中性點(diǎn)的操作過電壓拍頻幅值較高，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；為了滿足絕緣配合要求，避雷器還需要承受較高幅值的工頻過電壓。文獻(xiàn)[27]計(jì)算時(shí)，采用了如表6所示的3種不同型號(hào)和結(jié)構(gòu)的避雷器，并考慮了表7所示的4種故障工況，表8給出了過電壓計(jì)算結(jié)果。

表6 計(jì)算采用的避雷器性能參數(shù)Table 6 Main parameters of arrester for calculation

表7 典型故障工況Table 7 Typical fault conditions

表8 高抗中性點(diǎn)暫態(tài)過電壓匯總Table 8 Transient overvoltage of shunt reactor neutral point

表7所示的4種故障工況中，第3和第4種發(fā)生的概率極低，可以不做考慮。

從表8可以看出，僅考慮第1種和第2種工況的條件下，A和B兩種結(jié)構(gòu)的避雷器均出現(xiàn)了超過1.2Ur的過電壓，持續(xù)時(shí)間約為0.2 s，從避雷器的工頻電壓耐受時(shí)間特性的角度分析，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

如果選用4柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)的C避雷器，第1種和第2種兩種工況條件下過電壓分別為1.17Ur和1.13Ur，持續(xù)時(shí)間分別為0.1 s和0.2 s，從工頻電壓耐受時(shí)間特性的角度考慮，避雷器是安全的。

另外，在相同的過電壓和持續(xù)時(shí)間下，表8計(jì)算得到的避雷器吸收能量明顯小于試驗(yàn)中實(shí)測(cè)的避雷器吸收能量。這表明計(jì)算模型中采用的伏安特性曲線與實(shí)際不完全一致，不能僅僅從計(jì)算得到的避雷器能耗考核避雷器的安全性。

另外，根據(jù)表3，即使不考慮預(yù)注入能量，特高壓變電站高抗中性點(diǎn)避雷器選用A和B兩種結(jié)構(gòu)的避雷器也是不安全的。

3 結(jié)論

1）在1 000 kV特高壓工程中，從能量耐受的角度考慮，線路側(cè)避雷器的額定電壓和母線側(cè)避雷器的額定電壓取相同值828 kV是安全的。

2）系統(tǒng)的工頻暫時(shí)過電壓會(huì)因工程而異，若某一特高壓工程的工頻暫時(shí)過電壓低于線路側(cè)1.4 pu或母線側(cè)1.3 pu時(shí)，從工頻電壓耐受的角度考慮，可適當(dāng)進(jìn)一步降低特高壓避雷器的額定電壓。

3）從工頻電壓耐受的角度考慮，依據(jù)現(xiàn)有仿真計(jì)算結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)和試驗(yàn)條件，推薦特高壓變電站高抗中性點(diǎn)避雷器采用4柱并聯(lián)結(jié)構(gòu)；不建議采用單柱結(jié)構(gòu)。

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Research on Power-Frequency Voltage Withstand Time Characteristic of UHV MOA

Lü Xuebin，ZHANG Boyu，HE Ziming，ZHANG Cuixia，YIN Yu，SHI Weidong
（China Electric Power Research Institute，Beijing 100192）

Power-frequency voltage withstand time characteristics is one of the most important tech?nical parameters of metal-oxide arrester，which related to the selection of basic parameters，such as the rated voltage of the MOA，and the long-term safety and reliability of the MOA.According to the standard requirements and the actual conditions of test equipments，the test method of power-frequency voltage withstand time characteristics is studied and the experimental study on four kinds of varistors is carried out.It may be appropriate to further reduce the rated voltage of UHV arrester to 780 kV if the power fre?quency over voltage is lower than 1.4 pu or 1.1.3 pu on the busbar side.It is recommended that neutral point arrester of UHV substation should contain four parallel varistor，but not a single column structure.

UHV；MOA；varistor；power-frequency voltage withstand time characteristics；temper?ature；energy

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.009

2016-11-09

呂雪斌（1973—），工程師，長(zhǎng)期從事避雷器相關(guān)科研和質(zhì)量檢測(cè)工作。

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（編號(hào)：XTB17201600058）。