避雷器作為操作過電壓保護(hù)裝置的應(yīng)用

趙曉東

（天津市特變電工變壓器有限公司，天津300308）

真空斷路器是風(fēng)電系統(tǒng)中常用的斷路器，由于系統(tǒng)的配置和切換操作的類型，在不利條件下可能會(huì)出現(xiàn)高瞬態(tài)過電壓，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)電變壓器使用避雷器限制斷路器感應(yīng)的瞬態(tài)過電壓時(shí)性能實(shí)際上比預(yù)期的要好。

1 與真空斷路器和感性負(fù)載有關(guān)的現(xiàn)象

斷電過程中的電流斷路會(huì)引起過電壓，并引發(fā)多次重新點(diǎn)火，引起電壓升高。在研究測試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多次重新點(diǎn)火引起虛電流截?cái)鄷r(shí)，會(huì)記錄到最高電壓。

1.1 電流截?cái)?/h3>

所有的斷路器在自然電流過零點(diǎn)之前都會(huì)在一定程度上中斷電流，其幅度稱為“電流切斷電平”。當(dāng)電流被切斷時(shí)，磁能將被困在斷路器負(fù)載側(cè)的電感中。這將導(dǎo)致電感和斷路器負(fù)載側(cè)的電容之間的電流循環(huán)，導(dǎo)致一個(gè)瞬態(tài)過電壓，其振幅和振蕩頻率可以通過平衡磁儲(chǔ)存能量和電儲(chǔ)存在斷路器負(fù)載側(cè)的能量來估計(jì)。

當(dāng)電流達(dá)到3A 以下時(shí)，通過第一極的電流被截?cái)?，此時(shí)繞組內(nèi)的陷波電流也為3A，并隨電容開始振蕩。根據(jù)式（1）給出了電流斬波過電壓的簡單算式此相的相地電壓達(dá)到50kv 以上。

1.2 虛電流斬波

虛電流斬波是一種由于負(fù)載側(cè)電感中有較高的截留電流而導(dǎo)致過電壓過高的現(xiàn)象。雖然上文所述的電流斬波不會(huì)引起過高的過電壓，但很可能會(huì)導(dǎo)致斷路器重新點(diǎn)火，當(dāng)電流斬波的過電壓達(dá)到50kV 時(shí)，模擬一個(gè)相位的重新點(diǎn)火將產(chǎn)生一個(gè)高頻電流通過斷路器極點(diǎn)和通過負(fù)載電容到地。高頻電流通過另外兩相的斷路器極點(diǎn)的負(fù)載側(cè)電容找到兩條回路，從而導(dǎo)致通過斷路器極點(diǎn)的電流過零和電流中斷。此時(shí)變壓器繞組中的捕獲電流等于通過斷路器的“斬波”電流，其結(jié)果是，在變壓器繞組中可以捕捉到負(fù)載電流的峰值電流，從而產(chǎn)生幅度顯著提高的過電壓。

采用與上例相同的參數(shù)，但以“虛電流斬波”對(duì)應(yīng)的電流幅值，過電壓由54kV 變?yōu)?50kV，見式2 與式1 比較。

2 避雷器作為保護(hù)裝置

當(dāng)通過斷路器的電流被切斷時(shí)，在斷路器斷開時(shí)斷路器不再導(dǎo)通。由于繞組中儲(chǔ)存的能量，變壓器端子可能會(huì)發(fā)生過電壓，電流的回路本來是通過斷路器負(fù)載側(cè)的電容，安裝避雷器將為變壓器繞組中的被困電流提供一個(gè)回流路徑，使電流即使在斷路器開路的情況下也能繼續(xù)流過繞組。在這種情況下避雷器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不僅為電流提供了一個(gè)返回路徑，而且還能非常有效地吸收磁能。在這種情況下當(dāng)電流斬波或虛電流斬波發(fā)生時(shí)，通過避雷器的峰值電流與變壓器繞組中的捕獲電流相似，其殘壓僅為保護(hù)電平的70%左右。

3 避雷器應(yīng)用結(jié)果

3.1 沒有保護(hù)裝置的感應(yīng)負(fù)載斷開

首先在沒有安裝任何避雷器的情況下對(duì)感應(yīng)負(fù)載進(jìn)行斷開，以測試在不利條件下可能發(fā)生的瞬態(tài)過電壓。變壓器端子測得的相地電壓隨著再點(diǎn)火次數(shù)增多幅值增大，最大對(duì)地電壓達(dá)到99kV。繞組之間的電壓達(dá)到的最大值為168kV，高于變壓器的基本絕緣水平125kV。

3.2 安裝相對(duì)地避雷器斷開感應(yīng)負(fù)載

為了研究避雷器作為保護(hù)裝置的影響，首先將避雷器在變壓器端子處與相和地連接。測量到的相地電壓，通過避雷器到達(dá)地面的電流，電流振幅很低從大約10A 開始，相應(yīng)地電壓限制在45kV 左右，即明顯低于避雷器的保護(hù)水平。繞組兩端的電壓被限制在90kV 左右，疊加一些高頻的瞬態(tài)電壓后能達(dá)到95kV，該電壓對(duì)應(yīng)于兩個(gè)避雷器之間的電壓串聯(lián)即≈2*45kV，繞組兩端的電壓由兩個(gè)串聯(lián)的避雷器有效地限制。

4 結(jié)論

在安裝了避雷器的情況下，過電壓幅值都限制在變壓器的基本絕緣水平以下，在沒有避雷器保護(hù)的情況下，當(dāng)斷開附近的真空開關(guān)在變壓器繞組上觀察到過電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過變壓器的基本絕緣水平，因此電涌避雷器是限制瞬態(tài)過電壓幅值的一種有效的保護(hù)裝置，安裝電涌避雷器后電壓將被限制在一個(gè)明確的水平。

當(dāng)斷路器斷開時(shí)，避雷器為繞組中儲(chǔ)存的磁能量提供一個(gè)可選的回流電流路徑，在這種情況下電壓將限制在一個(gè)明顯較低的振幅，只有大約70%的保護(hù)水平。當(dāng)避雷器限制了斷路器負(fù)載側(cè)的過電壓時(shí)，斷路器上的電壓即恢復(fù)電壓也會(huì)受到限制，其結(jié)果是重新點(diǎn)火將停止。實(shí)際測試中避雷器能夠?qū)㈦妷合拗圃谝粋€(gè)較低的值。