特高压避雷器工频电压耐受时间特性研究

吕雪斌，张搏宇，贺子鸣，张翠霞，殷 禹，时卫东

（中国电力科学研究院，北京100192）

特高压避雷器工频电压耐受时间特性研究

吕雪斌，张搏宇，贺子鸣，张翠霞，殷 禹，时卫东

（中国电力科学研究院，北京100192）

工频电压耐受时间特性是避雷器最重要的技术参数之一，关系着避雷器的额定电压等基本参数的选择及避雷器长期安全可靠性。结合现有试验条件和标准规定，研究了特高压避雷器用电阻片工频电压极限耐受时间特性试验方法，并选取4种电阻片开展了试验研究。提出若某一特高压工程的工频暂时过电压低于线路侧1.4 pu或母线侧1.3 pu时，从工频电压耐受的角度考虑，可适当进一步降低特高压避雷器的额定电压至780 kV。推荐特高压变电站高抗中性点避雷器采用4柱并联结构；不建议采用单柱结构。

特高压；避雷器；电阻片；工频电压耐受时间特性；温度；能量

0 引言

避雷器是电力系统中最主要的过电压保护设备，对系统的绝缘水平和工程造价有重要影响[1]。伴随着特高压输电工程的发展，国内相关研究人员从调研国外研究水平[2-4]开始，依托工程需要和国内研究能力，从特高压避雷器的基本参数[5-8]、绝缘配合[9-12]、试验方法[13-14]、电压分布性能[15-17]、抗震性能[18-19]、监测器性能[20-21]、带电考核[22]、研发经验[23-25]等几个方面开展了大量的研究。

工频电压耐受时间特性是避雷器最重要的技术参数之一，关系着避雷器的额定电压等基本参数的选择及避雷器的安全可靠性。但受设备能力和认识水平的影响，需要进一步开展特高压避雷器的工频电压耐受时间特性试验研究。

笔者选取国内不同制造厂生产的特高压避雷器用电阻片，开展了不同过电压水平下电阻片的工频电压耐受极限时间特性试验研究，证实了交流特高压避雷器额定电压选取828 kV的可靠性，并讨论了进一步降低特高压避雷器额定电压的可行性。同时开展了注入不同能量、不同起始温度条件下电阻片的极限耐受时间试验研究，结合已有过电压计算结果，推荐了特高压变电站高抗中性点避雷器结构。

1 避雷器工频电压极限耐受时间试验研究

1.1 试验方法

目前国内外涉及到金属氧化物避雷器用电阻片工频电压耐受时间特性试验的国内外标准主要有IEC 60099-4:2014和GB 11032—2010（以下分别简称IEC法和GB法）。两个标准规定的程序都主要包括试品选择、起始温度、注入能量、施加工频（过）电压和施加持续运行电压等几个方面：两个标准都规定了应在不同的过电压水平下进行试验，每个工况下可以仅取一个试品进行；都要求试验起始温度应为60℃，在注入能量后尽可能短的时间内（≤100 ms）施加规定时间的工频（过）电压，然后施加持续运行电压30 min。两个标准的区别是：GB法仅进行预注入能量条件下的相关试验，而IEC法还提出应在预注入和不预注入能量条件下分别进行试验；GB法要求按两次方波冲击电流预注入能量，而IEC法对预注入能量的次数和冲击电流波形都没有强制要求。

IEC法和GB法都适用于证实电阻片具有宣称的工频电压耐受能力，本文主要研究电阻片的极限耐受能力，因此在IEC法和GB法的基础上对试验研究程序进行了改进：为了降低试品分散性对试验结果的影响，每个工况下增加试品数量到5个电阻片；考虑到电阻片极少在持续运行电压下破坏的实际情况，试验中仅施加设定的工频（过）电压直至试品破坏；同时还开展了常温和不预注入能量时电阻片的工频电压极限耐受能力。

图1给出了IEC法和GB法及本文的试验研究流程图。

图1 IEC法和GB法及本文的试验流程图Fig.1 The flow chart of IEC，GB and this paper

1.2 试验试品

笔者选取国内4个制造厂生产的特高压避雷器用电阻片，开展了不同过电压水平下电阻片的极限耐受时间能力试验研究，表1给出了4种电阻片的基本参数。

在工频电压耐受时间特性试验中，试品的性能在很大程度上取决于试品散热能力，即泄放能量后冷却下来的能力。工频电压耐受时间特性试验在比例单元上进行，为了能够代表实际的产品情况，试品应具有等价或严格于整只MOA的电、热特性，即试验的前提是保证比例单元与MOA之间具有电、热等价性。

[26]研究制作了试验用比例单元，其中电阻片与金属垫块、固定用环氧棒、上下环氧板等零部件组装成比例单元芯体；比例单元芯体装配于环氧筒内部，并在周围塞满隔热岩棉，尽可能降低比例单元的散热速度。

试验过程中，施加的冲击和工频电流在电阻片上产生的热量要远大于金属垫块上产生的热量。表2给出了各比例单元电阻片、金属材料重量及连续注入冲击能量时电阻片温升情况。

表1 试验用电阻片主要参数Table 1 Main parameters of resistors for test

表2 比例单元组成及温升情况Table 2 Composition and temperature rising of sections

表2中理论温升ΔT按绝热过程考虑，并按式（1）计算：

式中:ΔT表示理论温升，K；Q表示注入能量，kJ；C1～C3表示各种材料的比热容，J/（kg·℃）；m1～m3表示对应材料的质量，kg。

工程上常用散热时间常数τ来衡量物体的散热能力。无其他热源时，物体降温的温度时间关系基本满足指数函数：

式中:T（t）为时刻t的温度，T0为任意的起始温度，本文中按T0=60℃，Tα为环境温度，τ为散热时间常数。

本试验用比例单元并不严格对应某一避雷器；但是实际测量比例单元的散热特性对于后续研究和比较有实际意义。图2给出了实测的试验用比例单元E的散热曲线，表2给出了试验用4种比例单元的散热时间常数。特高压避雷器的散热时间常数一般在4 h左右，本试验用比例单元的散热能力与实际特高压避雷器比较接近。

图2 比例单元E散热曲线Fig.2 The cooling curves of section E

1.3 试验电源

受试验条件限制，试验研究时选用了2个不同的试验电源，其主要参数分别为1 000 kVA/10 kV和2 500 kVA/6.3 kV。1.00Ur～1.10Ur对应的试验采用1 000 kVA/10 kV试验电源；1.15Ur～1.20Ur对应的试验采用2 500 kVA/6.3 kV试验电源。

1.4 试验结果

笔者选取E、S、W、N 4种比例单元在初始温度60℃，注入能量不小于15 kJ/kV且2 ms方波冲击电流不小于2 kA条件下在1.00Ur～1.20Ur不同过电压水平下进行了电阻片的工频电压极限耐受时间试验，图3给出了4种电阻片工频电压VS极限耐受时间曲线图，图4还给出了4种电阻片施加工频电压与电阻片破坏前吸收的工频能量关系曲线图。

图3 全部试品工频电压VS耐受时间曲线Fig.3 Power-frequencyvoltageVStimecurvesofallthesamples

图4 全部试品工频电压VS耐受工频能量曲线Fig.4 Power-frequency voltage VS energy curves of all the samples

笔者还对比例单元N在初始温度22℃，不预注入能量、1.20Ur过电压水平下进行了电阻片的工频电压耐受时间极限试验。表3给出了相关试验结果，图5给出了相关试验波形图。

表3 试品N在不预注入冲击能量条件下试验结果Table 3 Test results without prior duty of sample N

图5 电阻片N工频电压VS极限耐受典型试验波形图Fig.5 Power-frequency voltage withstand time test of sample N

2 试验结果讨论

2.1 不同条件下电阻片能量耐受能力比较

按照GB11032—2010规定的试验方法对试品N电阻片进行了方波冲击电流耐受试验，试验选用3只试品，每只试品进行6轮×3次2 ms方波冲击电流耐受试验；每次之间时间间隔不大于1 min，即认为两次之间试品处于绝热状态；每轮之间试品冷却到环境温度；每次冲击电流视在峰值不小于2 500 A。表4给出了相关试验每轮3次冲击时电阻片吸收的能量之和。

试品N在1.20倍Ur工频电压下破坏时吸收能量的平均值约40 kJ；而在方波冲击电流下进行的试验表明，试品N能够可靠耐受的单次冲击能量不小于40 kJ，连续3次冲击能量之和不小于120 kJ，即在方波冲击电流下能够耐受的能量要远大于1.20倍Ur工频电压下能够耐受的能量。

因此，在进行串联补偿装置用限压器等避雷器的能量耐受能力试验时，应尽可能模拟实际波形。不能简单用方波冲击电流下的能量耐受能力代替工频电压下的能量耐受能力。

2.2 特高压避雷器额定电压的选取

避雷器的额定电压通常取等于或大于安装处的最大工频暂时过电压，如330 kV、500 kV和750 kV变电站线路侧避雷器的额定电压约为按1.4 pu，母线侧约为1.3 pu。

交流特高压工程工频过电压控制原则与330～750 kV相同，即线路断路器的母线侧不超过1.3 pu，线路断路器的线路侧不超过1.4 pu，为进一步降低系统过电压水平，采用断路器联动方式，使线路侧工频暂时过电压的持续时间缩短到一般不大于0.2 s，最长不大于0.5 s（考虑了断路器拒动而后备保护跳闸的情况）。

笔者进行的特高压避雷器的工频耐受时间特性表明，国产典型特高压避雷器用电阻片在1.05Ur下基本可耐受7.3 s，在1.10Ur下基本可耐受1.1 s（出现一次在0.3 s下热崩溃的情况，认为是异常数据）。若线路侧避雷器额定电压选用与母线侧均取828 kV（1.3 pu），不考虑后续持续运行电压的影响，在1.4 pu工频电压889 kV（相当于1.074Ur）下可耐受时间大于1.1 s。即使不认为在0.3 s下热崩溃是异常现象，从图5的曲线也能看出，电阻片在889 kV下能够耐受的时间也不小于1 s，大于0.5 s的实际工况要求。4个制造厂对应的型式试验报告也表明，其电阻片在1.10Ur下耐受时间不小于1 s。因此，从工频电压耐受时间特性的角度考虑，在1 000 kV特高压线路侧避雷器的额定电压和母线侧避雷器的额定电压可取相同值828 kV。

近年来有学者研究提出将特高压避雷器的额定电压进一步降低到804 kV或780 kV，笔者根据试验结果，从工频电压耐受时间特性的角度分析了降低特高压避雷器额定电压的安全性。表5列出了1.4 pu工频电压（889 kV）与不同额定电压避雷器的倍数关系及电阻片可能的极限耐受时间，其中耐受时间为图3中0.3 s时的正常数据和异常数据。如果额定电压降低到804 kV，避雷器在工频电压889 kV下能够耐受0.3～1.0 s，与系统要求的时间0.5 s相比，不能满足要求或安全系数不大；如果额定电压降低到780 kV，避雷器在1.4 pu工频电压889 kV下能够耐受0.20 s左右，不能满足系统要求的时间0.5 s。

表5 不同额定电压避雷器在1.4 pu下能够耐受的时间Table 5 Voltage-withstand-time characteristic under 889 kV for UHV arrester with different rated voltage

另一方面，系统的工频暂时过电压会因工程而异，若某一工程的工频暂时过电压低于1.4 pu，可考虑适当降低避雷器的额定电压。对于线路较短的特高压工程，如皖电东送苏州到上海站、泰州特高压换流站交流1 000 kV侧等，线路工频过电压低于1.2 pu，从工频电压耐受时间特性的角度分析，进一步降低特高压避雷器的额定电压是可行的。降低避雷器的额定电压能够降低换流站占地面积或取消断路器合闸电阻，具有巨大的经济效益。当然，降低避雷器的额定电压还受其他条件的限制，特别是受长期持续运行电压的限制。

2.3 UHV高抗中性点避雷器额定电压的选取

特高压变电站高抗中性点避雷器的长期持续运行电压较低，其额定电压的选取主要考虑工频过电压及其持续时间。本文以淮南-皖南-浙北-沪西工程为例，结合文献[27]分析了高抗中性点避雷器额定电压的选取。

从过电压仿真计算的初步结果可知，淮南-皖南-浙北-沪西1 000 kV特高压同塔双回输变电工程高抗中性点的操作过电压拍频幅值较高，且持续时间较长；为了满足绝缘配合要求，避雷器还需要承受较高幅值的工频过电压。文献[27]计算时，采用了如表6所示的3种不同型号和结构的避雷器，并考虑了表7所示的4种故障工况，表8给出了过电压计算结果。

表6 计算采用的避雷器性能参数Table 6 Main parameters of arrester for calculation

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

表8 高抗中性点暂态过电压汇总Table 8 Transient overvoltage of shunt reactor neutral point

表7所示的4种故障工况中，第3和第4种发生的概率极低，可以不做考虑。

从表8可以看出，仅考虑第1种和第2种工况的条件下，A和B两种结构的避雷器均出现了超过1.2Ur的过电压，持续时间约为0.2 s，从避雷器的工频电压耐受时间特性的角度分析，存在较大的风险。

如果选用4柱并联结构的C避雷器，第1种和第2种两种工况条件下过电压分别为1.17Ur和1.13Ur，持续时间分别为0.1 s和0.2 s，从工频电压耐受时间特性的角度考虑，避雷器是安全的。

另外，在相同的过电压和持续时间下，表8计算得到的避雷器吸收能量明显小于试验中实测的避雷器吸收能量。这表明计算模型中采用的伏安特性曲线与实际不完全一致，不能仅仅从计算得到的避雷器能耗考核避雷器的安全性。

另外，根据表3，即使不考虑预注入能量，特高压变电站高抗中性点避雷器选用A和B两种结构的避雷器也是不安全的。

3 结论

1）在1 000 kV特高压工程中，从能量耐受的角度考虑，线路侧避雷器的额定电压和母线侧避雷器的额定电压取相同值828 kV是安全的。

2）系统的工频暂时过电压会因工程而异，若某一特高压工程的工频暂时过电压低于线路侧1.4 pu或母线侧1.3 pu时，从工频电压耐受的角度考虑，可适当进一步降低特高压避雷器的额定电压。

3）从工频电压耐受的角度考虑，依据现有仿真计算结果，根据现有生产和试验条件，推荐特高压变电站高抗中性点避雷器采用4柱并联结构；不建议采用单柱结构。

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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

吕雪斌（1973—），工程师，长期从事避雷器相关科研和质量检测工作。

国家电网公司科技项目（编号：XTB17201600058）。