避雷器作为操作过电压保护装置的应用

赵晓东

（天津市特变电工变压器有限公司，天津300308）

真空断路器是风电系统中常用的断路器，由于系统的配置和切换操作的类型，在不利条件下可能会出现高瞬态过电压，根据实测数据可以发现风电变压器使用避雷器限制断路器感应的瞬态过电压时性能实际上比预期的要好。

1 与真空断路器和感性负载有关的现象

断电过程中的电流断路会引起过电压，并引发多次重新点火，引起电压升高。在研究测试中发现，当多次重新点火引起虚电流截断时，会记录到最高电压。

1.1 电流截断

所有的断路器在自然电流过零点之前都会在一定程度上中断电流，其幅度称为“电流切断电平”。当电流被切断时，磁能将被困在断路器负载侧的电感中。这将导致电感和断路器负载侧的电容之间的电流循环，导致一个瞬态过电压，其振幅和振荡频率可以通过平衡磁储存能量和电储存在断路器负载侧的能量来估计。

当电流达到3A 以下时，通过第一极的电流被截断，此时绕组内的陷波电流也为3A，并随电容开始振荡。根据式（1）给出了电流斩波过电压的简单算式此相的相地电压达到50kv 以上。

1.2 虚电流斩波

虚电流斩波是一种由于负载侧电感中有较高的截留电流而导致过电压过高的现象。虽然上文所述的电流斩波不会引起过高的过电压，但很可能会导致断路器重新点火，当电流斩波的过电压达到50kV 时，模拟一个相位的重新点火将产生一个高频电流通过断路器极点和通过负载电容到地。高频电流通过另外两相的断路器极点的负载侧电容找到两条回路，从而导致通过断路器极点的电流过零和电流中断。此时变压器绕组中的捕获电流等于通过断路器的“斩波”电流，其结果是，在变压器绕组中可以捕捉到负载电流的峰值电流，从而产生幅度显著提高的过电压。

采用与上例相同的参数，但以“虚电流斩波”对应的电流幅值，过电压由54kV 变为250kV，见式2 与式1 比较。

2 避雷器作为保护装置

当通过断路器的电流被切断时，在断路器断开时断路器不再导通。由于绕组中储存的能量，变压器端子可能会发生过电压，电流的回路本来是通过断路器负载侧的电容，安装避雷器将为变压器绕组中的被困电流提供一个回流路径，使电流即使在断路器开路的情况下也能继续流过绕组。在这种情况下避雷器的一个优点是它不仅为电流提供了一个返回路径，而且还能非常有效地吸收磁能。在这种情况下当电流斩波或虚电流斩波发生时，通过避雷器的峰值电流与变压器绕组中的捕获电流相似，其残压仅为保护电平的70%左右。

3 避雷器应用结果

3.1 没有保护装置的感应负载断开

首先在没有安装任何避雷器的情况下对感应负载进行断开，以测试在不利条件下可能发生的瞬态过电压。变压器端子测得的相地电压随着再点火次数增多幅值增大，最大对地电压达到99kV。绕组之间的电压达到的最大值为168kV，高于变压器的基本绝缘水平125kV。

3.2 安装相对地避雷器断开感应负载

为了研究避雷器作为保护装置的影响，首先将避雷器在变压器端子处与相和地连接。测量到的相地电压，通过避雷器到达地面的电流，电流振幅很低从大约10A 开始，相应地电压限制在45kV 左右，即明显低于避雷器的保护水平。绕组两端的电压被限制在90kV 左右，叠加一些高频的瞬态电压后能达到95kV，该电压对应于两个避雷器之间的电压串联即≈2*45kV，绕组两端的电压由两个串联的避雷器有效地限制。

4 结论

在安装了避雷器的情况下，过电压幅值都限制在变压器的基本绝缘水平以下，在没有避雷器保护的情况下，当断开附近的真空开关在变压器绕组上观察到过电压幅值远远超过变压器的基本绝缘水平，因此电涌避雷器是限制瞬态过电压幅值的一种有效的保护装置，安装电涌避雷器后电压将被限制在一个明确的水平。

当断路器断开时，避雷器为绕组中储存的磁能量提供一个可选的回流电流路径，在这种情况下电压将限制在一个明显较低的振幅，只有大约70%的保护水平。当避雷器限制了断路器负载侧的过电压时，断路器上的电压即恢复电压也会受到限制，其结果是重新点火将停止。实际测试中避雷器能够将电压限制在一个较低的值。