10 kV 阻容装置与避雷器过电压抑制能力试验与仿真分析

2022-01-06向缨竹李欣肖京吴小忠邓化龙

湖南电力 2021年5期

向缨竹，李欣，肖京，吴小忠，邓化龙

(1.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南长沙 410007；2.国网湖南省电力有限公司，湖南长沙 410004；3.湖南长高森源电力设备有限公司，湖南衡阳 421007)

0 引言

过电压吸收器(RC 装置) 因对操作过电压和谐振过电压有较强的抑制作用而得以在电网广泛应用，但在长期运行过程中发现了许多问题。例如某流域多个水电站曾发生10 kV 系统配置的过电压吸收器爆炸事故，导致设备损坏、主变跳闸以及机组停运等，造成了巨大的经济损失[1－3]。调查分析发现，事故发生的直接原因是阻容装置受潮后受到雷电过电压的冲击。

避雷器是站内最常用的雷电过电压保护设备之一，其防护原理和阻容装置有本质上的区别，但都可以达到限制各类过电压的目的。长期运行结果表明，利用避雷器抑制某些操作过电压时(例如投切并联电抗器所产生) 效果不佳。目前，对阻容装置和避雷器抑制不同类型过电压能力的对比，以及两种保护装置之间配合的相关研究尚不足。

针对上述问题，本文依据文献[4－7] 设计相应的现场试验和仿真模拟，对某10 kV 系统阻容装置及避雷器的操作过电压和雷电过电压抑制能力进行校核，以此开展开关柜过电压吸收配置方案的研究。

1 RC 装置与MOA 过电压抑制原理分析

1.1 RC 装置抑制过电压原理

过电压吸收器本质为阻容串联装置，主要用于限制操作和谐振过电压，图1 是过电压吸收器实物图，图2 是装置等效电路图。

图1 过电压吸收器实物

图2 阻容装置等效电路

阻容装置通常并联在开关柜出线端，当线路中出现操作过电压时，由于其电压幅值高，而电容具有储存电能的作用，因此开始对电容充电，并通过电阻消耗能量，从而达到降低过电压幅值的目的。LC电路发生振荡时频率f ＝(1/2π)，电容C越大，频率f越小。由于阻容装置的电容值远大于开关柜控制的感性设备的对地电容值 (不超过50pF)，改变感性设备的电感和其对地电容发生振荡的条件，感性元件相邻匝间在过电压时的电位差降低，从而改善感性设备的匝间绝缘。理论分析表明，R－C 过电压吸收器能将操作过电压水平抑制在2 倍以下[8]。

1.2 金属氧化物避雷器(MOA) 抑制过电压原理

MOA 主要是依靠氧化锌阀片良好的非线性伏安特性来抑制过电压[9]，图3 是氧化锌电阻片的伏安特性曲线图，图4 是MOA 的等效电路图。

图3 氧化锌电阻片的伏安特性

图4 避雷器等效电路

避雷器通常也是采取并联的方式来进行保护，一端接带电导线，另一端接地。从氧化锌电阻片的伏安特性曲线可以看出，MOA 在系统额定电压下呈现高阻状态，泄漏电流为微安级，实际上相当于一绝缘体，而当系统电压升至一定程度后，氧化锌阀片的阻值急剧下降，能迅速释放过电压，此时MOA 被击穿。氧化锌电阻片的这种非线性特性与其晶界层密切相关，当层间电位梯度达到104～105V/cm时，其电阻率会大幅下降进入低阻状态。晶界层的介电常数较大，体现为氧化锌阀片具有较大的固有电容，因此等效电路图中的R为非线性电阻，C为晶介电容。

1.3 过电压抑制影响因素分析

从上述抑制过电压原理可知，阻容装置是通过吸收消耗过电压的能量达到保护系统的目的，避雷器则以快速释放过电压能量以限制其幅值，两者原理的不同决定其保护效果存在一定差异，且影响其效果的因素也有所不同。

10 kV 系统中可能出现的操作过电压和雷电过电压的波形特征具有较大的区别，两种保护设备在长期运行中均暴露出一些限制不同类型过电压时的不足。

在选用避雷器时，其电压参数不能过低，否则可能导致MOA 在运行中损坏，这主要与直流参考电压(U1mA) 和额定电压(Ur) 有关，但电压值过高的MOA 动作相对困难。除选择适当的电压参数外，还需考虑避雷器的吸收能量，等同于受MOA 保护的设备从暂时过电压峰值降到MOA 特性曲线拐点时释放的能量，可由式 (1) 计算得到[10]:

式中，W为MOA 吸收能量，kJ；C为被保护设备的电容值，mF；k为 MOA的过电压保护水平，p.u.。

在评估MOA 的过电压吸收效果时，通常还会关注其残压和泄漏电流，残压和冲击放电电压决定MOA 的保护水平，泄漏电流反应MOA 的运行状态。

实际运行经验表明，当系统中出现操作过电压时，氧化锌避雷器存在的问题包括:①较小的绝缘裕度令其在保护相间绝缘时效果有限；②操作过电压的振荡频率高，MOA 对此无效果；③过电压波头时间越短，MOA 的残压越高，保护可能失效。

当线路中出现雷电过电压时，阻容装置存在以下问题。

1) 电容器容量限制

一般10 kV 阻容装置的R、C值为100 Ω 和0.1 μF，电容器的短时耐受电压为30 kV，则其最大容量Qmax为:

对小于30 kV 的操作过电压可满足Q

2) 电阻热容限制

当发生雷电过电压时，雷电流会通过过电压吸收器泄放，由于其等效频率较高，阻抗较小，此时的雷电流较大，在电阻R上产生较高的热量:

若电阻R的热容不足，则可能导致电阻发生热崩溃，甚至引起爆炸。

因此，对阻容装置和避雷器在操作过电压和雷电过电压下的特性进行相应的现场试验和仿真分析，将两者的过电压抑制能力进行全方位的比较，以解决上述存在的问题。

2 RC 装置与MOA 抑制操作过电压试验分析

投切并联电抗器时产生的操作过电压主要包含截流过电压和多次重燃过电压，前者的生成是由于流过弧隙的电流突然被截断，后者则是因弧隙发生多次重燃，电源多次向电抗器侧的电容进行充电而产生[11]。此种操作过电压经常引发绝缘事故，甚至会导致真空断路器重击穿，对此大多变电站仅利用MOA 来进行防护，但因其操作冲击残压过大而无法有效抑制[12]。为验证RC 阻容装置和MOA 避雷器的操作过电压抑制能力，在某变电站进行针对性现场模拟试验。

2.1 现场试验原理

试验变电站曾发生过利用318 断路器切电抗器而引起320 开关柜内绝缘薄弱处放电击穿，并最终跳开2 号主变压器的事故。此次试验主要针对该站更换后的320 开关柜设计了无保护设备、仅加装MOA、仅加装RC 三种保护配置方案进行切除电抗器试验，以验证过电压水平是否可以抑制在合理的水平范围之内，试验接线如图5 所示。

图5 试验接线方式

将该站2 号主变压器所连10 kV 母线上所有负载全部退出运行后，在并联电抗器与318 断路器连接线路上实施三种过电压防护配置方案(无保护设备、仅加装MOA、仅加装RC)，针对每种配置利用318 断路器切除1L 间隔电抗器(10.5 kV/10 MVA) 各10 次，用示波器采集电抗器侧(318间隔) 和母线侧(320 间隔) 过电压波形并记录测量过电压数值，每次操作间隔为5 min。

试验所用避雷器为普通10 kV 开关柜配置的氧化锌避雷器；阻容装置的电容按截流过电压不超过2.5 倍、过电压振荡频率不超过1 000 Hz 来选择:对于1L 并联电抗器选电容C＝0.10 μF；并要求阻容装置的电阻能满足限制电容器的合闸涌流且不超过电容器额定电流的20 倍；对于C＝0.10 μF 电容器，选取电阻R＝100 Ω。

2.2 试验结果分析

试验中真空断路器切电抗器的典型过电压波形如图6 所示，图中从上至下依次为母线侧A、B、C 三相波形及电抗器侧A、B、C 三相波形，试验数据见表1—3。

图6 真空断路器切电抗器典型波形

表1 真空断路器切除电抗器试验数据(不含RC 装置和MOA)p.u.

从图6 (a) 可以看出，在未配置过电压防护装置时，切除电抗器后的各相均出现了截流过电压和多次重燃过电压，截流时触头间隙的振动频率范围为3～10 kHz，截流后的振动频率约为1.4 kHz，但母线侧受到的影响较电抗器侧相对较小。将图6 (b)、图6 (c) 与图6 (a) 进行比较后发现，对比无任何保护设备时产生的过电压波形，配置RC 装置后系统中切电抗器产生的过电压频率明显下降，MOA 则对于过电压频率没有明显影响，但幅值有所降低。

从表1 数据可以看出，在不加装MOA 和RC装置的情况下，利用318 断路器切除电抗器间隔的试验过程中，电抗器侧产生的最大过电压为4.29 p.u.，发生在第一次切电抗器试验时的A 相，母线侧产生的最大过电压为3.23 p.u.，发生在第六次切电抗器试验时的A 相。

从表2 数据可以看出，在仅加装RC 装置的情况下，利用318 断路器切除电抗器间隔的试验过程中，电抗器侧产生的最大过电压为1.27 p.u.，母线侧最大过电压为2.20 p.u.，均发生在第四次试验时，分别为A 相和C 相。

表2 真空断路器切除电抗器试验数据(含RC 装置)p.u.

从表3 数据可以看出，在仅加装MOA 的情况下，利用318 断路器切除电抗器间隔的试验过程中，电抗器侧产生的最大过电压为3.95 p.u.，母线侧最大过电压为2.88 p.u.，均发生在第八次切电抗器试验时，分别为C 相和A 相。

表3 真空断路器切除电抗器试验数据(含MOA) p.u.

结合表1—3 中的数据可以得出以下结论:

1) 试验过程中还发现投电抗器时出现合闸过电压的概率极低，通常与断路器的弹跳时间有关；切电抗器则更易产生操作过电压，且数值具有较大分散性。利用318 断路器进行投切试验时，最高倍数过电压可能出现在电抗器侧，也可能出现在母线侧，有一定随机性；但用320 断路器进行操作时，均是母线侧产生更高的过电压。

2) 横向比较不同过电压防护配置下的试验结果，可以明显看出加装RC 装置过电压吸收器后318 电抗器侧和母线侧的过电压均得到了很好地吸收抑制，切电抗器时的操作过电压水平基本被限制在2 倍以下；加装避雷器后相较无防护配置的系统，投切试验产生的过电压倍数也有所降低，但系统中仍出现了3 倍以上的操作过电压，整体防护效果明显弱于过电压吸收器。

3 RC 装置与MOA 抑制雷电过电压仿真分析

3.1 仿真模型搭建

为比较RC 阻容装置和MOA 抑制雷电过电压的效果，利用ATP 电磁暂态仿真软件，模拟雷电侵入变电站，分析RC 装置和MOA 的防雷效果。

3.1.1 雷电流模型

雷电流采用双指数波模拟，双指数表达式为:

常数α和β的大小，可由闪电的三个特性推导得到，包括沿先导通道的电荷密度、回击速度以及回击过程中先导电荷的复合率。图7 所示为双指数等值波形，由两个衰减速度不同的指数函数合成，对于常用的雷电流波形，一般有β≫α。雷电流幅值、波头时间均按规程规定处理，设波型为2.6/50 μs、负极性，幅值可以取不同的值。

图7 雷电流双指数等值波形

3.1.2 输电线路模型

输电线路采用参数随频率变化的LCC 三相Jmarti 模型，其参数为随频率变化的架空线模型，对站外的输电线路可采用JMARTI 或者SEMLYEN频率特性架空线模型[13]。

3.1.3 避雷器模型

MOA 是一种高度非线性的电阻，因而可采用非线性电阻来模拟，其非线性特性采用分段线性函数模型来模拟。

3.1.4 杆塔模型

杆塔模型根据杆塔的结构而定，每一段均用波阻表示，由于铁塔不同部位的波阻抗的值不一，雷击的假设、线路的模型都比较粗略，可假设各部分的波阻抗均相等。

3.1.5 发电机、变压器等电气设备的模型

雷电侵入波等值频率较高，维持时间很短，通常10 μs 左右即可算出最大过电压幅值。因此变电站设备如变压器、隔离开关、断路器、互感器等，在雷电波作用下，均可等值成冲击入口电容。

根据以上模型，搭建了不装设RC 装置和MOA、仅装设RC 装置、仅装设MOA、装设RC 装置和MOA 四种仿真电路模型，其中同时装设两种保护设备的模型如图8 所示。

图8 雷电过电压仿真示意图(含RC 装置和MOA)

3.2 仿真结果及分析

为对比RC 装置和MOA 的雷电防护效果，依据上述等效模型，分别计算不装设RC 装置和MOA、仅装设RC 装置、仅装设MOA、装设RC 装置和MOA 四种不同配置条件下的雷电过电压波形、幅值、频率响应情况，仿真波形结果如图9 所示。其中，设定RC 装置中R值为100 Ω，C值为0.1 μF。

图9 不同配置条件下的仿真波形

为详细对比分析RC 装置和MOA 的雷电防护效果，对仿真计算波形进行幅值和陡度细节分析。RC 装置和MOA 不同配置情况下的波形细节对比如图10—12 所示。

图10 加装RC 装置和MOA 前后的过电压波形

由图10 可知，装设RC 装置或装设MOA 对雷电过电压都具有明显的抑制作用，其中阻容装置可以显著降低过电压波形的陡度，MOA 则可以显著降低过电压波形的幅值。从图11 的波形对比图则可以更明显地看出，加装RC 装置后的过电压波形更为平滑，同现场试验结果吻合，这是0.1 μF 电容的滤波作用，可以有效滤除信号的高频成分，降低过电压的上升陡度。而加装MOA 后的雷电过电压中仍含有大量高频成分，因MOA 为非线性电阻，具有压敏特性，其主要功能为降低过电压幅值而不具备滤波作用，因此波形的高频成分无变化。

图11 单独加装RC 装置或MOA 的过电压波形对比

从图12 还可以看出，若将RC 装置和MOA 配合使用，比仅装设一种的效果更好。系统中接入过电压保护器后，电容使得回路振荡频率降低，阻尼电阻令幅值快速衰减，加上避雷器在过电压下的低阻泄流削幅作用，可以有效降低绝缘击穿概率。这种保护配置将RC 装置和MOA 的优点结合了起来，能对雷电过电压产生更强的抑制作用，见表4。