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再谈避雷器的基本特性
时间:2021-09-01 09:15:03浏览次数:

01


避雷器标称放电电流


发、变电站如果不装避雷针,则在一般地区几十年会落雷一次,如果装了避雷针或避雷线,运行经验证明,则几百年才会遭受一次雷击。


发、变电站里的电气设备所遭受到的外部过电压 往往是从线路上传过来的雷电波。

例如110kV的线路,一般使用7片瓷绝缘子,它的绝缘水平只能耐受700kV的冲击电压。当线路上的雷电波电压高于700kV时,就会对绝缘子造成闪络,于是就有700kV的冲击波传到变电站来,又由于经济上的原因,电器设备的绝缘水平通常低于线路的绝缘水平,例如110kV的变压器只能耐受480kV的冲击电压。

现在传来的雷电波有700kV,变压器必坏无疑,所以发、变电站中所有的电流设备均应当受到避雷器的保护。

但光靠避雷器也是不行的,由于受到氧化锌材料和制造水平的限制,氧化锌阀片一般只能通过20kA以下的雷电流,绝大多数的氧化锌阀片只能通过5kA的雷电流。

我们知道,在我国,60%以上的雷电流越过20kA,80%以上的雷超过10kA,所以我们还必须想其它的办法,把袭入线路的雷电流限制在20kA或10kA甚至5kA以下,其次再让这些过滤下来的雷电流通过避雷器,这个电流就是避雷器的标称放电电流。

按照我国标准规定:避雷器的标称放电电流按不同的电压等级分别为20、10、5、3、1kA五级,即氧化锌阀片在这个电流下可以可靠地工作而本身不会损坏。

为何叫标称,是因为通过其它的防雷措施,实际流过避雷器的雷电流不会达到上述规定的数值。

例如110kV的氧化锌避雷器,流过避雷器的雷电流仅为4kA左右,而相应的避雷器的标称放电电流为10kA。


02


避雷器的标称雷电波的残压


如果懂得了避雷器标称放电电流的含义,则该电流流过避雷器时,在其非线性电阻片上造成的压降,即为避雷器的标称雷电波残压。


03


避雷器的保护水平


任何一种电器设备都有其保护水平。


例如110kV的变压器,可以耐受480kV的冲击电压,则称其冲击绝缘水平为480kV。

如果雷电波超过480kV,则设备就要损坏。如果我们在设计中,把避雷器的标称雷电波残压限制在480kV以下,即低于设备的绝缘水平,则设备是安全的,所以把避雷器的标称雷电波残压叫做避雷器的保护水平,该保护水平被保护设备的绝缘水平之差即为保护裕度。


04


避雷器的额定电压Ur


一般电力设备的额定电压是最好理解的,它们大多与系统的额定电压相一致,但对于避雷器的额定电压就不同了,它首先不等于系统的额定电压,而且碳化硅避雷器和氧化锌避雷器两者的额定电压还不一样,甚至对于后者的额定电压有无必要,至今国内外的专家还有不同意见。


出现上述情况的主要原因是因为避雷器是一种过电压的保护设备。

这种保护设备必须做到:

  1)要在比系统正常工作电压高一定数值的过电压出现时立即导电。

  2) 在该过电压低于一定的数值时,马上停止导电,恢复绝缘状态。

而避雷器的额定电压就与比系统正常工作电压高一定数值的过电压有关,也与避雷器停止导电后能否正常恢复绝缘水平有关,所以避雷器的额定电压不是一个简单的问题,它涉及到系统的额定电压,系统的中性点接地方式,避雷器在雷电标称放电电流动作之后避雷器如何动作?

例如对于阀型避雷器,其动作是靠空气间隙的导通,随之雷电流通过间隙后还要能可靠的灭弧,这样避雷器才能正常地恢复到绝缘状态。

而对于氧化锌避雷器,由于它没有间隙,没有灭弧的问题,那么用什么来衡量避雷器动作后能恢复到正常绝缘状态呢?

这时就要用到额定电压的概念,即氧化锌避雷器在其额定电压下坚持运行10秒钟,然后再降低到持续运行电压30分钟,避雷器不会出现热崩溃现象。

所以氧化锌的额定电压是对避雷器的热负荷的考验,是用高于系统额定电压的一种电压值来检验避雷器的耐热能力。


再进一步说明一下:

一般作用于电器设备上的电压可以分为:正常运行条件下的工频电压、暂态过电压(产生这种过电压最通常的原因是单相接地故障)、操作过电压(产生这种过电压的主要原因是由于断路器的操作)和雷电过电压。

由于氧化锌避雷器没有间隙,所以它不仅要直接承受正常工作电压和暂时过电压的作用,而且还要承受雷电过电压和操作过电压的作用。

因为避雷器要能够承受暂时过电压的作用,人们就不得不考虑在暂时过电压下避雷器的老化、寿命和热稳定问题。而避雷器的耐受暂时过电压的能力,就要用避雷器的额定电压来衡量,所以避雷器的额定电压往往大于系统的额定电压,避雷器在其额定电压下,运行一段时候(标准规定为10秒钟)后,能够正常冷却下来而不发生热崩溃。所以用避雷器的额定电压来衡量其耐受暂时过电压的能力是一个很复杂的问题,因为涉及到的运行条件是复杂的。避雷器额定电压的确定、额定电压的加压时间是否与实际系统有等价性、合理性都存在许多问题。

例如在标准GB11032-89中,对于中性点非直接接地系统用无间隙氧化锌避雷器,通常取1.1倍的最大工作线电压作为避雷器的额定电压,于是对于10kV系统用避雷器的额定电压为:

1.15×10×1.1=12.65≈12.7(kV)

这就是在1989年的氧化锌避雷器的国家标准中,10kV产品的额定电压为12.7kV的由来,上式中的1.15是因为系统的最大运行电压高于正常系统电压5~15%是正常的,而10kV系统的最大运行电压往往取其上限值15%。

但是还有一种意见认为:为了保障系统的安全运行,建议提高避雷器的额定电压。例如电力部安全生产司1993年12月30日第十七期《安全情况通报》就提出了“关于提高3--66kV无间隙金属氧化物避雷器额定电压和持续运行电压”的要求,在1997年的机械行业标准中,也对中性点非直接接地的氧化锌避雷器提高了额定电压和持续运行电压。

现在我们知道了,提高了避雷器的额定电压,就是提高了产品耐受暂时过电压的能力,即增加了其使用寿命,但是对于氧化锌材料而言,额定电压提高了,残压也会随之升高,所以避雷器的保护裕度减小了。

国外有的公司干脆就把避雷器的额定电压与系统的额定线电压相对应,例如美国G.E.公司的产品目录中,将中性点直接接地系统用避雷器的额定电压定为系统额定线电压的 75~90%,将中性点非直接接地系统用避雷器的额定电压定为系统额定线电压的1.05~1.25%。

在我们国家,对于在220kV及以下的中性点直接接地系统,避雷器的额定电压习惯上都取为相电压的1.4倍,对于500kV电网,由于线路较长,电容效应的影响较大,所以在母线侧和线路侧的暂时过电压不一样,在线路侧额定过电压要大一些,所以标准规定避雷器的额定电压在母线侧和线路侧分别取最大相电压的1.3倍和1.4倍,所以同样电压等级的避雷器,往往有几个额定电压就是这样得出来的。



05


避雷器的持续运行电压Uc


避雷器的持续运行电压基本上与系统的最大相电压相当,但对于中性点不直接接地系统,避雷器的持续运行电压又要大于故障期间的最大相对地额定工频电压。

由于氧化锌避雷器没有间隙,于是电网的工频电压一直加在它身上,这种电压的持续作用有可能使氧化锌产品产生老化(性能逐渐劣化),所以在避雷器的试验中,当危险的过电压过去之后,要用额定电压模拟暂时过电压加在避雷器上,时间为10秒钟(这个时间是由接在电网中的断路器的动作时间决定的,而在超高压系统中,即使考虑后备继电保护的动作,也不超过1秒钟的时间),这还不够,因为暂时过电压之后避雷器还要承受系统的运行电压,这时就用持续运行电压去模拟系统的最大运行相电压,即系统最大运行线电压除以根号3,加压时间为30分钟,然后再观察避雷器的温度是下降还是继续上升并造成热崩溃。所以在某种意义上来说,避雷器的额定电压和持续运行电压在试验上具有很大意义而在运行中意义不大。


为了说明这一点,我们再看一例。在I.E.C.标准和国家标准中,要做避雷器的加速老化试验。


因为氧化锌避雷器长期接在电网中,连续不断地承受电网的电压,所以产品有可能老化,产品接在实际电网中的老化是自然老化,如果我们认为某种避雷器在电网中的正常运行时间为100年,如果用自然老化的方法,那我们要等上100年,这种等待对于任何新产品的开发是受不了的,所以必须要做人工加速老化试验,即在人为的因素下,用一段不太长的时间(当然不能太短),使产品加速老化,然后把这段时间去等效自然老化的时间。


在避雷器的加速老化试验中,首先要加电压,这个电压就规定要加持续运行电压,加压时间为1000个小时(大约42天),如果氧化锌阀片的表面温度一直能保持在115±4ºC的范围内,则认为该避雷器能在持续运行电压下运行100年,这就是人工加速老化的作用,它把人工加压时间1000小时与自然加压时间100年联系起来,真是极大地提高了效率,真可以这样说:没有人工加速老化几乎就没有任何电器设备。


当然,至于能否这样等价,各国还在进一步的研究,但能够耐受持续运行电压1000小时是对氧化锌阀片的起码要求,但它真的可以等效100年吗?