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避雷器的参数选择

时间:2012/12/4 17:02:34

  国家技术监督局于2000年1月颁发了新国标GB11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》,该标准等效采用IEC60099-4:1991,现在国产MOA的UR、UC已按新标准标定。国家经贸委也已于2002年9月发布了新行标DL/T804-2002《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》(以下简称使用导则)。因此,设计选型中应考虑如何根据电网运行要求,以及同一电压等级内可供选择的MOA保护水平与绝缘配合的比较来选择MOA参数。鉴于此,本文就10~500kV级MOA(不含中性点用)的UR、UC选择加以探讨,以期对变电工程MOA的设计选型能有所指导。

1、MOA的主要技术参数与选择原则

  1.1  MOA的额定电压(UR)

  MOA的额定电压是指施加到MOA端子间的最大允许工频电压有效值。按照此电压所设计的MOA,能在所规定的动作负载试验中确定的暂时过电压下正常地工作。它是表明MOA运行特性的一个重要参数,但它不等于系统标称电压,系统标称电压是指系统线间电压的标称值,而MOA正常工作下承受的是相电压和暂时过电压,因此其额定电压与系统标称电压和其它电器设备的额定电压有不同的意义。

暂时过电压主要是由于长线电容效应、突然甩负荷、单相接地以及其它故障引起的系统电压的暂时升高,其持续时间约为零点几秒或几秒,并有振荡的暂态过程。MOA在这种过电压的作用下电流损耗增大、温度升高。当MOA电阻片产生的热量与瓷套散发的热量之间失去平衡时,将导致热崩溃。显然,如果仅从MOA承受暂时过电压的能力考虑,MOA的额定电压选得越高,则MOA电阻片的电阻值就越大,在运行中通过MOA的漏电流就越小,对减轻MOA的劣化有利,可以提高MOA运行的可靠性。但另一方面,MOA的额定电压越高,则其雷电冲击和操作冲击下的残压也相应越高,在设备同样的绝缘水平下,其绝缘配合裕度会减小,这两个方面是矛盾的。按照使用导则的要求,MOA额定电压的选择一般考虑的原则是:只要满足导则规定的过电压保护绝缘配合系数,MOA的额定电压可以选得高一些。不能因过分追求绝缘配合裕度而选择过低的额定电压,以至影响MOA本身的安全运行。所以问题的关键首先在于正确分析并确定系统暂时过电压水平,并在满足绝缘配合系数要求的前提下,合理选择MOA的额定电压。

  系统暂时过电压包括工频过电压和谐振过电压。110~500kV电容式电压互感器(CVT)在变电工程设计中的广泛采用,从根本上防止了电磁式PT产生谐振过电压的可能。那么就工频过电压而言,它一般由线路空载、单相接地和突然甩负荷等引起。根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》(DL/T620-1997)第4.1.1之b条,110kV、220kV工频过电压一般不超过1.3P.u (p.u=Um/√3,Um为系统最高工作电压、下同); 500kV系统工频过电压一般采用在线路上安装并联电抗器加以限制,500kV线路断路器的变电所侧工频过电压水平一般不宜超过1.3P.u 、线路断路器的线路侧工频过电压水平一般不超过1.4P.u;10kV系统一般不超过1.1√3P.u;35kV系统一般不超过√3P.u。10~220kV系统的一般工频过电压水平见附表1;500kV系统的一般工频过电压水平见附表2。

  这里要指出的是,上述规程给出的仅是一般情况下的工频过电压水平。10kV、35kV系统的工频过电压与中性点的接地方式及接地故障性质有关。若为单相间歇性电弧接地故障、对于经消弧线圈接地系统,根据规程DL/620-1997第4.2.8条,则工频过电压最大可达到3.2p.u。会高于附表1中的相应值。
  限制500kV系统空载线路合闸及重合闸操作过电压最有效的措施是在断路器上加装合闸电阻。一般当线路长度小于200km、工频过电压水平符合附表2时,可仅用安装于线路断路器的线路侧MOA加以限制,在工程设计中要具体通过内过电压计算确定。
1.2  MOA的持续运行电压(UC)
  MOA的持续运行电压是指允许持久地施加在避雷器端子间的工频电压有效值,它比额定电压低,即UC<UR。由于MOA没有串联间隙,正常工频相电压要长期作用在金属氧化物电阻片上,会引起电阻片的劣化,为了保证一定的使用寿命,长期作用在避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压,以免引起电阻片的过热和热崩溃。在中性点接地系统中,接在相对地的MOA,其持久地加在MOA两端的工频电压最大值为系统最高工作相电压(Um/√3)。因此,选择MOA时必须使它的持续运行电压大于或等于Um/√3 。10~500kV电力系统的额定电压、最高工作电压和最高工作相电压分别见上附表1、附表2。从表中可以看出,10~500kV电压等级、持续运行电压(UC)可供选择的MOA均能满足系统最高工作相电压的要求。
2、 MOA的保护水平与绝缘配合
  绝缘配合是指综合考虑系统中可能出现的各种过电压、避雷器的保护水平以及设备的绝缘水平,从而使设备绝缘故障率降低到在经济上和运行上可以接受的水平。
  10~220kV电气设备的绝缘水平主要受雷电过电压控制,因此,10~220kV系统电气设备绝缘配合的基本原则是:按系统中可能出现的雷电过电压和避雷器的保护水平来确定设备的绝缘水平,并保证它们之间具有一定的配合裕度。配合裕度用绝缘配合系数来表示:绝缘配合系数=设备的额定雷电冲击耐压/避雷器的残压。根据过电压保护规程第10.4.4的规定,变电所10~220kV电气设备在雷电过电压下的绝缘配合系数应取1.4。
  根据过电压保护规程第10.4.4的规定,变电所500kV电气设备在雷电过电压下的绝缘配合系数亦应取1.4。但500kV电气设备的绝缘水平主要受操作过电压控制,根据过电压保护规程第10.4.3的规定,500kV电气设备在操作过电压下的绝缘配合系数不应小于1.15。
3、MOA的主要参数选择、保护水平与绝缘配合比较
  根据MOA新国标之表6“典型的电站和配电用避雷器参数”,对于10kV~500kV电压等级的MOA,大都有2种或以上额定电压的MOA可供选择。但其中过去在220kV变电工程设计中通常采用的额定电压为100kV和200kV的MOA为新老标准的过渡产品。按本文前述的MOA主要技术参数选择与绝缘配合的基本原则,现将可供选择的MOA参数、保护水平与绝缘配合加以比较(详见附表1、附表2),以便进行直观的对比分析并作出结论。例如在额定电压为200kV的MOA过渡产品停产后,对于220kV电压等级的MOA,虽然额定电压为192kV和204kV的产品,其残压均能满足绝缘配合系数规定的要求。但根据使用导则规定的MOA额定电压选择的一般原则:只要满足规程规定的绝缘配合系数,MOA的额定电压可以选得高一些,不能因过分追求绝缘配合裕度而选择较低的额定电压,以至影响MOA本身的安全运行。同样,在额定电压为100kV的MOA过渡产品停产后,对于110kV电压等级的MOA,在一般情况下宜选择额定电压为102kV的产品;额定电压为15kV与17kV的10kV电压等级MOA在一般情况下都能满足系统工频过电压的要求,但考虑到10kV系统发生单相间歇性电弧接地故障时产生的工频过电压会大于附表1所列数值,这无疑对10kV电压等级的MOA运行的自身安全构成威协,因此10kV级MOA宜选用额定电压为17kV的产品。
4、结论
  通过对MOA主要技术参数(UR、UC)选择原则的分析论述,以及对MOA新国标可供选择的MOA的参数选择、保护水平与绝缘配合比较(详见附表1、附表2),我们可以得出以下结论:
  (1)10~500kV电压等级、持续运行电压(UC)可供选择的MOA,均能满足系统最高工作相电压的要求。
  (2)额定电压为468的500kV级MOA不能满足雷电过电压下的绝缘配合系数要求;额定电压为420kV和444kV的500kV级MOA、其绝缘配合系数均能满足规程要求,但420kV级MOA的额定电压小于线路断路器的线路侧系统一般工频过电压,大于线路断路器的变电所侧系统一般工频过电压,故一般情况下只能用于500kV主变压器入口,其能否用于较短线路的线路断路器的线路侧,应通过内过电压计算确定;额定电压为444kV的MOA的持续运行电压大于线路断路器的线路侧系统一般工频过电压,可用于500kV线路出口。
 (3)在额定电压为200kV的MOA过渡产品停产后,对于220kV电压等级的MOA,在一般情况下宜选择额定电压为204kV的产品。
 (4)在额定电压为100kV的MOA过渡产品停产后,对于110kV电压等级的MOA,在一般情况下宜选择额定电压为102kV的产品。
 (5)为满足规程规定的雷电过电压下绝缘配合系数(>1.4)的要求,35kV变电电气设备的额定雷电冲击耐压应按变压器类选取200kV;或要求生产35kV级MOA的厂家降低残压,提高其保护水平,以满足绝缘配合系数的规定要求。
 (6)虽然额定电压为15kV与17kV的10kV电压等级MOA、在一般情况下都能满足系统工频过电压的要求,但考虑到10kV系统发生单相间歇性电弧接地故障时产生的工频过电压会大于表1所列数值,因此10kV级MOA应选用额定电压为17kV的产品。

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