配電網10kV避雷器的選擇和使用
來源 : 浙江朗本電氣有限公司發布時間 : 2022-03-17 06:06:59
摘要：介紹了配電網避雷器的結構、分類、基本特性以及其安裝使用的一般原則和注意事項;確定了選擇配電網避雷器的一般程序和性能要求;提出配電網避雷器的使用要求及運行管理要求。對配電網避雷器的選型、安裝及運行使用具有重要的參考意義。
避雷器是電力系統過電壓保護裝置，又稱過電壓限制器。
在配電系統中，設備的主要風險來自感應雷和對所連架空線的直擊雷。未與架空線連接的電纜系統，因故障或開關操作引起的過電壓所占比例大，但也會產生雷電感應過電壓，引起閃絡并嚴重損壞設備，影響用戶的正常供電。通過避雷器和絕緣裝置的適當配合可防止這類事件的發生。
1 配電網避雷器的結構
1.1 配電網避雷器的分類和內外結構
配電網用避雷器結構分瓷套式避雷器和復合外套式避雷器2種。瓷外套金屬氧化物避雷器的功能部分由不同的機械結構以及疊加起來的金屬氧化物電阻片柱組成，具有非線性伏安特性。避雷器內空間介質通常是氮或干燥的空氣;瓷外套用以保護避雷器功能元件免受環境的影響，其機械強度、閃絡距離、爬電距離、污穢條件下的性能、防濕氣侵入的密封性必須滿足相關要求。
避雷器外套內壁和功能元件之間的空隙可能或部分填滿了氣體(如干燥的空氣或氮氣)，或固體或半固態材料(如硅橡膠)。避雷器相關標準未規定配電網用避雷器必須設置壓力釋放裝置，當功能元件因能量過負荷被擊穿或閃絡后，避雷器外套可能會爆破。密封系統是避雷器(不僅指瓷外套避雷器)敏感的部件，瓷外套避雷器中濕氣浸入是影響金屬氧化鋅避雷器(metal oxide arrester，MOA)壽命的1個主要因素(MOV的電氣壽命也是1個因素，例如其電壓、電流特性的改變，但不是主要因素)E23。
1.2 配電網避雷器的結構形式
1.2.1 管型設計
這種避雷器采用的外套包含一定的氣體體積(與瓷外套相似)，為非瓷性復合外套，外部有傘裙的由增強塑料玻璃纖維管制成，并直接模壓在玻璃纖維管上。避雷器內部的周圍介質一般為氮氣或者空氣。
目前常使用的外套是直接套在電阻片柱上，外套內不包含預留的氣體。
1.2.2 纏繞型設計
避雷器的機械支撐部分使用玻璃纖維增強塑料(fiberglass—reinforced plastics，FRP)纏繞型結構，它可以通過環氧樹脂浸透玻璃粗紗來實現，也可以用預浸漬網或帶纏繞在電阻片柱上，然后在烘箱中固化而成，所得到的管型纏繞電阻片柱可以被包裹(可以預留薄弱點以保證在避雷器過載時外套打開)，也可以有預留窗口。這種纏繞也可能是1個預制的FRP管，包裹在MoV柱上，二者之間的空隙可用彈性材料填充。
1.2.3 籠型設計籠型設計
的M0V柱由FRP網或FRP棒或FRP帶以的張力夾緊。MoV本身即為機械支持結構，而玻璃鋼則形成1個開放的籠子，也有用帶子纏繞玻璃鋼籠子以增加機械強度，改善短路性能。外部傘裙必須直接模壓在模件上，通常使用的是硅橡膠。
上述3種形式結構的避雷器的外部傘裙必須直接模壓在模件上，通常使用的是硅橡膠。
2 配電網避雷器的基本特性
避雷器具有保護特性和運行特性。
避雷器的保護特性反映其限制電力系統過電壓的能力，是輸變電設備絕緣配合的基礎。改善避雷器的保護特性可以提高被保護設備的運行安全可靠性，降低絕緣水平。
避雷器的保護特性由保護水平決定。避雷器的運行特性應包括動作負載穩定性和運行壽命特性(包括長持續時間運行電壓下的壽命及各種過電壓下的壽命)等。
3 配電網避雷器的選擇
配電系統很少有防雷屏蔽，因此配電網避雷器會遭受直接雷擊和較多的感應雷。應給予這種避雷器由雷電引起的瞬態過電壓的關注，相對而言，操作過電壓并不重要。配電設備包括避雷器，與電站設備相比是低廉的，但其用量巨大。對具有用途的避雷器進行單獨的研究通常不經濟、不可行。因此，配電網避雷器的選型通常要考慮到使其能用于系統中任何相似的地方而不是某一特定的位置;而且配電網多為中性點絕緣和諧振接地系統，其接地故障暫時過電壓持續時間比較長，所以配電網用避雷器的選擇有特別要注意的地方。
3.1 選擇配電網避雷器的一般程序
避雷器的保護特性和運行特性互相制約。提高避雷器額定電壓，則避雷器的持續運行電壓、工頻過電壓耐受能力以及能量吸收能力亦隨之提高，但過電壓下的保護裕度減小(即殘壓高)。因此，選擇適當的避雷器是1個優化的過程，必須考慮大量的系統和設備參數。
選擇配電網用避雷器的一般程序如下：
a)根據避雷器使用的當地條件，如海拔、氣溫、風速、污穢、地震等環境因素進行選擇(如屬于非正常使用條件，須經供需雙方協商，擬訂出非正常使用條件下的避雷器);
b)根據系統電壓來確定避雷器的持續運行電壓;
c)根據暫時工頻過電壓來確定避雷器的額定電壓;
d)估算通過避雷器的預期雷電放電電流，選擇避雷器的標稱放電電流等級及大電流沖擊值;
e)估算通過避雷器的預期操作沖擊電流和能量，選擇避雷器的方波沖擊電流放電等級;
f)根據預期故障電流來選擇避雷器的壓力釋放等級;
g)選擇滿足要求的避雷器，確定其雷電沖擊保護特性;
h)確定被保護設備的配和用雷電沖擊耐受電壓，應考慮架空線路的雷電特性，確定典型的雷電過電壓侵入波;確定避雷器和被保護設備之間的距離;
依據標準GB311.2～6～1983《高電壓試驗技術》確定被保護設備的額定雷電沖擊絕緣水平;如果被保護設備的額定絕緣水平較低，則應重新考慮避雷器的額定電壓、持續運行電壓、標稱放電電流等級、方波沖擊電流放電等級及避雷器和被保護設備之間的距離。
3.2 按使用地區環境條件進行選擇
按使用地區環境條件進行選擇，考慮如溫度、日照、風速、冰雪、相對濕度、污穢、海拔、地震、雨等環境條件。
4 配電網避雷器的應用
4.1 配電網避雷器的安裝
對于金屬氧化物避雷器的裝配、安裝、維護、運輸、儲存和廢棄，制造廠家應給出清晰的說明，并在提供的使用說明書(手冊)中明確規定。
避雷器用脫離器是當避雷器故障時，使避雷器與系統斷開的裝置，用于防止系統持續故障，并給出可見標識。脫離器脫離時切斷流經避雷器的故障電流通常不是該裝置的功能。脫離器通常直接置于避雷器接地側，應隔離避雷器和地電位，并且指出應替換的故障避雷器。當避雷器正常運行時，如通過雷電流時，脫離器不應動作;只有當避雷器過負荷時，脫離器應自動將避雷器脫離，它們的接地引線應是軟線，且必須保證避雷器下方有足夠的絕緣距離，使脫離的接地引線能自由地搖擺。當脫離器動作后，在避雷器下部接地端會出現施加的運行電壓時，不會引起放電。
脫離器可防止過負荷避雷器引起永久性短路而導致的系統跳閘，為用戶持續供電[43。對于很難到達的地方或過負荷避雷器不能很快替換時，這是優點;缺點是當避雷器被脫離后，因無保護，應盡快替換事故避雷器，以免與系統脫離后失去控制。
絕緣托架與脫離器一并安裝，以便能在避雷器故障后重合配電變壓器，其他托架用于安裝。
如果高壓熔斷器與脫離器在1條回路上，這2個保護裝置的響應特性應彼此匹配。脫離器的響應速度應高于或至少應與高壓熔斷器一樣。這是為了避免更換后的新熔絲由于短路存在而再次切斷短路電流。故障指示器的功能是用鮮明的顏色材料顯示避雷器已過負荷，需要替換，它們不能使避雷器與地電位脫離。故障指示器可以安裝在避雷器高壓端，也可以直接安裝在避雷器接地端。如果避雷器過負荷，短路則是永久性的，應盡快檢測出損壞的避雷器并進行替換。
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4.2 連接引線
用戶選擇連接引線的截面積應保證通過避雷器的短路電流(給定短路電流持續時間)而不會導致連接引線熔化或扯掉;連接引線應保證有足夠的機械強度，這一點適用于高壓端連接引線，也適用于低壓端連接引線。
若考慮快速上升的雷電沖擊波，配電網避雷器相對于被保護設備之間的位置可能非常重要。當保護設備通過快速上升的雷電過電壓，以及當與避雷器串聯的連接引線、避雷器與被保護設備的并聯引線均因其固有電感而產生不小的電壓時，引線電壓附加在避雷器的快波前特性上，因此連接引線須盡可能短且直，因沖擊電流通過時，其本身的自感在每段導線上都會產生感性壓降。當雷電流變化率di/dt很高時，必須考慮到感性壓降。金屬氧化物材料本身對陡電壓和電流沖擊的響應幾乎是同時。就避雷器本身的尺寸和引線長度而言，總是存在著感性電壓，必須考慮陡波電流的沖擊。有關避雷器參數表中給出的規定殘壓值通常是僅指避雷器兩端的值。
附加感性電壓計算公式為U=Ldf/d 。設1m長直線的電感為L=1 H，雷電流波形的波頭和波尾分別為8 s、20 s，幅值為10 kA，則每米連線的附加感性電壓大約為1.2 kV;對于上升時間為1 s、幅值為10 kA的陡波沖擊電流，則每米連線的附加感性電壓大約為10 kV。這就意味著必須盡可能地消除引線和回環的電感效應，更不用說避雷器和變壓器必須在同一點接地。
4.3 配電網避雷器的接地
配電系統中的避雷器應緊靠被保護設備，如變壓器 ]。避雷器接地端和被保護設備接地端應該用非常短且直的導線連接，接地電阻應盡可能小，以限制接地端地電位升高，減小危險性，避免變壓器高壓側閃絡，好小于或等于10 Q。測量接地電阻主要采用直流電流或50 Hz交流電流。若采用高頻(或含高頻成分的沖擊電流)，其值可能很高，因此要采用的接地裝置來釋放沖擊電流。
需要仔細設計柱上變壓器的接地，采用接地棒和接地網來降低接地電阻。應參考相應的接地規程。在變電站，如果避雷器的基礎和被保護設備的基礎連在一起，則避雷器的接地引下線應采用盡可能直，應避免彎曲的導線與主接地網連接。
4.4 配電變壓器低壓
側過電壓通常認為雷電擊中配電線時，雷電放電電流會通過變壓器原邊避雷器的接地引下線。當用戶的接地與市政供水管線或深井連在一起時，它們提供的接地可能比變壓器處的接地較好，因為變壓器原、副邊的接地在電桿上是連在一起的，雷電流可以選擇好的路徑人地。如果發生這種情況，則無論是雷擊于變壓器原邊相線還是中性線，均可以輕易造成絕大部分雷電流流過用戶的供電中性線。
當雷電流經由較遠的用戶供電電纜中性線接地點而非經較近的變壓器下的接地引下線接地點時，變壓器低壓側會產生過電壓。如果與雷擊點遠處的電纜一端接地比電纜近端接地好的話，則過電壓電流會流過電纜中性線，那么電纜兩端無論哪一邊遭遇雷擊都一樣。由于雷電流流經電纜，沿電纜則會產生電阻和電感的電壓降，電纜電路回環中也會產生感應電壓。
當回環短路時，回環內會產生電流，電流回路上就會存在壓降，這就是低壓側過電壓的起源。如果負荷側開路，則在開路端子上很容易產生超過10 kV的過電壓;如果負荷側短接，可能由于存在某種類型電壓保護裝置的原因，回環內部分電壓則疊加在變壓器的二次側。這可能會在變壓器的一次側感應出具有破壞性電壓。因為過電壓無論發生電纜哪一端，都會反過來影響電纜的另一端，因此，如果要提供過電壓保護的話，則電路兩端均應有保護，這一點很重要。
若配電系統的接地比負荷側接地好，當變壓器二次側遭遇雷擊時，電流則會反過來經供電電纜而引入配電系統。因此，變壓器低壓側過電壓問題并非僅限于架空配電系統，在地下配電系統中也很普遍，雷電無需擊中電氣結構才可進入供電電纜。負荷側對地雷擊時，雷電流都可能尋找到人地路徑進入供電電纜。
4.5 配電線路避雷器配電線路因雷擊而引起的單相接地故障所占比例，配電網一般為中性點不接地系統，允許帶單相接地故障運行幾個小時，所以配電線路通常不需特意用避雷器加以保護。但如果因雷擊而引起的單相接地故障以及因此而引起的兩相短路過多、跳閘率過高時，可用避雷器加以保護。線路避雷器的安裝位置應選在線路的易擊段、易擊點和易擊相。
無間隙避雷器適當配合脫離器是必要的。當避雷器過負荷時，脫離器將線路用避雷器與線路隔離，其電氣特性通常有別于一般的配電網避雷器的脫離器，因為，當脫離器不脫離時，動作負載比較重，而且還必須保證在其脫離之后，絕不允許避雷器任何部件(在風中搖擺)對地閃絡。一方面地線必須足夠長，以允許避雷器因風力而擺動;另一方面，地線應盡可能短，以減少電流環和快波前過電壓下的電感壓降。
有外串間隙避雷器可以采用故障指示器。當避雷器過負荷時，故障指示器應有顏色鮮明的指示 。
線路避雷器電氣過負荷的風險率和隨后由于雷電的過度能量和電荷量引起的故障可能高于電站避雷器。原因是變電站有屏蔽，可以避免高幅值直擊雷。
4.6 避雷器故障模式
配電網避雷器功能失效或故障的原因主要有3個方面。
4.6.1 功能元件失效
功能元件失效主要是ZnO電阻片的失效[1 ，其表現有：在長期工作電壓下的老化、漏流增大、參考電壓降低以及過電壓特別是雷電過電壓下的閃絡或擊穿。雷電過電壓下的閃絡或擊穿是廣東地區配電網絡避雷器故障記錄中的原因。
4.6.2 密封失效
密封件/墊片隨著時間的推移可能會變得脆弱，導致水分浸入，引起而內部漏電起痕，介質擊穿和內部短路。密封失效是避雷器一直關注的問題。
4.6.3 避雷器安裝處污穢增大
空心筒式結構避雷器(瓷套式和復合外套A型)對污穢比較敏感，避雷器故障可能因污穢增大而引起，新的污染源可能是1個新工廠、公路或鐵路線。
5 結論
配電網避雷器對配電網的關鍵設備起著重要的保護作用，但由于其種類多、質量參差不齊、安裝方式多種多樣，造成其故障多，管理難度大。為此，分析與總結如下：
a)介紹了配電網避雷器的結構、分類、基本特性以及配電網避雷器安裝使用的一般原則和注意事項;
b)確定了選擇配電網避雷器的一般程序和性能要求;
c)提出配電網避雷器的使用要求及運行管理要求。
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