ITER PPEN變電站400 kV避雷器的設(shè)計(jì)及短路性能的分析

江加福，黃懿贇，劉曉艷，李國(guó)勝，任文獻(xiàn)，沈洪如

（1.中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所，合肥230031；2.西門子避雷器（無(wú)錫）有限公司，江蘇無(wú)錫214028）

0 引言

ITER計(jì)劃是由七個(gè)國(guó)家和組織參加的全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國(guó)際科研合作項(xiàng)目之一，也是迤今為止我國(guó)參加的最大國(guó)際合作項(xiàng)目。項(xiàng)目計(jì)劃到21世紀(jì)20年代在法國(guó)南部建立一個(gè)磁約束核聚變裝置，首次建造可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模聚變反應(yīng)的聚變實(shí)驗(yàn)堆，因此備受各國(guó)政府與科技界的高度重視和支持。

ITER裝置中PPEN變電站采用400 kV雙回路進(jìn)線，為了保證電網(wǎng)側(cè)設(shè)備的安全運(yùn)行，抑制網(wǎng)側(cè)過(guò)電壓，在400 kV側(cè)安裝金屬氧化物避雷器。避雷器作為一種電力系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備，設(shè)計(jì)時(shí)既要確保被保護(hù)設(shè)備的安全，也要保證避雷器自身能安全運(yùn)行，基于這個(gè)原則，筆者對(duì)避雷器的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。另外，避雷器的短路試驗(yàn)是驗(yàn)證避雷器安全性能的一項(xiàng)重要的試驗(yàn)，本文也對(duì)該試驗(yàn)要求進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并通過(guò)具體的試驗(yàn)對(duì)避雷器該項(xiàng)性能進(jìn)行了驗(yàn)證[1-5]。

1 400 kV避雷器的設(shè)計(jì)

避雷器作為一種保護(hù)設(shè)備，它的參數(shù)和變電站的接地方式、電力系統(tǒng)的設(shè)備絕緣直接相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)避雷器時(shí)首先要考慮這些參數(shù)的影響。

1.1 電網(wǎng)電氣特性

作為ITER裝置供電電站，400 kV的進(jìn)線電站主要電氣參數(shù)見表1。

表1 ITER脈沖變電站電網(wǎng)側(cè)主要電氣參數(shù)Table 1 The main electrical parameters of PPEN of ITER

由表1可知，近期系統(tǒng)400 kV側(cè)直接通過(guò)電阻接地，為有效接地系統(tǒng)，遠(yuǎn)期雖然通過(guò)電抗接地，只要將系統(tǒng)的阻抗比控制到一定的范圍，該系統(tǒng)仍可視為有效接地系統(tǒng)，因此避雷器的荷電率可以選0.75以上。

表1中給出了系統(tǒng)絕緣的相關(guān)電壓，其中操作沖擊電壓和雷電沖擊電壓合500 kV電壓等級(jí)要求相同，而1min工頻耐受電壓比500 kV電壓要求低很多，因此在設(shè)計(jì)避雷器相關(guān)絕緣參數(shù)時(shí)，需要根據(jù)400 kV電壓等級(jí)自己的絕緣要求選擇合適的參數(shù)，然而，對(duì)于國(guó)內(nèi)企業(yè)來(lái)說(shuō)，由于無(wú)400 kV設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此可適當(dāng)借鑒500 kV電壓等級(jí)來(lái)進(jìn)行避雷器參數(shù)設(shè)計(jì)。

1.2 避雷器選型設(shè)計(jì)

對(duì)于該電壓等級(jí)的避雷器，可選擇GIS型和瓷套型，400 kV等級(jí)瓷套型避雷器已經(jīng)有較長(zhǎng)的使用經(jīng)驗(yàn)[6-8]，技術(shù)成熟，性價(jià)比高，因此對(duì)于ITER PPEN變電站，選用瓷套型避雷器。

避雷器是重要的過(guò)電壓保護(hù)裝置，在設(shè)計(jì)時(shí)要注意選擇合理的電氣參數(shù)，需要兼顧系統(tǒng)的保護(hù)水平和避雷器自身的保護(hù)特性，否則，在運(yùn)行中會(huì)發(fā)生各類問題，導(dǎo)致被保護(hù)設(shè)備損壞或避雷器爆炸等事故的發(fā)生。

避雷器重要的參數(shù)包括額定電壓、持續(xù)運(yùn)行電壓、直流1 mA參考電壓和沖擊電流的殘壓等，同時(shí)要注意荷電率和壓比的選擇等。

1.2.1 額定電壓

避雷器的額定電壓是施加在避雷器兩端的最大允許工頻電壓的有效值，它由避雷器暫時(shí)過(guò)電壓來(lái)確定，對(duì)于400 kV電壓系統(tǒng)，它能耐受暫時(shí)過(guò)電壓值為

查閱相關(guān)的電力工程師手冊(cè)，對(duì)于500 kV電力系統(tǒng)，最低額定電壓為420 kV，因此對(duì)于400 kV電壓系統(tǒng)，若避雷器額定電壓超過(guò)該值，則避雷器保護(hù)性能降低。結(jié)合該值和式（1）的要求，該避雷器的額定電壓取Ur=378 kV。

1.2.2 持續(xù)運(yùn)行電壓

持續(xù)運(yùn)行電壓是運(yùn)行中持續(xù)施加在避雷器上最大工頻電壓有效值，該值一般不小于0.8Ur，即

1.2.3 直流1 mA參考電壓

該電壓位于氧化鋅電阻片伏安曲線由小電流區(qū)進(jìn)入大電流區(qū)平坦部分的轉(zhuǎn)折處，避雷器此時(shí)進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)以限制過(guò)電壓，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)[9]

考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ?，該避雷器的直流參考電壓?/p>

1.2.4 荷電率與其他

根據(jù)公式

荷電率大于0.75，滿足氧化鋅電阻片老化的要求。

根據(jù)絕緣設(shè)計(jì)要求，電氣設(shè)備的額定雷電沖擊電壓與避雷器標(biāo)稱放電電流下的殘壓比不得小于1.4，根據(jù)此值和表1的關(guān)于額定雷電沖擊電壓的規(guī)定，可得該避雷器的雷電沖擊電流下的最大殘壓為

參考500 kV電壓等級(jí)避雷器的殘壓的設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)中避雷器的殘壓可取

而避雷器的壓比是避雷器標(biāo)稱放電電流下的殘壓與直流1 mA參考電壓比值，根據(jù)上式和式（4）的值可得該避雷器的壓比為為1.89，而我國(guó)制造經(jīng)驗(yàn)規(guī)定330 kV～500 kV的壓比一般小于1.7，因此該設(shè)計(jì)的壓比較高，避雷器的殘壓和系統(tǒng)的絕緣要求也較高，在避雷器的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中要引起注意。

根據(jù)以上分析，得到PPEN變電站400 kV避雷器的主要參數(shù)見表2。

表2 ITER PPEN 400kV避雷器主要參數(shù)Table 2 The main parameters of 400 kV surge arrester of ITER PPEN

2 400 kV避雷器短路性能的分析和驗(yàn)證

第1節(jié)已經(jīng)對(duì)400 kV避雷器參數(shù)進(jìn)行了分析和計(jì)算，避雷器作為一種保護(hù)設(shè)備，發(fā)生短路故障后，不能影響其他設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的安全。避雷器的短路試驗(yàn)又稱壓力釋放試驗(yàn)，是為了驗(yàn)證避雷器在短路狀態(tài)下壓力釋放能力[9-15]。

氧化鋅避雷器的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60099-4規(guī)定：試驗(yàn)依據(jù)制造廠提供的短路電流值進(jìn)行，試驗(yàn)應(yīng)表明避雷器的故障不會(huì)導(dǎo)致劇烈的炸開，并且在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)使發(fā)生的明火（如果有）自動(dòng)熄滅，則該避雷器通過(guò)了短路試驗(yàn)。

2.1 短路試驗(yàn)要求

為了能夠正確地驗(yàn)證避雷器壓力釋放能力，對(duì)短路試驗(yàn)提出了一定的要求。

IEC60094-1和國(guó)標(biāo)首先對(duì)試驗(yàn)電流的值和持續(xù)時(shí)間作出規(guī)定，在大電流試驗(yàn)中，通過(guò)避雷器短路電流的第一個(gè)峰值應(yīng)達(dá)到要求的有效值的1.7～2.5倍，通過(guò)短路電流的時(shí)間要達(dá)到0.2 s。

為了實(shí)現(xiàn)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，需要對(duì)試驗(yàn)回路的空載電壓提出了一定的要求，若空載電壓太低，雖然內(nèi)部經(jīng)過(guò)熔絲短路并產(chǎn)生電弧，但電弧很快熄滅，避雷器短路性能并沒有得到有效的驗(yàn)證。

2.2 短路試驗(yàn)分析

該400 kV避雷器制造單位為西門子避雷器（無(wú)錫）有限公司，短路試驗(yàn)在德國(guó)曼海姆的PEHLA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

避雷器短路試驗(yàn)的電路圖見圖1。

圖1 避雷器短路試驗(yàn)電路圖Fig.1 The circuit diagram of short-circuit test of surge arrester

圖中TO為測(cè)試對(duì)象，為了得到測(cè)試電流值，在正式測(cè)試前，需要將試品短接，進(jìn)行調(diào)波，試驗(yàn)具體電路參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)見表3。

表3 400 kV避雷器測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of 400 kV surge arrester

測(cè)試序號(hào)7為調(diào)波參數(shù)，測(cè)試序號(hào)8為測(cè)試參數(shù)，實(shí)測(cè)的短路電流的有效值為66.7 kA，持續(xù)時(shí)間為0.2 s，滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)第一個(gè)峰值的要求，相應(yīng)的測(cè)試波形見圖2，圖中分別得到測(cè)試避雷器的短路電流和兩端的電壓，該圖標(biāo)明測(cè)試電流是連續(xù)的，電弧沒有出現(xiàn)熄滅。

圖2 避雷器測(cè)試電壓和電流波形Fig.2 Test waveform of voltage and current of surge arrester

圖3為測(cè)試前后避雷器圖片，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)劇烈炸開，由此圖可知，避雷器通過(guò)了電流為65 kA大電流短路試驗(yàn)。

圖3 避雷器大電流測(cè)試前后實(shí)物圖Fig.3 Test object before and after high-current short-circuit test at 65 kA

根據(jù)IEC-60099-4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該避雷器還必須通過(guò)電流為25 kA和12 kA大電流測(cè)試 以及電流為0.6 kA小電流測(cè)試，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)報(bào)告表明該避雷器也通過(guò)了以上3種試驗(yàn)。

由以上4種試驗(yàn)結(jié)果可知，西門子公司制造的400 kV氧化鋅避雷器通過(guò)了短路試驗(yàn)，壓力釋放試驗(yàn)?zāi)芰细瘛?/p>

3 結(jié)論

對(duì)出口法國(guó)的400 kV避雷器參數(shù)和短路試驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究，結(jié)果如下：

1）避雷器作為一種電力系統(tǒng)的過(guò)電壓的保護(hù)器件，它的參數(shù)的選擇要兼顧系統(tǒng)過(guò)電壓的保護(hù)水平和避雷器自身的保護(hù)能力。

2）我國(guó)電力系統(tǒng)制造企業(yè)關(guān)于400 kV電壓等級(jí)避雷器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足，在具體的設(shè)計(jì)中可結(jié)合500 kV避雷器成熟的經(jīng)驗(yàn)和400 kV自身特征來(lái)綜合設(shè)計(jì)。

3）避雷器作為一種保護(hù)設(shè)備，它發(fā)生故障時(shí)不會(huì)造成其它設(shè)備損壞和影響人身的安全，短路試驗(yàn)就是驗(yàn)證這項(xiàng)能力的重要試驗(yàn)。

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