10 kV 阻容裝置與避雷器過電壓抑制能力試驗(yàn)與仿真分析

向纓竹，李欣，肖京，吳小忠，鄧化龍

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；3.湖南長高森源電力設(shè)備有限公司，湖南 衡陽 421007)

0 引言

過電壓吸收器(RC 裝置) 因?qū)Σ僮鬟^電壓和諧振過電壓有較強(qiáng)的抑制作用而得以在電網(wǎng)廣泛應(yīng)用，但在長期運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)了許多問題。例如某流域多個(gè)水電站曾發(fā)生10 kV 系統(tǒng)配置的過電壓吸收器爆炸事故，導(dǎo)致設(shè)備損壞、主變跳閘以及機(jī)組停運(yùn)等，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1－3]。調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，事故發(fā)生的直接原因是阻容裝置受潮后受到雷電過電壓的沖擊。

避雷器是站內(nèi)最常用的雷電過電壓保護(hù)設(shè)備之一，其防護(hù)原理和阻容裝置有本質(zhì)上的區(qū)別，但都可以達(dá)到限制各類過電壓的目的。長期運(yùn)行結(jié)果表明，利用避雷器抑制某些操作過電壓時(shí)(例如投切并聯(lián)電抗器所產(chǎn)生) 效果不佳。目前，對阻容裝置和避雷器抑制不同類型過電壓能力的對比，以及兩種保護(hù)裝置之間配合的相關(guān)研究尚不足。

針對上述問題，本文依據(jù)文獻(xiàn)[4－7] 設(shè)計(jì)相應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)和仿真模擬，對某10 kV 系統(tǒng)阻容裝置及避雷器的操作過電壓和雷電過電壓抑制能力進(jìn)行校核，以此開展開關(guān)柜過電壓吸收配置方案的研究。

1 RC 裝置與MOA 過電壓抑制原理分析

1.1 RC 裝置抑制過電壓原理

過電壓吸收器本質(zhì)為阻容串聯(lián)裝置，主要用于限制操作和諧振過電壓，圖1 是過電壓吸收器實(shí)物圖，圖2 是裝置等效電路圖。

圖1 過電壓吸收器實(shí)物

圖2 阻容裝置等效電路

阻容裝置通常并聯(lián)在開關(guān)柜出線端，當(dāng)線路中出現(xiàn)操作過電壓時(shí)，由于其電壓幅值高，而電容具有儲(chǔ)存電能的作用，因此開始對電容充電，并通過電阻消耗能量，從而達(dá)到降低過電壓幅值的目的。LC電路發(fā)生振蕩時(shí)頻率f ＝(1/2π)，電容C越大，頻率f越小。由于阻容裝置的電容值遠(yuǎn)大于開關(guān)柜控制的感性設(shè)備的對地電容值 (不超過50pF)，改變感性設(shè)備的電感和其對地電容發(fā)生振蕩的條件，感性元件相鄰匝間在過電壓時(shí)的電位差降低，從而改善感性設(shè)備的匝間絕緣。理論分析表明，R－C 過電壓吸收器能將操作過電壓水平抑制在2 倍以下[8]。

1.2 金屬氧化物避雷器(MOA) 抑制過電壓原理

MOA 主要是依靠氧化鋅閥片良好的非線性伏安特性來抑制過電壓[9]，圖3 是氧化鋅電阻片的伏安特性曲線圖，圖4 是MOA 的等效電路圖。

圖3 氧化鋅電阻片的伏安特性

圖4 避雷器等效電路

避雷器通常也是采取并聯(lián)的方式來進(jìn)行保護(hù)，一端接帶電導(dǎo)線，另一端接地。從氧化鋅電阻片的伏安特性曲線可以看出，MOA 在系統(tǒng)額定電壓下呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，泄漏電流為微安級，實(shí)際上相當(dāng)于一絕緣體，而當(dāng)系統(tǒng)電壓升至一定程度后，氧化鋅閥片的阻值急劇下降，能迅速釋放過電壓，此時(shí)MOA 被擊穿。氧化鋅電阻片的這種非線性特性與其晶界層密切相關(guān)，當(dāng)層間電位梯度達(dá)到104～105V/cm時(shí)，其電阻率會(huì)大幅下降進(jìn)入低阻狀態(tài)。晶界層的介電常數(shù)較大，體現(xiàn)為氧化鋅閥片具有較大的固有電容，因此等效電路圖中的R為非線性電阻，C為晶介電容。

1.3 過電壓抑制影響因素分析

從上述抑制過電壓原理可知，阻容裝置是通過吸收消耗過電壓的能量達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的，避雷器則以快速釋放過電壓能量以限制其幅值，兩者原理的不同決定其保護(hù)效果存在一定差異，且影響其效果的因素也有所不同。

10 kV 系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的操作過電壓和雷電過電壓的波形特征具有較大的區(qū)別，兩種保護(hù)設(shè)備在長期運(yùn)行中均暴露出一些限制不同類型過電壓時(shí)的不足。

在選用避雷器時(shí)，其電壓參數(shù)不能過低，否則可能導(dǎo)致MOA 在運(yùn)行中損壞，這主要與直流參考電壓(U1mA) 和額定電壓(Ur) 有關(guān)，但電壓值過高的MOA 動(dòng)作相對困難。除選擇適當(dāng)?shù)碾妷簠?shù)外，還需考慮避雷器的吸收能量，等同于受MOA 保護(hù)的設(shè)備從暫時(shí)過電壓峰值降到MOA 特性曲線拐點(diǎn)時(shí)釋放的能量，可由式 (1) 計(jì)算得到[10]:

式中，W為MOA 吸收能量，kJ；C為被保護(hù)設(shè)備的電容值，mF；k為 MOA的過電壓保護(hù)水平，p.u.。

在評估MOA 的過電壓吸收效果時(shí)，通常還會(huì)關(guān)注其殘壓和泄漏電流，殘壓和沖擊放電電壓決定MOA 的保護(hù)水平，泄漏電流反應(yīng)MOA 的運(yùn)行狀態(tài)。

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)操作過電壓時(shí)，氧化鋅避雷器存在的問題包括:①較小的絕緣裕度令其在保護(hù)相間絕緣時(shí)效果有限；②操作過電壓的振蕩頻率高，MOA 對此無效果；③過電壓波頭時(shí)間越短，MOA 的殘壓越高，保護(hù)可能失效。

當(dāng)線路中出現(xiàn)雷電過電壓時(shí)，阻容裝置存在以下問題。

1) 電容器容量限制

一般10 kV 阻容裝置的R、C值為100 Ω 和0.1 μF，電容器的短時(shí)耐受電壓為30 kV，則其最大容量Qmax為:

對小于30 kV 的操作過電壓可滿足Q

2) 電阻熱容限制

當(dāng)發(fā)生雷電過電壓時(shí)，雷電流會(huì)通過過電壓吸收器泄放，由于其等效頻率較高，阻抗較小，此時(shí)的雷電流較大，在電阻R上產(chǎn)生較高的熱量:

若電阻R的熱容不足，則可能導(dǎo)致電阻發(fā)生熱崩潰，甚至引起爆炸。

因此，對阻容裝置和避雷器在操作過電壓和雷電過電壓下的特性進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)和仿真分析，將兩者的過電壓抑制能力進(jìn)行全方位的比較，以解決上述存在的問題。

2 RC 裝置與MOA 抑制操作過電壓試驗(yàn)分析

投切并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過電壓主要包含截流過電壓和多次重燃過電壓，前者的生成是由于流過弧隙的電流突然被截?cái)?，后者則是因弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向電抗器側(cè)的電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生[11]。此種操作過電壓經(jīng)常引發(fā)絕緣事故，甚至?xí)?dǎo)致真空斷路器重?fù)舸瑢Υ舜蠖嘧冸娬緝H利用MOA 來進(jìn)行防護(hù)，但因其操作沖擊殘壓過大而無法有效抑制[12]。為驗(yàn)證RC 阻容裝置和MOA 避雷器的操作過電壓抑制能力，在某變電站進(jìn)行針對性現(xiàn)場模擬試驗(yàn)。

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)原理

試驗(yàn)變電站曾發(fā)生過利用318 斷路器切電抗器而引起320 開關(guān)柜內(nèi)絕緣薄弱處放電擊穿，并最終跳開2 號(hào)主變壓器的事故。此次試驗(yàn)主要針對該站更換后的320 開關(guān)柜設(shè)計(jì)了無保護(hù)設(shè)備、僅加裝MOA、僅加裝RC 三種保護(hù)配置方案進(jìn)行切除電抗器試驗(yàn)，以驗(yàn)證過電壓水平是否可以抑制在合理的水平范圍之內(nèi)，試驗(yàn)接線如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)接線方式

將該站2 號(hào)主變壓器所連10 kV 母線上所有負(fù)載全部退出運(yùn)行后，在并聯(lián)電抗器與318 斷路器連接線路上實(shí)施三種過電壓防護(hù)配置方案(無保護(hù)設(shè)備、僅加裝MOA、僅加裝RC)，針對每種配置利用318 斷路器切除1L 間隔電抗器(10.5 kV/10 MVA) 各10 次，用示波器采集電抗器側(cè)(318間隔) 和母線側(cè)(320 間隔) 過電壓波形并記錄測量過電壓數(shù)值，每次操作間隔為5 min。

試驗(yàn)所用避雷器為普通10 kV 開關(guān)柜配置的氧化鋅避雷器；阻容裝置的電容按截流過電壓不超過2.5 倍、過電壓振蕩頻率不超過1 000 Hz 來選擇:對于1L 并聯(lián)電抗器選電容C＝0.10 μF；并要求阻容裝置的電阻能滿足限制電容器的合閘涌流且不超過電容器額定電流的20 倍；對于C＝0.10 μF 電容器，選取電阻R＝100 Ω。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中真空斷路器切電抗器的典型過電壓波形如圖6 所示，圖中從上至下依次為母線側(cè)A、B、C 三相波形及電抗器側(cè)A、B、C 三相波形，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1—3。

圖6 真空斷路器切電抗器典型波形

表1 真空斷路器切除電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)(不含RC 裝置和MOA)p.u.

從圖6 (a) 可以看出，在未配置過電壓防護(hù)裝置時(shí)，切除電抗器后的各相均出現(xiàn)了截流過電壓和多次重燃過電壓，截流時(shí)觸頭間隙的振動(dòng)頻率范圍為3～10 kHz，截流后的振動(dòng)頻率約為1.4 kHz，但母線側(cè)受到的影響較電抗器側(cè)相對較小。將圖6 (b)、圖6 (c) 與圖6 (a) 進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，對比無任何保護(hù)設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的過電壓波形，配置RC 裝置后系統(tǒng)中切電抗器產(chǎn)生的過電壓頻率明顯下降，MOA 則對于過電壓頻率沒有明顯影響，但幅值有所降低。

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，在不加裝MOA 和RC裝置的情況下，利用318 斷路器切除電抗器間隔的試驗(yàn)過程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過電壓為4.29 p.u.，發(fā)生在第一次切電抗器試驗(yàn)時(shí)的A 相，母線側(cè)產(chǎn)生的最大過電壓為3.23 p.u.，發(fā)生在第六次切電抗器試驗(yàn)時(shí)的A 相。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，在僅加裝RC 裝置的情況下，利用318 斷路器切除電抗器間隔的試驗(yàn)過程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過電壓為1.27 p.u.，母線側(cè)最大過電壓為2.20 p.u.，均發(fā)生在第四次試驗(yàn)時(shí)，分別為A 相和C 相。

表2 真空斷路器切除電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)(含RC 裝置)p.u.

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，在僅加裝MOA 的情況下，利用318 斷路器切除電抗器間隔的試驗(yàn)過程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過電壓為3.95 p.u.，母線側(cè)最大過電壓為2.88 p.u.，均發(fā)生在第八次切電抗器試驗(yàn)時(shí)，分別為C 相和A 相。

表3 真空斷路器切除電抗器試驗(yàn)數(shù)據(jù)(含MOA) p.u.

結(jié)合表1—3 中的數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

1) 試驗(yàn)過程中還發(fā)現(xiàn)投電抗器時(shí)出現(xiàn)合閘過電壓的概率極低，通常與斷路器的彈跳時(shí)間有關(guān)；切電抗器則更易產(chǎn)生操作過電壓，且數(shù)值具有較大分散性。利用318 斷路器進(jìn)行投切試驗(yàn)時(shí)，最高倍數(shù)過電壓可能出現(xiàn)在電抗器側(cè)，也可能出現(xiàn)在母線側(cè)，有一定隨機(jī)性；但用320 斷路器進(jìn)行操作時(shí)，均是母線側(cè)產(chǎn)生更高的過電壓。

2) 橫向比較不同過電壓防護(hù)配置下的試驗(yàn)結(jié)果，可以明顯看出加裝RC 裝置過電壓吸收器后318 電抗器側(cè)和母線側(cè)的過電壓均得到了很好地吸收抑制，切電抗器時(shí)的操作過電壓水平基本被限制在2 倍以下；加裝避雷器后相較無防護(hù)配置的系統(tǒng)，投切試驗(yàn)產(chǎn)生的過電壓倍數(shù)也有所降低，但系統(tǒng)中仍出現(xiàn)了3 倍以上的操作過電壓，整體防護(hù)效果明顯弱于過電壓吸收器。

3 RC 裝置與MOA 抑制雷電過電壓仿真分析

3.1 仿真模型搭建

為比較RC 阻容裝置和MOA 抑制雷電過電壓的效果，利用ATP 電磁暫態(tài)仿真軟件，模擬雷電侵入變電站，分析RC 裝置和MOA 的防雷效果。

3.1.1 雷電流模型

雷電流采用雙指數(shù)波模擬，雙指數(shù)表達(dá)式為:

常數(shù)α和β的大小，可由閃電的三個(gè)特性推導(dǎo)得到，包括沿先導(dǎo)通道的電荷密度、回?fù)羲俣纫约盎負(fù)暨^程中先導(dǎo)電荷的復(fù)合率。圖7 所示為雙指數(shù)等值波形，由兩個(gè)衰減速度不同的指數(shù)函數(shù)合成，對于常用的雷電流波形，一般有β?α。雷電流幅值、波頭時(shí)間均按規(guī)程規(guī)定處理，設(shè)波型為2.6/50 μs、負(fù)極性，幅值可以取不同的值。

圖7 雷電流雙指數(shù)等值波形

3.1.2 輸電線路模型

輸電線路采用參數(shù)隨頻率變化的LCC 三相Jmarti 模型，其參數(shù)為隨頻率變化的架空線模型，對站外的輸電線路可采用JMARTI 或者SEMLYEN頻率特性架空線模型[13]。

3.1.3 避雷器模型

MOA 是一種高度非線性的電阻，因而可采用非線性電阻來模擬，其非線性特性采用分段線性函數(shù)模型來模擬。

3.1.4 桿塔模型

桿塔模型根據(jù)桿塔的結(jié)構(gòu)而定，每一段均用波阻表示，由于鐵塔不同部位的波阻抗的值不一，雷擊的假設(shè)、線路的模型都比較粗略，可假設(shè)各部分的波阻抗均相等。

3.1.5 發(fā)電機(jī)、變壓器等電氣設(shè)備的模型

雷電侵入波等值頻率較高，維持時(shí)間很短，通常10 μs 左右即可算出最大過電壓幅值。因此變電站設(shè)備如變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等，在雷電波作用下，均可等值成沖擊入口電容。

根據(jù)以上模型，搭建了不裝設(shè)RC 裝置和MOA、僅裝設(shè)RC 裝置、僅裝設(shè)MOA、裝設(shè)RC 裝置和MOA 四種仿真電路模型，其中同時(shí)裝設(shè)兩種保護(hù)設(shè)備的模型如圖8 所示。

圖8 雷電過電壓仿真示意圖(含RC 裝置和MOA)

3.2 仿真結(jié)果及分析

為對比RC 裝置和MOA 的雷電防護(hù)效果，依據(jù)上述等效模型，分別計(jì)算不裝設(shè)RC 裝置和MOA、僅裝設(shè)RC 裝置、僅裝設(shè)MOA、裝設(shè)RC 裝置和MOA 四種不同配置條件下的雷電過電壓波形、幅值、頻率響應(yīng)情況，仿真波形結(jié)果如圖9 所示。其中，設(shè)定RC 裝置中R值為100 Ω，C值為0.1 μF。

圖9 不同配置條件下的仿真波形

為詳細(xì)對比分析RC 裝置和MOA 的雷電防護(hù)效果，對仿真計(jì)算波形進(jìn)行幅值和陡度細(xì)節(jié)分析。RC 裝置和MOA 不同配置情況下的波形細(xì)節(jié)對比如圖10—12 所示。

圖10 加裝RC 裝置和MOA 前后的過電壓波形

由圖10 可知，裝設(shè)RC 裝置或裝設(shè)MOA 對雷電過電壓都具有明顯的抑制作用，其中阻容裝置可以顯著降低過電壓波形的陡度，MOA 則可以顯著降低過電壓波形的幅值。從圖11 的波形對比圖則可以更明顯地看出，加裝RC 裝置后的過電壓波形更為平滑，同現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果吻合，這是0.1 μF 電容的濾波作用，可以有效濾除信號(hào)的高頻成分，降低過電壓的上升陡度。而加裝MOA 后的雷電過電壓中仍含有大量高頻成分，因MOA 為非線性電阻，具有壓敏特性，其主要功能為降低過電壓幅值而不具備濾波作用，因此波形的高頻成分無變化。

圖11 單獨(dú)加裝RC 裝置或MOA 的過電壓波形對比

從圖12 還可以看出，若將RC 裝置和MOA 配合使用，比僅裝設(shè)一種的效果更好。系統(tǒng)中接入過電壓保護(hù)器后，電容使得回路振蕩頻率降低，阻尼電阻令幅值快速衰減，加上避雷器在過電壓下的低阻泄流削幅作用，可以有效降低絕緣擊穿概率。這種保護(hù)配置將RC 裝置和MOA 的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來，能對雷電過電壓產(chǎn)生更強(qiáng)的抑制作用，見表4。

圖12 四種配置條件下的波形對比

表4 不同配置下的雷電過電壓抑制情況

4 結(jié)論

1) RC 阻容裝置對于操作過電壓的吸收抑制能力優(yōu)異，切除電抗器時(shí)電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過電壓倍數(shù)僅為1.27 p.u.；對于雷電過電壓則有明顯的濾波功能，且仿真結(jié)果顯示過電壓幅值未超過30 kV 電容器短時(shí)耐受電壓限值，不足以使RC 發(fā)生爆炸。

2) MOA 對于操作過電壓的抑制能力弱于阻容裝置，試驗(yàn)產(chǎn)生的最大過電壓倍數(shù)為3.95 p.u.；其對于雷電過電壓則有更明顯的限壓功能，計(jì)算結(jié)果最大值為16.7 kV。此外，MOA 不具備濾波作用，過電壓頻率未發(fā)生變化。

3) RC 阻容裝置能有效降低波形陡度，但限制過電壓幅值的能力稍弱；相反MOA 主要用于限制過電壓幅值，降低波形陡度的能力有限。若將RC 裝置和MOA 配合使用，則能同時(shí)降低過電壓波形的幅值和陡度，達(dá)到優(yōu)化絕緣配置的目的。