防雷保护技术的重大改革.pdf

中煤设计集团重庆设计研究院龙世清 摘要本文叙述高压电力装置的防雷保护技术现状，它有防雷保护功能不完全和性能 不完善等重大缺点或隐患。其次对各种防雷器件的性能特点进行了比较，得知串联间隙氧化 锌避雷器是当代最先进防雷电器。最后指出防雷保护技术的重大改革在于推广使用串联间隙 氧化锌避雷器、满足提高防雷技术水平的八条要求和旧防雷器件更新换代对策。 关键词防雷保护技术完全的防雷功能雷电陡波碳化硅避雷器串联间隙氧化锌 避雷器 l 防雷保护技术现状 我国3 ～3 5 k V 高压电力装置的防雷保护均按 照现行过电压保护规范G B J ㈣3 和电力行业标 准D I 仃铲1 9 9 r 7 以下简称规范和标准 设防。 规范和标准的防雷保护技术体现为“对各种防雷 器件，不分优劣，兼容并用，而以使用碳化硅避雷 器为主”。这种防雷技术由于使用了原始的、落后 的防雷器件，它的防雷保护模式和技术水平是较 落后的，其防雷技术政策已是过时的，它有防雷保 护功能不完全、性能不完善等严重缺点和隐患。 现就高压电力装置防雷保护一些实际问题来说明 其技术现状 1 在送、配电线路上装设的保护间隙或管型 避雷器都是最原始落后的防雷器件，这两种器件 在过电压动作间隙击穿后，保护回路再也没有限 流元件，其结果造成电力网直接接地短路 单相、 两相或三相短路均可能 。防雷器件的保护作用 增多电力网的短路故障，影响电力网的安全运行。 2 防雷保护使用最多的是碳化硅避雷器，按 灭弧和切断工频续流要求，间隙需由几十个甚至 上百个小间隙串联组成，其保护动作时间 全部间 隙击穿 有延时积累效应，即产品样本所列预放电 时间1 ．5 ～2 0 坶 延时 ，远大于雷电陡波头 1 脚 ， 对陡波响应太迟缓，故无雷电陡波保护功能只有 雷电幅值保护功能，雷电幅值和雷电陡波都可能 损坏电气设备，雷电幅值故障形式为设备相对地 或相对相绝缘击穿，雷电陡波对感性设备故障形 式为匝间绝缘击穿。如某矿6 k V 变电亭，雷击变 压器损坏．经检查聆型避雷器的放电记录器未动 作，变压器匝间击穿，这是典型雷电陡波故障。碳 化硅避雷器的防雷保护功能不完全，对雷电陡波 有失防护。 3 碳化硅避雷器每次保护动作，不仅泄放过 电压能量，还泄放工频续流，动作负载重，经计算 每次保护动作泄放雷电流为0 ．0 4 ～0 ．c r 7 C 电荷 量，工频续流为O ．5 2 ．5 C 电荷量，后者与前者相 比较，一般为1 1 ～1 7 倍，最大达5 1 倍。工频续流 不仅浪费工频能源，也影响避雷器的使用寿命。 4 碳化硅避雷器保护动作负载重常使部分 间隙烧毛烧损，另外瓷套外壳脏污潮湿也会影响 内间隙电容分布，都可能使部分间隙失效而降低 冲击放电电压 保护动作区起始电压 值，即动作 特性稳定性差。如果动作特性稳定性太差会导致 避雷器遭受暂态过电压危害，甚至爆炸损坏。 5 碳化硅避雷器因切断续流的时耗最大达 1 0 0 0 0 坤，一次保护循环时间要远大于1 娜才 能恢复到可进行再次动作能力，而有时连续两次 雷电入侵波间隔时间仅数百坤至数千胆，因此碳 化硅避雷器没有连续雷电冲击耐受能力。 6 碳化硅避雷器缺乏运行监察手段，失效避 雷器不能随时发现剔除，有可能长时带病运行，甚 至扩大成严重的设备事故和停电事故。 2 各种防雷器件的比较 2 ．1 避雷器的伏安特性 碳化硅避雷器的间隙为由多个小间隙串联组 成，这种间隙结构形式带来一些缺点和弊病，如没 万方数据 1 8 煤芷遮盐巡 生筮鱼期 有雷电陡波保护功能，没有连续雷电冲击耐受能 力，动作特性稳定差可能遭受暂态过电压危害，动 作负载重使用寿命短等；无间隙氧化锌避雷器因 其拐点电压 即参考电压U ，m A 较低，有暂态过电 压承受能力差，爆炸损坏率高和寿命短等弊病。 串联间隙氧化锌避雷器既有间隙，又使用加阀 片，它的使用是否是前述两种避雷器的缺点和弊 病累加呢 这正是不少人所担心而不敢使用串联 间隙氧化锌避雷器的重要原因，要解决和认识这 个问题，可从考察研究避雷器的伏安特性曲线人 手，见图1 L I U 图l 避霄器伏安特性曲线 对图1 的说明 1 碳化硅避雷器的伏安特性 曲线为旷S ，一s 2 一S 3 一S 4 一s Y ；无间隙氧化锌避 雷器的伏安特性曲线为驴一Y 1 一Y 2 一C 2 一s 4 一 S Y ；串联间隙氧化锌避雷器的伏安特性曲线为 O Y 。一C ，一Q S 4 一s Y 。 2 三种避雷器的残压 限压保护区段 相同，因都是按国标规定决定参 数值的。 3 串联间隙氧化锌避雷器的间隙结构 不同于碳化硅避雷器，它不依靠间隙灭弧和切断 续流 因加阀片关系而无续流 ，因此间隙数量 特少，过电压下间隙无时延击穿，图1 中C 。一C 2 线段为垂直线，同时因隙距大动作特性稳定，故它 可避免碳化硅避雷器间隙带来的一切缺点和弊 病。 4 无间隙氧化锌避雷器的保护死区为旷 Y ，一Y 2 段，串联间隙氧化锌避雷器的保护死区为 驴一Y I C ，段，见图1 ，保护死区后者比前者大，后 者已将全部暂态过电压限定在保护死区内，同时 间隙动作特性稳定，可使避雷器免受暂态过电压 危害，故串联间隙氧化锌避雷器可避免无间隙氧 化锌避雷器因拐点电压较低带来一切弊病。 串联间隙氧化锌避雷器避免或克服了碳化硅 避雷器和无间隙氧化锌避雷器的一切固有缺点弊 病，而保留了它们保护性能优点，实是当代最先进 的过电压保护电器。 2 ．2 两种避雷器的具体对比 碳化硅避雷器是规范和标准规定使用的主要 防雷器件。串联间隙氧化锌避雷器是当代最先进 的过电压保护电器，为了充分理解和认识它的性 能特点，具体对比这两种避雷器，见表1 。 2 ．3串联间隙氧化锌避雷器的扬长避短作用 串联间隙氧化锌避雷器与其它防雷器件相比 较，有以下特点 2 ．3 ．1 保护间隙、管型避雷器有雷电陡波和雷电 幅值保护功能的优点；同时有保护作用伴随产生 接地短路电流，增多电力网短路故障，影响其安全 运行的缺点。串联间隙氧化锌避雷器有其优点而 无其缺点。 2 ．3 ．2 碳化硅避雷器有雷电幅值保护功能和暂 态过电压承受能力强的优点；同时对雷电陡波无 保护功能，续流大，动作负载重，间隙易烧毛烧损， 动作特性稳定性差，仍可能遭受暂态过电压危害 及寿命短等缺点。串联间隙氧化锌避雷器有其优 点而无其缺点。 2 ．3 ．3 无间隙氧化锌避雷器有雷电陡波、雷电幅 值、操作过电压保护功能，对任何波形过电压响应 迅速，动作无续流等优点；同时有暂态过电压承受 能力差，运行中爆炸损坏率高，使用寿命短等缺 点。串联间隙氧化锌避雷器有其优点而无其缺 点。 串联间隙氧化锌避雷器具有以上这些扬长避 短作用，使其具有非凡生命力，成为当代最先进的 过电压保护电器。 3 防雷保护技术的重大改革 3 ．1 新的防雷保护技术 新的防雷保护技术应体现“在各种防雷器件 中，推广先进，淘汰落后，而以使用串联间隙氧化 锌避雷器为主”。防雷保护技术改革的核心问题 是推广先进，即推广使用串联间隙氧化锌避雷器。 只有推广先进才能①将不分优劣各种防雷器件 混用的防雷模式，改变为使用先进地防雷电器的 防雷保护模式；②提高防雷保护技术水平，改变防 雷保护功能不完全，性能不完善，带有严重缺陷或 隐患的技术落后状况；③将各种防雷器件“不分优 劣，兼容并用”的防雷技术政策，改为“推广先进， 淘汰落后”，并有高科技含量，现代化及实践指导 意义的最新防雷技术政策。 万方数据 迎 生筮鱼期崖贮遮盐 窆 表l两种避雷器的具体对比 类别碳化硅避雷器串联间隙氧化锌避雷器 碳化硅避雷器的额定电压等于其灭弧电压，两种避雷器的额定电压均符合国标G B l l 0 3 2 。 间隙的工频放电电压值均按国标G 所3 2 7 规定，两种避雷器相同。 按灭弧及断续流要求，间隙由几十至上百个小间隙串 间隙不考虑灭弧及断续流要求，数量特少，1 0 k v 及以 联组成。下只一个，3 5 k v 仅三个间隙串联。 间隙击穿有积累延时，无雷电陡波保护功能，只有雷电间隙击穿无延时，一般均有雷电陡波及雷电幅值保护 幅值保护功能。防雷功能不完全。 功能，即有完全的防雷功能。 间 操作波冲击放电电压值高，与被保护设备不能满足绝当采用电阻复合间隙时，可降低操作波冲击放电电压 缘配合，没有操作过电压保护功能。值，具有操作过电压保护功能。 隙 每次保护动作除泄放雷电流外，还泄放工频续流，动作 负载重。 保护动作只泄放雷电流，动作负载轻。 作 动作负载重，动作特性稳定差，避雷器易受暂态过电压 间隙隙距大，动作负载轻，动作特性稳定，避雷器可免 用 危害，爆炸损坏。受暂态过电压危害。 切断续流时耗长，没有连续雷电冲击耐受能力。无续流，具有连续雷电冲击耐受能力。 间隙可保证阀片只在保护动作过程承受高电压，其它 动作负载重，使用寿命短，一般为7 ．1 0 年。情况阀片对电网处于隔离或低电位状态，使用寿命可 达2 0 年以上。 间隙和阕片组合泄漏电流为1 ～1 0 0 幽，实际大多均小 间隙和阀片组合泄漏电流为2 0 0 ～4 0 0 心。 于1 0 越。 阀片的通流能力符合G B l l 0 3 2 规定，两者相同。 S i C 阀片单位通流容量小，因此避雷器外形尺寸大，尤加阀片单位通流容量大，为S i C 阀片的4 倍，避雷器 以3 5 k V 最显著。 可小型化、轻量化。 阀 只有雷电幅值保护功能，残压符合G B l l 0 3 2 。有完全的防雷功能，残压符合G B l l 0 3 2 。 片 在不降低承载能力参数值条件下，可适当降低残压，增 特 进一步降低残压困难，因受间隙结构限制。 大保护裕度。 征 在运行相电压下有5 0 一2 5 0 A 续流 通过，必需用间隙 在运行相电压下只有5 0 ～1 5 0 舭泄漏电流，电流忒小， 隔离电网电压、灭弧及切断续流。可视为无续流。 缺乏运行监察手段，可能长时带病运行，甚至扩大成严可带脱离器，避雷器失效自动退出运行，提高运行可靠 重事故。性。 3 ．2 提高防雷技术水平的具体要求 防雷保护技术改革目的在于提高防雷技术水 平。提高防雷技术水平应有哪些具体要求 一般 说来先进的防雷电器应同时具有以下要求或特征 3 ．2 ．1 应具有完全的防雷功能。完全的防雷功 能是指避雷器既有雷电幅值限压作用，又有雷电 陡波限压作用。避雷器具有这双重作用，既可作 到有备无患，又可绝对防止或避免对雷电陡波失 于防护情况出现。 3 ．2 ．2 防雷保护作用不应影响电力网运行的安 全可靠性。在科学技术高度发展的现代，工业、农 业的生产和建设，以及人民日常生活对电力供应 的依赖和需求越来越大，对其安全性可靠性要求 越来越高。防雷保护作用不会造成电力网的短路 故障，是保证电力网运行安全的重要要求。 3 ．2 ．3 防雷保护作用不应伴随有工频能源浪费。 保护间隙和管型避雷器保护动作都伴随有短路电 流 几k A 至几十k A 对地放电，碳化硅避雷器保 护动作有工频续流 5 0 ～2 5 0 A 对地放电，这些都 是工频能源的浪费。先进的防雷电器应有优异的 非线性伏安特性，保证保护作用不会有短路电流 和工频续流浪费。 3 ．2 ．4 保护特性应具有长期运行稳定性。采用 性能稳定的间隙结构形式 间隙数量少，隙距大 ， 万方数据 2 Q 堪芷设让邀 生筮查期 且不依靠间隙灭弧和切断续流，以保证保护特性代替 1 用角形间隙 隙距可按原规范中管型避 运行稳定。雷器外间隙规定 串接3 5 k v 无间隙氧化锌电站避 3 ．2 ．5 应具有连续雷电冲击的耐受能力。有时雷器。 2 直接用3 5 k V 串联间隙氧化锌电站避雷 前后两次雷电入侵波间隔时间极短 仅数百至数器，但选雷电残压相对较大者用于线路上。 千坤 ，这就要求避雷器只泄放雷电能量，而且泄 3 ．3 ．2 碳化硅避雷器和无间隙氧化锌避雷器的 放完毕立即恢复到可进行再次保护动作能力，即电站避雷器，改用串联间隙氧化锌电站避雷器。 使连续数次重复动作，其保护性能不受影响。这3 ．3 ．3 碳化硅避雷器和无间隙氧化锌避雷器的 种连续雷电冲击的耐受能力，对于多雷区和雷电配电避雷器，改用串联间隙氧化锌配电避雷器。 活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。3 ．3 ．4 磁吹避雷器和无间隙氧化锌避雷器的电 3 ．2 ．6 具有较大单位通流容量。避雷器的通流机避雷器，改用串联间隙氧化锌电机避雷器。 能力按国标规定，阀片的单位通流容量z I l O 阀片3 ．3 ．5 真空断路器防操作过电压用的无间隙氧 是S i C 阀片的4 倍，在相同通流能力条件下，单位化锌避雷器和高压压敏电阻，改用三功能串联间 通流容量大的阀片直径较小，其避雷器外形尺寸隙氧化锌电站避雷器。只有当真空断路器与电机 也小，可作到避雷器小型化、轻量化，有利于室内 相距较近时才用过电压吸收器作两者共用保护。 开关柜使用。 d ，I 、结 3 ．2 ．7 具有较长的使用寿命。碳化硅避雷器的 。1 一 使用寿命一般为7 ～1 0 年，先进的防雷电器要求 1 应当按照新的防雷保护技术对高压电力 寿命在2 0 年以上。为达到要求寿命，必需改善阀装置的防雷保护进行技术改造，推广使用串联间 片长期工作条件 阀片对电网电压处于隔离或低 隙氧化锌避雷器，对旧防雷器件彻底更新换代，提 电位状态 ，避免暂态过电压危害，防止温度热损高防雷技术水平。如果在全国施行这种防雷技术 伤 保证阀片温度不超过5 5 ℃，应注意到温度过改造，其社会效益和经济效益必将是巨大的，其影 高会加速阀片老化，严重缩短寿命，而老化又有不 响也将是深远的。 可逆性 ，保证这些的有效措施是加串联间隙。 2 规范和标准的防雷保护技术，在防雷保护 3 ．2 ．8避雷器最好附带脱离器监察运行状态。 模式、技术水平和防雷技术政策等方面基本沿袭 避雷器失效的主要特征是泄漏电流增大，运行中 建国初期制订的过电压保护导则，对规范和标准进 不易发现，不能随时剔出失效品，就有可能长时带 行适时修改，是时代前进、科技进步、国家现代化所 病运行，以致扩大事故，因此有必要监察运行中的 赋予的紧迫任务。新规范和标准应充分体现国家 避雷器。Z n o 阀片的避雷器可以附带脱离器，当 当代先进防雷技术水平和现代化防雷技术政策。 运行中的避雷器失效损坏时，脱离器自动动作使 3 使用串联间隙氧化锌避雷器并不违反规 其退出运行，以免造成更大事故和损失，提高电力 范和标准，因规范和标准中阀型 式 避雷器包括 网运行安全可靠性。 碳化硅避雷器、无间隙氧化锌避雷器和串联间隙 从串联间隙氧化锌避雷器的性能特征可以看 氧化锌避雷器等。但推广使用串联间隙氧化锌避 出，它完全具备提高防雷技术水平的八条要求或 雷器与原规范和标准中“各种防雷器件，不分优劣， 特征，因此推广使用串联间隙氧化锌避雷器是提 兼容并用”的防雷技术政策不同，这种不同不应视 高防雷保护技术水平的重要决策。 为违反规范和标准，应认识到它是防雷保护技术的 3 ．3 防雷器件更新换代的对策 发展和进步，是防雷技术政策现代化的重大决策。 防雷保护技术改革的核心问题是推广使用串 联间隙氧化锌避雷器对旧防雷器件进行完全彻底 参考文献 地更新换代，更新换代的具体对策是1 工业与民用电力装置的过电压保护设计规范，G 脚6 4 一犯 3 ．3 ．1送、配电线路使用的保护间隙和管型避雷 2 电力行业标准，交流电气装置的过电压保护和绝缘配 器一律彻底淘汰，改用串联间隙氧化锌配电避雷 合，D I ／。I 瑚一1 9 9 r 7 器。建议生产厂家配套齐全生产3 5 k V 串联间隙 3 电力设备过电压保护设计技术导则 氧化锌配电避雷器，无此产品时可暂用下列办法 责任编辑严民杰 万方数据