CN110492462A - 一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器 - Google Patents

一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，包括：本体单元、辅助单元和并联间隙；辅助单元的一端用于接地，另一端与本体单元的一端串联，本体单元的另一端用于连接待保护的中性点；并联间隙与辅助单元并联；110kV系统局部失地且发生单相接地短路故障或系统非全相运行时，并联间隙不放电，本体单元与辅助单元串联承担工频过电压，工频过电压幅值低于避雷器U1mAd.c.；在雷电侵入电站时，当辅助单元承担的电压高于并联间隙放电电压时，并联间隙放电，辅助单元被旁路，此时避雷器整体残压仅为本体单元残压。本发明既能有效降低变压器中性点过电压水平，保护绝缘免受危害；又能保证避雷器自身的安全可靠运行。

Description

一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器
技术领域
本发明属于电力系统过电压保护技术领域，涉及一种避雷器，特别涉及一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器。
背景技术
根据国标GB/T50064-2014《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》规定，我国110kV及以上交流电力系统通常采取中性点直接接地方式。但在实际系统运行条件下，为限制单相接地短路电流，110kV系统大多变压器采取不接地方式运行；在系统局部失地且发生单相接地短路故障时或操作、雷电波侵入变电站时，不接地变压器中性点上会出现幅值较高的过电压。由于110kV变压器中性点通常釆用分级绝缘，中性点绝缘水平低，高幅值的过电压会导致变压器中性点绝缘击穿，因此必须采取有效的防护措施。
目前，传统的防护方式有：避雷器、保护间隙以及保护间隙与避雷器并联。使用避雷器或保护间隙，在系统局部失地且发生单相接地短路故障时自身安全性受到威胁，会导致避雷器爆炸或保护间隙烧损，且保护间隙还存在放电分散性大，易发生误动作等缺陷。保护间隙与避雷器并联保护的配合原则是：在工频暂时过电压下间隙动作，保护避雷器免受危害；在高幅值操作过电压和雷电过电压下，保护间隙不动作，通过避雷器泄放能量，抑制过电压。
目前的保护间隙与避雷器并联方式存在的缺陷包括：运行中，由于保护间隙、避雷器各自的固有特性，两者存在配合盲区，造成盲区内变压器中性点绝缘失保损坏现象。
综上，亟需一种新型的避雷器来适用于110kV变压器中性点面临的过电压与绝缘配合的特殊情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的带并联间隙的避雷器，既能有效降低变压器中性点过电压水平，保护绝缘免受危害；又能保证避雷器自身的安全可靠运行。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，包括：本体单元、辅助单元和并联间隙；所述辅助单元的一端用于接地，另一端与所述本体单元的一端串联，所述本体单元的另一端用于连接待保护的中性点；所述并联间隙与所述辅助单元并联；
其中，当110kV系统局部失地且发生单相接地短路故障或系统非全相运行时，所述并联间隙不放电，所述本体单元与所述辅助单元串联承担工频过电压，工频过电压幅值低于所述避雷器U1mAd.c.；在雷电侵入电站时，当所述辅助单元承担的电压高于所述并联间隙放电电压时，所述并联间隙放电，所述辅助单元被旁路，此时所述避雷器整体残压仅为本体单元残压；
所述并联间隙的工频放电电压与所述辅助单元最大工频分压Umax间应满足公式(1)；公式(1)的表达式为：
KUb(1-3σ)>Umax(1)
其中，K为表征环境条件修正系数，Ub为并联间隙的工频放电电压，Umax为辅助单元最大工频分压，σ为标准偏差。
本发明的进一步改进在于，所述并联间隙50％雷电放电电压与所述辅助单元标称放电电流下的残压Ures配合应满足公式(2)；公式(2)的表达式为：
KU50％(1+3σ)<Ures(2)
其中，K为表征环境条件修正系数，U50％为并联间隙的50％雷电放电电压，σ为标准偏差，Ures为辅助单元标称放电电流下的残压。
本发明的进一步改进在于，公式(2)中，标准偏差σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95，并联间隙的50％雷电放电电压U50％与辅助单元标称放电电流下的残压Ures比值按小于0.97的原则选取。
本发明的进一步改进在于，公式(1)中，σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95，并联间隙工频放电电压Ub与辅助单元最大工频分压Umax比值按大于1.16的原则选取。
本发明的进一步改进在于，变压器中性点的雷电过电压抑制在144kV以下。
本发明的进一步改进在于，当110kV系统局部失地且发生单相接地短路故障或非全相运行时，变压器中性点暂态工频过电压为63.5kV～73kV；
所述避雷器U1mAd.c.为108kV；其中，所述本体单元U1mAd.c.为85.2kV，残压为126kV；所述辅助单元U1mAd.c.为22.8kV，残压为33.59kV。
本发明的进一步改进在于，所述并联间隙采用稍不均匀场的球电极结构，工频放电电压下限17.74kV，雷电放电电压上限29.41kV；所述并联间隙工频放电电压峰值大于25.08kV；1.5kA下的雷电冲击残压为159.6kV。
本发明的进一步改进在于，所述并联间隙采用球电极稍不均匀场结构钢制实心电极，直径为3cm，间隙距离为0.8cm。
本发明的进一步改进在于，所述本体单元和所述辅助单元由金属氧化物制成。
本发明的进一步改进在于，待保护的中性点为110kV变压器35kV绝缘水平的中性点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明针对现有110kV变压器中性点过电压和绝缘配合存在的缺陷，提出了一种新型的带并联间隙避雷器。本发明完善了现有传统保护方式的不足，既能有效降低变压器中性点过电压水平、保护绝缘免受危害，又能保证避雷器自身的安全可靠运行，可避免盲区内变压器中性点绝缘失保损坏现象。具体的，本发明的新型带并联间隙避雷器，在系统处于失地状态并且发生单相接地短路故障或非全相运行等暂时过电压下，并联间隙不放电，避雷器本体单元和辅助单元共同承担极端暂时过电压；在高幅值操作、雷电过电压下，并联间隙放电将辅助单元旁路，大幅度降低避雷器残压，实现对中性点弱绝缘的保护配合。
本发明中，通过研究避雷器本体单元和辅助单元在V-A特性不同区段的分压比特性，以及本体单元与辅助单元不同配合对避雷器整体特性的影响，获得了在几十kHz至几百kHz频率下工作区段的分压比主要由MOV阻抗比决定的结论，更益于指导并联间隙放电特性与辅助单元的参数配合；在本体单元与辅助单元、并联间隙优化配置下，可有效克服传统保护方式中保护间隙放电分散性大、保护间隙与避雷器并联存在配合盲区的配合难题。
进一步的，本发明利用具有优异非线性特性金属氧化物电阻片(MOV)组成的本体单元、辅助单元和放电稳定的并联间隙通过参数合理配合，实现对110kV变压器35kV绝缘水平的中性点在极端暂时过电压下具有可靠耐受能力而在高幅值过电压下具有低残压的可靠保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器的伏安特性曲线示意图；
在图1中，1、本体单元；2、辅助单元；3、并联间隙。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，包括本体单元1、辅助单元2和并联间隙3。
其中，本体单元1和辅助单元2主要由MOV构成；并联间隙3与辅助单元2并联；
本发明实施例中，当系统局部失地且发生单相接地短路故障或非全相运行时，变压器中性点暂态工频过电压为63.5kV～73kV。为了保证在工频过电压下避雷器呈高阻具有可靠的耐受能力，本发明的避雷器U1mAd.c.为108kV。其中，本体单元U1mAd.c.为85.2kV，残压为126kV；辅助单元U1mAd.c.为22.8kV，残压为33.59kV。
并联间隙采用稍不均匀场的球电极结构，工频放电电压(有效值)下限17.74kV，雷电放电电压(峰值)上限29.41kV。
本发明实施例中，当系统局部失地且发生单相接地短路故障或系统非全相运行时，并联间隙不放电。本发明通过对并联间隙工频放电特性的试验研究得到，与辅助单元并联几乎不影响间隙的工频放电电压特性。因此，并联间隙参数依据辅助单元的工频分压和并联间隙自身的工频放电电压配合确定。考虑间隙的放电电压具有分散性，其概率近似服从正态分布，正态分布的经验法则(又称3σ法则)表明，99.7％的数据将分布在均值的三个标准偏差σ之内。
考虑放电分散性以及环境条件的影响，为保证并联间隙在暂态工频过电压下不放电，并联间隙的工频放电电压与辅助单元最大工频分压Umax间应满足：
KUb(1-3σ)>Umax(1)
其中，并联间隙工频放电电压的σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95。因此并联间隙的工频放电电压Ub与辅助单元最大工频分压Umax比值应按大于1.16的原则选取。
在雷电过电压下，GB11032-2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》中规定，变压器中性点用避雷器标准标称放电电流为1.5kA，35kV绝缘等级中性点雷电冲击电流残压峰值应不大于144kV，并联间隙的雷电冲击放电电压应与辅助单元的雷电冲击残压配合。
同样考虑并联间隙放电分散性以及环境条件的影响，为保证并联间隙在雷电冲击下可靠放电，并联间隙50％雷电放电电压与辅助单元标称放电电流下的残压Ures配合应满足：
KU50(1+3σ)<Ures(2)
其中标准偏差σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95。并联间隙的50％雷电放电电压U50％与辅助单元标称放电电流下的残压Ures比值应按小于0.97的原则选取。
综上，带并联间隙避雷器U1mAd.c.为108kV，1.5kA下的雷电冲击残压为159.6kV。其中本体单元U1mAd.c.为85.2kV，残压为126.01kV；辅助单元U1mAd.c为22.8kV，残压为33.59kV。并联间隙工频放电电压峰值大于25.08kV，雷电冲击放电电压小于29.41kV。并联间隙采用球电极稍不均匀场结构钢制实心电极，直径为3cm，间隙距离为0.8cm。其放电电压符合上述要求，并且电场分布均匀、伏秒特性平坦，并且放电稳定好、分散性小。其中带并联间隙避雷器U1mAd.c.为108kV，大于最大工频过电压73kV的峰值103.22kV，确保在最大工频过电压下避雷器不动作。本体单元的雷电冲击残压为126.01kV，小于标准中雷电冲击电流残压峰值应不大于144kV的规定，能够有效保护变压器中性点。并联间隙的工频放电电压25.08kV能够确保在最大可能的73kV工频过电压下不放电，雷电冲击放电电压小于29.41kV确保在大于144kV的雷电残压下放电，降低雷电残压水平。通过上述设计，使得带并联间隙避雷器总体上满足能够耐受变压器中性点可能遭遇的最大工频过电压73kV，在雷电冲击电流残压峰值大于144kV时间隙击穿，降低整体残压水平至144kV以下，保护变压器。
本发明在提高避雷器过电压抑制效果的同时保证了避雷器自身的运行安全可靠性，既可以显著提高避雷器的U1mAd.c.，保证在可能出现的极端暂时过电压下呈高阻，具有持久的抗老化能力，又能在高幅值操作或雷电冲击过电压下，利用并联间隙的可靠放电，大幅度降低避雷器残压，实现对110kV变压器中性点弱绝缘的可靠保护。
本发明的工作原理：在110kV系统发生单相接地短路且失地时或者非全相运行故障的暂时过电压下，并联间隙不放电动作；本体单元、辅助单元串联承担工频过电压。此时的工频过电压幅值低于避雷器U1mAd.c.，因此避雷器具有可靠的耐受能力，有效克服了传统保护方式中避雷器难以耐受极端暂时工频过电压发生爆炸的缺陷。在雷电侵入电站时，当辅助单元承担的电压高于并联间隙放电电压时，并联间隙放电，辅助单元被旁路，此时避雷器整体残压仅为本体单元残压，变压器中性点的雷电过电压被抑制在144kV以下，保证了变压器中性点绝缘的安全。
请参阅图2，本发明实施例中带并联间隙避雷器的伏安特性曲线如图2所示，图2中曲线A为并联间隙未放电时避雷器的伏安特性，曲线B为并联间隙放电后避雷器的伏安特性；该曲线在阴影所标注的放电区域前部，具有A曲线的较高的额定电压，即工频电压耐受水平。在放电区域后具有B曲线的较低的冲击放电残压，即更好的操作和雷电冲击保护水平。
本发明研究了避雷器本体单元和辅助单元在V-A特性不同区段的分压比特性和本体单元与辅助单元不同配合对避雷器整体特性的影响，获得了在几十kHz-几百kHz频率下工作区段的分压比主要由MOV阻抗比决定的结论，更益于指导并联间隙放电特性与辅助单元的参数配合。在本体单元与辅助单元、并联间隙优化配置下，可有效克服传统保护方式中保护间隙放电分散性大、保护间隙与避雷器并联存在配合盲区的配合难题。
综上所述，本发明实施例旨在针对现有110kV变压器中性点过电压和绝缘配合，提出一种新型的带并联间隙避雷器，该发明完善了传统保护方式的不足，既能有效降低变压器中性点过电压水平、保护绝缘免受危害，又能保证避雷器自身的安全可靠运行。可避免盲区内变压器中性点绝缘失保损坏现象。
本发明中，利用具有优异非线性特性金属氧化物电阻片(MOV)组成的本体单元、辅助单元和放电稳定的并联间隙通过参数合理配合，实现对110kV变压器35kV绝缘水平的中性点在极端暂时过电压下具有可靠耐受能力而在高幅值过电压下具有低残压的可靠保护。这种新型带并联间隙避雷器，在系统处于失地状态并且发生单相接地短路故障或非全相运行等暂时过电压下，并联间隙不放电，避雷器本体单元和辅助单元共同承担极端暂时过电压；在高幅值操作、雷电过电压下，并联间隙放电将辅助单元旁路，大幅度降低避雷器残压，实现对中性点弱绝缘的保护配合。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，包括：本体单元(1)、辅助单元(2)和并联间隙(3)；
所述辅助单元(2)的一端用于接地，另一端与所述本体单元(1)的一端串联，所述本体单元(1)的另一端用于连接待保护的中性点；
所述并联间隙(3)与所述辅助单元(2)并联；
其中，当110kV系统局部失地且发生单相接地短路故障或系统非全相运行时，所述并联间隙(3)不放电，所述本体单元(1)与所述辅助单元(2)串联承担工频过电压，工频过电压幅值低于所述避雷器U1mAd.c.；
在雷电侵入电站时，当所述辅助单元(2)承担的电压高于所述并联间隙(3)放电电压时，所述并联间隙(3)放电，所述辅助单元(2)被旁路，此时所述避雷器整体残压仅为本体单元残压；
所述并联间隙(3)的工频放电电压与所述辅助单元(2)最大工频分压Umax间应满足公式(1)；公式(1)的表达式为：
KUb(1-3σ)>Umax (1)
其中，K为表征环境条件修正系数，Ub为并联间隙的工频放电电压，Umax为辅助单元最大工频分压，σ为标准偏差。
2.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，
所述并联间隙50％雷电放电电压与所述辅助单元标称放电电流下的残压Ures配合应满足公式(2)；公式(2)的表达式为：
KU50％(1+3σ)<Ures (2)
其中，K为表征环境条件修正系数，U50％为并联间隙的50％雷电放电电压，σ为标准偏差，Ures为辅助单元标称放电电流下的残压。
3.根据权利要求2所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，公式(2)中，标准偏差σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95，并联间隙的50％雷电放电电压U50％与辅助单元标称放电电流下的残压Ures比值按小于0.97的原则选取。
4.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，公式(1)中，σ取3％；K为表征环境条件修正系数取0.95，并联间隙工频放电电压Ub与辅助单元最大工频分压Umax比值按大于1.16的原则选取。
5.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，变压器中性点的雷电过电压抑制在144kV以下。
6.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，当110kV系统局部失地且发生单相接地短路故障或非全相运行时，变压器中性点暂态工频过电压为63.5kV～73kV；
所述避雷器U1mAd.c.为108kV；其中，所述本体单元U1mAd.c.为85.2kV，残压为126kV；所述辅助单元U1mAd.c.为22.8kV，残压为33.59kV。
7.根据权利要求6所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，所述并联间隙(3)采用稍不均匀场的球电极结构，工频放电电压下限17.74kV，雷电放电电压上限29.41kV；所述并联间隙工频放电电压峰值大于25.08kV；1.5kA下的雷电冲击残压为159.6kV。
8.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，所述并联间隙(3)采用球电极稍不均匀场结构钢制实心电极，直径为3cm，间隙距离为0.8cm。
9.根据权利要求1所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，所述本体单元(1)和所述辅助单元(2)由金属氧化物制成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的一种用于110kV变压器中性点保护的带并联间隙避雷器，其特征在于，待保护的中性点为110kV变压器35kV绝缘水平的中性点。
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