CN114336562A - 一种变压器雷电过电压保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变压器雷电过电压保护装置。所述变压器雷电过电压保护装置,包括变压器和带串联间隙金属氧化物避雷器:所述带串联间隙金属氧化物避雷器包括避雷器本体和串联间隙;所述避雷器本体的一端与所述变压器的高压绕组连接,所述避雷器本体的另一端通过所述串联间隙接地。本发明能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器雷电过电压保护能力。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统过电压保护技术领域,尤其涉及一种变压器雷电过电压保护装置。
背景技术
当输电线路遭受雷击后,雷电波沿线路向两侧的变电站传播,若线路绝缘子没有闪络,或者闪络后没有形成稳定的工频电弧,则线路侧开关将不会动作以切除雷击线路,形成雷电侵入波进入变电站,站内电力设备对地绝缘将承受雷电过电压。变压器是雷电侵入波传播路径上的终端设备,在雷电冲击电压作用下,绕组的主绝缘(对地绝缘)将承受雷电过电压,而由于绕组内部的电磁振荡过程,在绕组的纵绝缘(匝间绝缘)上也将出现雷电过电压。因此在变压器雷电过电压保护中,不仅要降低绕组对地绝缘承受的雷电过电压幅值,还要同时改善匝间绝缘的电位分布以降低绕组匝间绝缘电位差。目前,主要通过在变压器的高、中、低压绕组各侧的入口处都就近安装一组无间隙金属氧化物避雷器作为变压器的雷电侵入波保护设备,考虑到变压器高压侧避雷器多用于限制雷电过电压的幅值,在改善匝间绝缘电位分布方面则无能为力,多通过改善变压器内部的绕组结构实现均压,使得雷电侵入波到达绕组时沿绕组的初始电压分布尽量均匀,降低靠近绕组首端区域的匝间过电压。
但绕组内部的均压设计随变压器运行年限的不断增大而愈加薄弱,长期运行中遭受雷电侵入波和各种内部过电压冲击而带来绝缘损伤累积效应,以及正常运行中的绝缘老化等,都会导致绕组局部主绝缘或匝间绝缘强度降低,在雷电侵入波作用下,绕组的匝间绝缘还是容易因承受不了较高电位差而发生击穿故障。应用现有技术仍难以有效降低雷电冲击下变压器绕组匝间绝缘电位差,无法进一步提高变压器雷电过电压保护能力。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷,本发明提供一种变压器雷电过电压保护装置,能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器雷电过电压保护能力。
为了解决上述技术问题,本发明实施例提供一种变压器雷电过电压保护装置,包括变压器和带串联间隙金属氧化物避雷器:所述带串联间隙金属氧化物避雷器包括避雷器本体和串联间隙;
所述避雷器本体的一端与所述变压器的高压绕组连接,所述避雷器本体的另一端通过所述串联间隙接地。
进一步地,所述避雷器本体的额定电压为72kV,在标称放电电流下的残压不高于186kV。
进一步地,所述串联间隙的距离为120mm。
进一步地,所述变压器为110kV变压器。
进一步地,所述带串联间隙金属氧化物避雷器采用支撑绝缘串联间隙结构;所述支撑绝缘串联间隙结构由绝缘子和一对圆环形金属电极构成。
进一步地,所述带串联间隙金属氧化物避雷器为复合绝缘避雷器或瓷绝缘避雷器。
进一步地,所述带串联间隙金属氧化物避雷器安装在所述高压绕组的套管处。
进一步地,对于单线单变变电站,所述带串联间隙金属氧化物避雷器安装在靠近所述变压器的开关的线路侧。
相比于现有技术,本发明的实施例,具有如下有益效果:
通过选用带串联间隙金属氧化物避雷器,即避雷器本体和串联间隙,将避雷器本体的一端与变压器的高压绕组连接,将避雷器本体的另一端通过串联间隙接地,形成变压器雷电过电压保护装置,应用变压器雷电过电压保护装置,可在变电站正常运行时,由避雷器本体和串联间隙共同分担运行电压,降低避雷器本体的电压,确保避雷器本体的运行安全性;在雷电冲击下,串联间隙可靠击穿时,避雷器本体在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的电压(残压),从而能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器绕组的端部电压,进而降低变压器绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器雷电过电压保护能力。
附图说明
图1为现有技术中的变压器绕组的简化分布参数电路图;
图2为现有技术中的星型接线变压器单相进波时沿绕组的电位分布图;
图3为本发明实施例中的一种变压器雷电过电压保护装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
可以理解的是,当输电线路遭受雷击后,雷电波沿线路向两侧的变电站传播,若线路绝缘子没有闪络,或者闪络后没有形成稳定的工频电弧,则线路侧开关将不会动作以切除雷击线路,形成雷电侵入波进入变电站,站内电力设备对地绝缘将承受雷电过电压,而变压器是雷电侵入波传播路径上的终端设备。
典型地,对于绕组星型接线的110kV及以上变压器而言,经历绕组波过程后,雷电波将在接地的绕组中性点处入地,如果中性点不接地,雷电波则经历折反射后继续衰减,从而结束变电站内的波过程。
对于高频雷电波过程,变压器绕组用沿单位长度绕组电感(L0)、匝间(纵向)电容(K0)和对地电容(C0)等分布参数组成的链式回路表征,如图1所示。
以最常见的单相进波为例,考虑到雷电波(典型如1.2/50μs)的陡度较高,可视为直角波进行分析,雷电侵入波到达中性点绕组首端瞬间,由于电感中电流不能突变,L0dx支路相当于开路,该电路可以简化为图1中由电容链组成的分布参数电路,变压器绕组可以用一个代替电容链的等值入口电容来表示,此时,沿绕组的初始电位分布由电容链决定,绕组的初始电位分布如图2的曲线1所示。
在雷电波过去后,沿绕组电位稳态分布趋于按照电阻的线性分布,如图2的曲线2所示,为此,在沿绕组的初始电位分布与稳态电位分布之间,将产生强烈的电磁暂态振荡过程,绕组振荡电压最大值的包络线如图2的曲线3所示。
由此可见,在雷电波作用绕组的初始时刻,靠近首端的匝间绝缘耐受最为苛刻,振荡过程过电压以绕组首端和靠近中性点的匝间绝缘电压耐受较为苛刻,因此,变压器绕组首端匝间绝缘是雷电侵入波的高风险区域。
对于变电站防雷来说,变压器是一类特殊的设备,在雷电冲击电压作用下,绕组的主绝缘(对地绝缘)将承受雷电过电压,而由于绕组内部的电磁振荡过程,在绕组的纵绝缘(匝间绝缘)上也将出现雷电过电压。
因此在变压器雷电过电压保护中,不仅要降低绕组对地绝缘承受的雷电过电压幅值,还要同时改善匝间绝缘的电位分布以降低绕组匝间绝缘电位差。而改善匝间绝缘电位的初始分布则是重中之重。
变压器作为变电站的重要设备,目前,主要通过在变压器的高、中、低压绕组各侧的入口处都就近安装一组无间隙金属氧化物避雷器,如110kV变压器高压侧选用Y10W-108/281型避雷器,作为变压器的雷电侵入波保护设备。
然而变压器高压侧避雷器多用于限制雷电过电压的幅值,在改善匝间绝缘电位分布方面则无能为力。目前,又通过改善变压器内部的绕组结构实现均压,如增加静电环等增大纵向电容(K0/dx)和采用静电屏、静电环、静电匝之类的保护措施补偿绕组对地电容(C0dx)的影响等,使得雷电侵入波到达绕组时沿绕组的初始电压分布尽量均匀,降低靠近绕组首端区域的匝间过电压。
但在实际场景下,变电站中仍有大量运行年限超过30年的110kV变压器,老旧变压器绕组内部的上述均压设计可能较为薄弱,长期运行中遭受雷电侵入波和各种内部过电压冲击而带来绝缘损伤累积效应,以及正常运行中的绝缘老化等,都会导致绕组局部主绝缘或匝间绝缘强度降低,在雷电侵入波作用下,绕组的匝间绝缘还是容易因承受不了较高电位差而发生击穿故障。
对于110kV单线单变的网架结构,由于得不到变电站其他避雷器的保护和其他出线的分流作用,雷电侵入波引起的变压器绕组匝间绝缘风险更大。
由于上述原因,近年来变电站已连续出现多起线路雷电侵入波引起110kV变压器绕组匝间绝缘击穿,引起主变压器保护动作,最终导致退出运行的事故,此外,该类型的故障在35kV变压器中亦有发生。
考虑到难以从结构上大幅提高老旧变压器绕组绝缘性能,对目前的变电站绝缘配合进行优化,以降低雷电冲击下绕组匝间绝缘电位差,是一个可行的解决方案。
应用现有技术,在雷电侵入波入侵变电站时,110kV变压器绕组主绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)为480kV左右,无间隙金属氧化物避雷器的端部电压约为280kV,无间隙金属氧化物避雷器对绕组主绝缘的保护水平约为1.7。雷电冲击波在对变压器绕组主绝缘施加雷电冲击电压时,也在匝间绝缘上形成不均匀的电压分布,靠近绕组端部的匝间绝缘负担最重,成为薄弱环节。降低雷电冲击电压,匝间绝缘电位差也会随之降低。基于此,可通过降低整个避雷器的端部电压,比如降低1/3,整个避雷器对绕组主绝缘保护水平提高到约2.6,相应地,匝间绝缘能承受的电位差将降低1/3,大大降低雷电侵入波引起的变压器绕组匝间绝缘风险。
如图3所示,本发明实施例提供一种变压器雷电过电压保护装置,包括变压器1和带串联间隙金属氧化物避雷器2:带串联间隙金属氧化物避雷器2包括避雷器本体21和串联间隙22;避雷器本体21的一端与变压器1的高压绕组连接,避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地。
在本实施例的一优选实施方式中,变压器1为110kV变压器。
应用变压器雷电过电压保护装置,当变电站正常运行时,避雷器本体21和串联间隙22按照各自电容量进行串联分压,使避雷器本体21和串联间隙22共同分担运行电压,例如,避雷器本体21和串联间隙22的电容分别为28pF和6.1pF,相应地,串联间隙22承受近80%的运行电压,避雷器本体21只承受约20%的运行电压,从而降低避雷器本体21的电压,使得在降低整个避雷器,即带串联间隙金属氧化物避雷器2的端部电压时,确保避雷器本体21的运行安全性。
当在雷电冲击下,串联间隙22可靠击穿时,串联间隙22的电压接近为零,避雷器本体21流过雷电冲击大电流,由于避雷器本体21在雷电冲击大电流下呈现一个小的电阻,根据欧姆定律,避雷器本体21的电压较低。且由于整个避雷器与被保护设备并联,被保护设备承受的电压就等于避雷器本体21的端部电压,只要这个端部电压低于被保护设备的雷电冲击耐受电压,就能确保被保护设备的运行安全性。
也就是说,在变电站正常运行时,带串联间隙金属氧化物避雷器2的端部电压等于避雷器本体21的电压加上串联间隙22的电压;在雷电冲击下,串联间隙22击穿时,串联间隙22的电压约等于零,带串联间隙金属氧化物避雷器2的端部电压即等于避雷器本体21的电压(残压)。
本实施例通过选用带串联间隙金属氧化物避雷器2,即避雷器本体21和串联间隙22,将避雷器本体21的一端与变压器1的高压绕组连接,将避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地,形成变压器雷电过电压保护装置,应用变压器雷电过电压保护装置,可在变电站正常运行时,由避雷器本体21和串联间隙22共同分担运行电压,降低避雷器本体21的电压,确保避雷器本体21的运行安全性;在雷电冲击下,串联间隙22可靠击穿时,使避雷器本体21在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的电压(残压),从而能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器1绕组的端部电压,进而降低绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器1雷电过电压保护能力。
在优选的实施例当中,避雷器本体21的额定电压为72kV,在标称放电电流下的残压不高于186kV。
可以理解的是,避雷器本体21具有非线性的伏安特性曲线,避雷器本体21是由数十片非线性电阻片串联而成,因此避雷器本体21的伏安特性曲线是由每片电阻片(称为比例单元)的伏安特性叠加而成。对于同一个电阻片配方和制造水平,伏安特性是一定的,雷电冲击下避雷器本体21的残压(标称放电电流10kA电流下的电压)、避雷器本体21的额定电压、1mA参考电压都是一一对应的,因此选择较少的电阻片数量,降低避雷器本体21的额定电压,在雷电冲击下整个避雷器的端部电压也相应降低。
本实施例通过选择较低的避雷器本体额定电压而获得雷电冲击下串联间隙击穿后避雷器本体较低的残压,通过加装串联间隙分压以满足降低避雷器本体额定电压后在运行电压下运行安全要求。
本实施例通过将避雷器本体21的额定电压调整在72kV,能够降低雷电冲击下避雷器本体21的残压(8/20μs雷电冲击标称放电电流下电压的峰值不高于186kV),降低整个避雷器的端部电压,达到降低变压器1绕组匝间绝缘的电位差(约1/3)的目的。
在优选的实施例当中,串联间隙22的距离为120mm。
可以理解的是,选择串联间隙22的距离,需要兼顾正常运行时串联间隙22稳定运行要求和雷电冲击下串联间隙22可靠动作要求。
针对正常运行时串联间隙22稳定运行要求,若选择额定电压为72kV的避雷器作为避雷器本体21,在正常运行电压下,避雷器本体21和串联间隙22按照各自电容量进行串联分压,避雷器本体21和串联间隙22的电容分别为28pF和6.1pF,相应地,串联间隙22承受近80%的运行电压,避雷器本体21只承受约20%的运行电压,尽管避雷器本体21的额定电压较现行避雷器降低约1/3,但荷电率只有正常避雷器的30%左右,确保了避雷器运行的安全性。对于距离为120mm的串联间隙22而言,110kV变压器1的正常运行电压为63.5kV,考虑1.1倍的最高运行电压为70kV,由避雷器本体21和串联间隙22共同分担,计算出串联间隙22承受的最高电压为56kV,而距离为120mm的串联间隙22的工频湿耐受放电电压不低于80kV,有近43%的裕度,可以确保最高运行电压下串联间隙22的安全运行。
针对雷电冲击下串联间隙22可靠动作要求,110kV变压器1绕组主绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)为480kV左右,雷电侵入波电流达到1kA时,按照导线波阻抗220Ω左右计算,雷电冲击波的电压幅值约为220kV,达到绕组主绝缘的雷电冲击耐受电压的接近一半,开始对绕组的绝缘造成威胁,要求串联间隙22放电击穿,将避雷器本体21投入,以保护变压器1绕组,而采用距离为120mm的串联间隙22,雷电冲击放电电压恰好约为220kV,可以确保雷电冲击下串联间隙22的可靠动作。
采用距离为120mm的串联间隙22,可以兼顾正常运行时串联间隙22稳定运行要求和雷电冲击下串联间隙22可靠动作要求。串联间隙22的距离取为120mm,对于雷电流幅值为1kA以上的普通雷电进波,雷电压幅值均高于串联间隙22的1.2/50μs正极性雷电冲击50%放电电压(不高于220kV),串联间隙22可靠击穿,避雷器本体21投入泄放雷电流;串联间隙22的工频湿耐受放电电压不低于80kV,正常运行电压下,串联间隙22承受大部分运行电压(约80%),避雷器本体21承受电压较低(约20%),确保了避雷器运行安全性。
本实施例通过采用距离为120mm的串联间隙22,满足正常运行时串联间隙22稳定运行要求和雷电冲击下串联间隙22可靠动作要求,能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器1绕组的端部电压,进而降低绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器1雷电过电压保护能力。
在优选的实施例当中,避雷器本体21的标称放电电流为10kA,2ms方波通流容量(18次)不低于1000A。
在优选的实施例当中,带串联间隙金属氧化物避雷器2采用支撑绝缘串联间隙结构;支撑绝缘串联间隙结构由绝缘子和一对圆环形金属电极构成。
在本实施例的一优选实施方式中,绝缘子为棒式绝缘子或柱式绝缘子。
本实施例通过使带串联间隙金属氧化物避雷器2采用由绝缘子棒(柱)和一对圆环形金属电极构成的支撑绝缘串联间隙结构,能够均匀电极间的电场,获得较为稳定的击穿电压。
在优选的实施例当中,带串联间隙金属氧化物避雷器2为复合绝缘避雷器或瓷绝缘避雷器。
可以理解的是,带串联间隙金属氧化物避雷器2的避雷器本体21和串联间隙22可采用复合绝缘或瓷绝缘。当避雷器本体21和串联间隙22采用复合绝缘时,为方便安装,也可将串联间隙22安装在高压绕组侧。
在优选的实施例当中,带串联间隙金属氧化物避雷器2安装在高压绕组的套管处。
在优选的实施例当中,对于单线单变变电站,带串联间隙金属氧化物避雷器2可安装在靠近变压器1的开关的线路侧。
可以理解的是,对于单线单变变电站,断路器等开关距离变压器1较近。
本实施例通过将带串联间隙金属氧化物避雷器2安装在靠近变压器1的开关的线路侧,使带串联间隙金属氧化物避雷器2不仅充当变压器1的雷电侵入波保护设备,还充当开关断口(即灭弧室)的保护设备,能够在雷电冲击下,通过降低带串联间隙金属氧化物避雷器2的端部电压,有效降低变压器1绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器1雷电过电压保护能力,同时提高对线路侧开关断口的保护水平。
综上所述,实施本发明的实施例,具有如下有益效果:
通过选用带串联间隙金属氧化物避雷器2,即避雷器本体21和串联间隙22,将避雷器本体21的一端与变压器1的高压绕组连接,将避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地,形成变压器雷电过电压保护装置,应用变压器雷电过电压保护装置,可在变电站正常运行时,由避雷器本体21和串联间隙22共同分担运行电压,降低避雷器本体21的电压,确保避雷器本体21的运行安全性;在雷电冲击下,串联间隙22可靠击穿时,避雷器本体21在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的电压(残压),从而能够在雷电冲击下,通过降低整个避雷器的端部电压来有效降低变压器1绕组的端部电压,进而降低绕组匝间绝缘电位差,进一步提高变压器1雷电过电压保护能力。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,包括变压器和带串联间隙金属氧化物避雷器:所述带串联间隙金属氧化物避雷器包括避雷器本体和串联间隙;
所述避雷器本体的一端与所述变压器的高压绕组连接,所述避雷器本体的另一端通过所述串联间隙接地。
2.如权利要求1所述的一种变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述避雷器本体的额定电压为72kV,在标称放电电流下的残压不高于186kV。
3.如权利要求1所述的一种变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述串联间隙的距离为120mm。
4.如权利要求1所述的变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述变压器为110kV变压器。
5.如权利要求1~4任一项所述的变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述带串联间隙金属氧化物避雷器采用支撑绝缘串联间隙结构;所述支撑绝缘串联间隙结构由绝缘子和一对圆环形金属电极构成。
6.如权利要求1~4任一项所述的变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述带串联间隙金属氧化物避雷器为复合绝缘避雷器或瓷绝缘避雷器。
7.如权利要求1~4任一项所述的变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,所述带串联间隙金属氧化物避雷器安装在所述高压绕组的套管处。
8.如权利要求1~4任一项所述的变压器雷电过电压保护装置,其特征在于,对于单线单变变电站,所述带串联间隙金属氧化物避雷器可安装在靠近所述变压器的开关的线路侧。
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