CN114883965A - 一种变电站过电压保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站过电压保护装置。所述变电站过电压保护装置，包括无间隙金属氧化物避雷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，安装在所述无间隙金属氧化物避雷器的线路侧；所述无间隙金属氧化物避雷器的一端通过线路侧开关连接变电站，另一端接地；所述避雷器本体的额定电压较所述无间隙金属氧化物避雷器低，其一端通过所述线路侧开关连接所述变电站，另一端通过所述串联间隙接地。本发明能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

Description

一种变电站过电压保护装置

技术领域

本发明涉及电力系统过电压保护技术领域，尤其涉及一种变电站过电压保护装置。

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，容易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。近年来，电力系统内发生多起雷电侵入波作用造成的线路开关断口击穿故障、变电站内老旧设备绝缘击穿故障等，对变电站过电压保护提出了更高要求。

避雷器是变电站过电压保护的基本配置，整只避雷器的伏安特性为其内部每片电阻片的伏安特性叠加而成，主要参数为参考电压和标称放电电流下的残压，为保障避雷器自身安全运行，要求参考电压(1mA电流对应的电压)足够高，为提高避雷器的过电压保护性能(常用变电站雷电冲击耐受电压与避雷器残压的比值高低反映，较高者保护性能较好)，要求残压较低。但对于同一种电阻片配方和制造水平，避雷器的伏安特性是一定的，即残压与参考电压呈现正相关性，若残压降低则参考电压必然随之降低。基于目前的电阻片性能水平，现有的避雷器大多通过牺牲自身运行安全性来降低残压，难以兼顾参考电压和残压的要求，无法在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种变电站过电压保护装置，能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种变电站过电压保护装置，包括无间隙金属氧化物避雷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，安装在所述无间隙金属氧化物避雷器的线路侧；

所述无间隙金属氧化物避雷器的一端通过线路侧开关连接变电站，所述无间隙金属氧化物避雷器的另一端接地；所述避雷器本体的一端通过所述线路侧开关连接所述变电站，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低于所述无间隙金属氧化物避雷器的额定电压。

进一步地，所述无间隙金属氧化物避雷器为110kV或220kV电压等级的避雷器。

进一步地，所述无间隙金属氧化物避雷器和所述避雷器本体为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。

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支撑绝缘子和一对圆环形金属电极构成。

进一步地，当所述无间隙金属氧化物避雷器为110kV电压等级的避雷器时，所述串联间隙的距离为180mm；

当所述无间隙金属氧化物避雷器为220kV电压等级的避雷器时，所述串联间隙的距离为320mm。

相比于现有技术，本发明的实施例，具有如下有益效果：

通过选用无间隙金属氧化物避雷器和带串联间隙金属氧化物避雷器并联组成的避雷器组，组成变电站过电压保护装置。在变电站正常运行时，带串联间隙金属氧化物避雷器的串联间隙承担大部分运行电压，避雷器本体荷电较低，确保避雷器本体的运行安全性，运行电压下的避雷器组性能由无间隙金属氧化物避雷器决定，无间隙金属氧化物避雷器工作在伏安特性的小电流段，具备较高的参考电压，承担限制内部过电压的功能；在雷电冲击过电压下，串联间隙可靠击穿，串联间隙的电压约等于零，避雷器本体在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，雷电冲击下避雷器组的性能由带串联间隙金属氧化物避雷器决定，避雷器本体工作在大电流段，达到降低雷电冲击下残压水平的目的，有效提高避雷器组的过电压保护能力，从而兼顾避雷器组较高参考电压和较低残压水平的要求，能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种变电站过电压保护装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中示例的无间隙金属氧化物避雷器与避雷器本体的伏安特性曲线图；

图3为本发明实施例中示例的一种变电站过电压保护装置的伏安特性曲线图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供一种变电站过电压保护装置，包括无间隙金属氧化物避雷器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，安装在无间隙金属氧化物避雷器1的线路侧；无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3，无间隙金属氧化物避雷器1的另一端接地；避雷器本体21的一端通过线路侧开关4连接变电站3，避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地。

作为示例性地，选用无间隙金属氧化物避雷器1和带串联间隙金属氧化物避雷器2，将无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3，将无间隙金属氧化物避雷器1的另一端接地，将带串联间隙金属氧化物避雷器2安装在无间隙金属氧化物避雷器1的线路侧，将避雷器本体21的一端通过线路侧开关4连接变电站3，将避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地，即将无间隙金属氧化物避雷器1与带串联间隙金属氧化物避雷器2并联安装，组成变电站过电压保护装置。

应用变电站过电压保护装置，无间隙金属氧化物避雷器1与带串联间隙金属氧化物避雷器2并联运行，无间隙金属氧化物避雷器1的运行电压和带串联间隙金属氧化物避雷器2的运行电压相同，在变电站3正常运行时，带串联间隙金属氧化物避雷器2的串联间隙22承担大部分运行电压，避雷器本体21荷电较低，确保避雷器本体21的运行安全性，运行电压下的避雷器组性能由无间隙金属氧化物避雷器1决定，无间隙金属氧化物避雷器1工作在小电流段，具备较高的参考电压。内部过电压下，可由无间隙金属氧化物避雷器1限制变电站3内部过电压，其中，内部过电压通常因电力系统操作或者故障所伴随的暂态过渡过程而产生，一般在运行电压的1.5倍以下，较雷电过电压低得多，此时，带串联间隙金属氧化物避雷器2的串联间隙22不击穿，由无间隙金属氧化物避雷器1分工发挥限压功能，无间隙金属氧化物避雷器1在内部过电压工况下流过的电流较小，可以满足内部过电压下过电压保护和安全运行要求。

在雷电冲击下，串联间隙22可靠击穿，串联间隙22处于短路状态，电压接近为零，避雷器本体21工作在大电流段，在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，在雷电过电压作用期间，无间隙金属氧化物避雷器1与避雷器本体21仍并联运行，避雷器组端部电压即为避雷器本体21的残压，因而能够有效提高避雷器组的过电压保护能力。

本实施例能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

考虑到当雷击线路引起线路绝缘子闪络建弧导致线路侧开关4跳闸后，在重合闸之前这段时间里(约1s)，线路再遭受重落雷时，雷电侵入波将在开关断口处形成全反射，此时开关断口灭弧室内绝缘气体仍处于热状态，雷电冲击耐受水平下降，极易引起断口重击穿的故障，此时需要更低的避雷器残压来配合，因此，将变电站过电压保护装置安装在线路侧。

对于线路绝缘子闪络但未建立稳定电弧的情形，线路侧开关4不动作，无法切除雷击线路，雷电侵入波进入变电站3，给绝缘薄弱设备带来较高的运行风险，此时，安装在线路侧的变电站过电压保护装置动作后，因其低残压也能起到降低雷电侵入波幅值的作用。

本实施例考虑到对于沿着变电站3出现的雷电侵入波而言，线路侧避雷器充当变电站3过电压保护的第一道防线，通过将无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过输电线路上的线路侧开关4连接变电站3，将避雷器本体21的一端通过线路侧开关4连接变电站3，使变电站过电压保护装置作为线路侧避雷器，能够有效避免出现线路开关断口击穿故障，以及变电站3内老旧设备绝缘击穿故障，提高线路侧避雷器过电压保护能力。

可以理解的是，避雷器组主要作为线路侧避雷器，也可作为变电站内母线避雷器或变压器侧避雷器。

在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过变电站3内的母线31连接变压器和其他变电站内电气设备，无间隙金属氧化物避雷器1的另一端接地，避雷器本体21的一端通过变电站3内的母线31连接变压器和其他变电站内电气设备，避雷器本体21的另一端通过串联间隙22接地。

本实施例通过将无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的高压端通过线路侧开关4连接变电站3内的母线31，可使变电站过电压保护装置起到变电站母线避雷器的作用，能够有效避免出现变电站3内电气设备(包括变压器)故障，提高变电站3内母线避雷器过电压保护能力。

在单线单变结构(即变电站3没有母线31，一条线路经过线路侧开关4直接接变电站3内一台变压器)中，变电站过电压保护装置不仅保护线路侧开关4，还起到变电站3内变压器220kV或110kV侧避雷器的作用，能够有效避免出现变压器绕组击穿故障，提高变压器侧避雷器过电压保护能力。

本实施例能够使变电站过电压保护装置起到变压器侧避雷器的作用，通过降低雷电侵入波过电压而有效避免出现变压器绕组击穿故障，提高变压器侧避雷器过电压保护能力，同时也能提高变电站过电压保护装置对其他变电站内设备的过电压保护能力。

在优选的实施例当中，避雷器本体21的额定电压低于无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压。

作为示例性地，避雷器本体21的额定电压较无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压低1/3。

在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1为110kV或220kV电压等级的避雷器。

避雷器通常由数十片电阻片串联叠加组成，为保证电压分布一致，确保每片电阻片的荷电率相等，以及避免个别电阻片负担过重而在运行中老化(劣化)加快，在组装整个避雷器时，选择伏安特性偏差在一定范围内的电阻片进行组合，因此可认为每片电阻片的伏安特性相同，这样，整个避雷器的伏安特性即为单片电阻片伏安特性之和。

可以理解的是，对于同一种电阻片配方和制造水平，伏安特性是一定的，选择较少的电阻片数量，伏安特性下降，避雷器额定电压和雷电冲击电流下残压也相应降低。

作为示例性地，避雷器本体21选取的电阻片与无间隙金属氧化物避雷器1选取的电阻片为同一种电阻片，但避雷器本体21的电阻片数量比无间隙金属氧化物避雷器1的电阻片数量少，如图2所示，避雷器本体21的伏安特性曲线低于无间隙金属氧化物避雷器1的伏安特性曲线，相应地，避雷器本体21的额定电压、残压比无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压、残压低，在雷电冲击电压下呈现更小的阻抗，雷电流基本上通过避雷器本体21泄放，避雷器本体21流过雷电冲击大电流，带串联间隙金属氧化物避雷器2与无间隙金属氧化物避雷器1并联而成避雷器组，即变电站过电压保护装置的残压由避雷器本体21的残压决定，因其残压较低而获得避雷器较低的端部电压。

变电站过电压保护装置的伏安特性曲线如图3所示，以带串联间隙金属氧化物避雷器2的串联间隙22击穿为界，左侧小电流段与无间隙金属氧化物避雷器1的伏安特性曲线相同，串联间隙22击穿后的大电流段的伏安特性曲线与避雷器本体21相同。

理论上，通过调整避雷器本体21串联的电阻片数量，可以获得较无间隙金属氧化物避雷器1低20～40％的残压水平。

典型地，避雷器本体21串联的电阻片数量少1/3，额定电压和残压相应地较无间隙金属氧化物避雷器1低1/3左右，经仿真计算，变电站过电压保护装置的运行电压较常规无间隙金属氧化物避雷器1的残压低1/3左右，达到进一步提高避雷器雷电过电压保护水平的目的。

以220kV电压等级为例，设备绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)典型值为900kV，常规的Y10W-204/532型无间隙金属氧化物避雷器1残压约为530kV，对设备绝缘的雷电冲击保护水平约为1.7；如果避雷器本体21选择与110kV变压器中性点避雷器参数相同的避雷器(额定电压144kV，残压不高于360kV)，残压降低约40％，则变电站过电压保护装置的雷电冲击保护水平提高到2.5。

以110kV电压等级为例，设备绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)典型值为500kV，常规的Y10W-108/281型无间隙避雷器1残压约为280kV，对设备绝缘的雷电冲击保护水平约为1.8；如果避雷器本体21选择与110kV变压器中性点避雷器参数相同的避雷器(额定电压72kV，残压不高于186kV)，残压降低约1/3，则变电站过电压保护装置的雷电冲击保护水平提高到2.7。

可见，选择变电站过电压保护装置，可以满足连续雷击严苛工况下线路侧开关4断口绝缘强度下降和高风险雷电过电压下变电站3内老旧设备雷电耐受能力下降对降低避雷器残压的要求。

本实施例通过选用额定电压较高的无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21额定电压较低的带串联间隙金属氧化物避雷器2，有利于进一步提高避雷器过电压保护能力。

在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。

作为示例性地，带串联间隙金属氧化物避雷器2安装在无间隙金属氧化物避雷器1的线路侧，即可以装在变电站3内或终端塔上。

无间隙金属氧化物避雷器1一般安装在变电站3内，如果变电站3内有空间，带串联间隙金属氧化物避雷器2也可安装在变电站3内，此时避雷器本体21选用瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器，如果变电站3内没有空间，带串联间隙金属氧化物避雷器2可安装在终端塔上，此时避雷器本体21选用复合绝缘避雷器。

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支撑绝缘子和一对圆环形金属电极构成。

作为示例性地，带串联间隙金属氧化物避雷器2的串联间隙22采用支撑绝缘串联间隙结构，支撑绝缘串联间隙结构由支撑绝缘子和一对圆环形金属电极构成，支撑绝缘子为棒式绝缘子或柱式绝缘子，采用瓷绝缘或复合绝缘，圆环形金属电极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，当无间隙金属氧化物避雷器1为110kV电压等级的避雷器时，串联间隙22的距离为180mm；当无间隙金属氧化物避雷器1为220kV电压等级的避雷器时，串联间隙22的距离为320mm。

作为示例性地，串联间隙22的功能是确保带串联间隙金属氧化物避雷器2的避雷器本体21在运行电压和内部过电压下的安全，以及实现无间隙金属氧化物避雷器1和带串联间隙金属氧化物避雷器2分工的切换，该功能由调整串联间隙的距离来实现，即间隙距离的校核，需要根据兼顾正常运行和内部过电压下串联间隙不击穿且确保带串联间隙金属氧化物避雷器2的避雷器本体21的运行安全，在高风险的雷电冲击过电压下可靠击穿的要求确定。

带串联间隙金属氧化物避雷器2为避雷器本体21和串联间隙22的串联电路，避雷器本体21和串联间隙22共同分担带串联间隙金属氧化物避雷器2端部的运行电压和内部过电压，两者承受的电压与各自电容量成反比。

当变电站3正常运行时，110kV和220kV系统最高运行电压分别为73kV和146kV，考虑严苛的内部过电压工况，此时内部过电压水平取2.0p.u.(2倍运行电压)，110kV和220kV系统内部过电压分别约为127kV和254kV。

在正常运行和内部过电压工况下，无间隙金属氧化物避雷器1可选用常规的无间隙金属氧化物避雷器1而没有运行风险。

以110kV电压等级的带串联间隙金属氧化物避雷器2为例(220kV电压等级的校核方法相同)，当避雷器本体21选择与110kV变压器中性点避雷器参数相同的避雷器(额定电压72kV，残压不高于186kV)，串联间隙22的间隙距离选择180mm时，实测避雷器本体21和串联间隙22的电容分别为28.2pF和5.1pF，相应地，在正常运行和内部过电压工况下，串联间隙22承受近85％的端部电压，避雷器本体21只承受约15％的端部电压。

考虑严苛的内部过电压(127kV)作用下，串联间隙22的实测电压为108kV，而180mm串联间隙22工频湿耐受放电电压不低于125kV，支撑绝缘圆环形间隙的工频湿耐受电压和50％雷电冲击放电电压与串联间隙22距离的实验值如表1所示，有超过15％的裕度，可以确保串联间隙22在正常运行和内部过电压工况不击穿。

表1

尽管避雷器本体21的额定电压较无间隙金属氧化物避雷器1低约1/3，但即便在严苛的内部过电压(127kV)作用下，避雷器本体21承受电压实测值仅为21kV，负担反而减轻，承受的电压(荷电率)只有正常运行下常规的无间隙金属氧化物避雷器1的1/3水平，确保了避雷器本体21在正常运行和内部过电压工况下的运行安全性。

110kV设备绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)典型值为500kV，雷电侵入波电流达到2kA时，按照导线波阻抗200Ω计算，雷电侵入波幅值为400kV，达到设备绝缘雷电冲击耐受电压的80％，可定义为高风险雷电侵入波工况，此时，要求串联间隙22可靠放电击穿，将避雷器本体21投入并获得较低残压。

串联间隙22的间隙距离选择180mm时，雷电冲击放电电压为330kV(如表1所示)，在雷电侵入波幅值为400kV的高风险雷电侵入波工况下，串联间隙22的电压实测值为380kV，远远高于串联间隙22的雷电冲击放电电压(高15％)，可以确保雷电冲击下串联间隙22的可靠动作。

在高风险雷电侵入波工况下串联间隙22可靠击穿动作后，串联间隙22电压接近为零，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21并联运行，由于避雷器本体21额定电压较无间隙金属氧化物避雷器1低，在雷电冲击电压下呈现更小的阻抗，雷电流基本上通过避雷器本体21泄放，无间隙金属氧化物避雷器1与带串联间隙金属氧化物避雷器2并联而成避雷器组的残压由避雷器本体21的残压决定，因其残压较低而获得避雷器较低的端部电压，从而提高了变电站过电压保护装置的雷电过电压保护能力。

按照上述110kV电压等级变电站过电压保护装置的校验方法，经试验校核，220kV电压等级变电站过电压保护装置的串联间隙22的距离选择320mm。

本实施通过对110kV和220kV电压等级变电站过电压保护装置分别采用距离为180mm和320mm的串联间隙22，可以兼顾110kV和220kV电压等级变电站过电压保护装置正常运行和内部过电压工况下串联间隙22稳定运行和避雷器本体21安全运行的要求，以及高风险雷电冲击过电压下串联间隙22可靠动作要求。

综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：

通过选用无间隙金属氧化物避雷器1和带串联间隙金属氧化物避雷器2并联组成的避雷器组，组成变电站过电压保护装置。在变电站正常运行时，带串联间隙金属氧化物避雷器2的串联间隙22承担大部分运行电压，避雷器本体21荷电较低，确保避雷器本体21的运行安全性，运行电压下的避雷器组性能由无间隙金属氧化物避雷器1决定，无间隙金属氧化物避雷器1工作在伏安特性的小电流段，具备较高的参考电压，承担限制内部过电压的功能；在雷电冲击过电压下，串联间隙22可靠击穿，串联间隙22的电压约等于零，避雷器本体21在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，雷电冲击下避雷器组的性能由带串联间隙金属氧化物避雷器2决定，避雷器本体21工作在大电流段，达到降低雷电冲击下残压水平的目的，有效提高避雷器组的过电压保护能力，从而兼顾避雷器组较高参考电压和较低残压水平的要求，能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时提高避雷器过电压保护能力。

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 (6)

1.一种变电站过电压保护装置，其特征在于，包括无间隙金属氧化物避雷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，安装在所述无间隙金属氧化物避雷器的线路侧；

所述无间隙金属氧化物避雷器的一端通过线路侧开关连接变电站，所述无间隙金属氧化物避雷器的另一端接地；所述避雷器本体的一端通过所述线路侧开关连接所述变电站，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所述的一种变电站过电压保护装置，其特征在于，所述避雷器本体的额定电压低于所述无间隙金属氧化物避雷器的额定电压。

3.如权利要求1所述的一种变电站过电压保护装置，其特征在于，所述无间隙金属氧化物避雷器为110kV或220kV电压等级的避雷器。

4.如权利要求1所述的变电站过电压保护装置，其特征在于，所述无间隙金属氧化物避雷器和所述避雷器本体为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。

5.如权利要求1所述的变电站过电压保护装置，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支撑绝缘子和一对圆环形金属电极构成。

6.如权利要求3所述的变电站过电压保护装置，其特征在于，当所述无间隙金属氧化物避雷器为110kV电压等级的避雷器时，所述串联间隙的距离为180mm；

当所述无间隙金属氧化物避雷器为220kV电压等级的避雷器时，所述串联间隙的距离为320mm。

Images