向纓竹，李欣，肖京，吳小忠，鄧化龍

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.湖南長(zhǎng)高森源電力設(shè)備有限公司，湖南 衡陽(yáng) 421007)

0 引言

過(guò)電壓吸收器(RC 裝置) 因?qū)Σ僮鬟^(guò)電壓和諧振過(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)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(guò)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(guò)電壓的沖擊。

避雷器是站內(nèi)最常用的雷電過(guò)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(guò)電壓的目的。長(zhǎng)期運(yùn)行結(jié)果表明，利用避雷器抑制某些操作過(guò)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(duì)阻容裝置和避雷器抑制不同類型過(guò)電壓能力的對(duì)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(duì)上述問(wèn)題，本文依據(jù)文獻(xiàn)[4－7] 設(shè)計(jì)相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和仿真模擬，對(duì)某10 kV 系統(tǒng)阻容裝置及避雷器的操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓抑制能力進(jìn)行校核，以此開(kāi)展開(kāi)關(guān)柜過(guò)電壓吸收配置方案的研究。

1 RC 裝置與MOA 過(guò)電壓抑制原理分析

1.1 RC 裝置抑制過(guò)電壓原理

過(guò)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(guò)電壓，圖1 是過(guò)電壓吸收器實(shí)物圖，圖2 是裝置等效電路圖。

圖1 過(guò)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(kāi)關(guān)柜出線端，當(dāng)線路中出現(xiàn)操作過(guò)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(kāi)始對(duì)電容充電，并通過(guò)電阻消耗能量，從而達(dá)到降低過(guò)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(kāi)關(guān)柜控制的感性設(shè)備的對(duì)地電容值 (不超過(guò)50pF)，改變感性設(shè)備的電感和其對(duì)地電容發(fā)生振蕩的條件，感性元件相鄰匝間在過(guò)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(guò)電壓吸收器能將操作過(guò)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(guò)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(lái)抑制過(guò)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(lái)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(jí)，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(guò)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(guò)電壓抑制影響因素分析

從上述抑制過(guò)電壓原理可知，阻容裝置是通過(guò)吸收消耗過(guò)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(guò)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(guò)電壓和雷電過(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行中均暴露出一些限制不同類型過(guò)電壓時(shí)的不足。

在選用避雷器時(shí)，其電壓參數(shù)不能過(guò)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(guò)高的MOA 動(dòng)作相對(duì)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(guò)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(guò)電壓保護(hù)水平，p.u.。

在評(píng)估MOA 的過(guò)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(guò)電壓時(shí)，氧化鋅避雷器存在的問(wèn)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(guò)電壓的振蕩頻率高，MOA 對(duì)此無(wú)效果；③過(guò)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(guò)電壓時(shí)，阻容裝置存在以下問(wèn)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(duì)小于30 kV 的操作過(guò)電壓可滿足Q

2) 電阻熱容限制

當(dāng)發(fā)生雷電過(guò)電壓時(shí)，雷電流會(huì)通過(guò)過(guò)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(duì)阻容裝置和避雷器在操作過(guò)電壓和雷電過(guò)電壓下的特性進(jìn)行相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和仿真分析，將兩者的過(guò)電壓抑制能力進(jìn)行全方位的比較，以解決上述存在的問(wèn)題。

2 RC 裝置與MOA 抑制操作過(guò)電壓試驗(yàn)分析

投切并聯(lián)電抗器時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓主要包含截流過(guò)電壓和多次重燃過(guò)電壓，前者的生成是由于流過(guò)弧隙的電流突然被截?cái)啵笳邉t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(guò)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?，?duì)此大多變電站僅利用MOA 來(lái)進(jìn)行防護(hù)，但因其操作沖擊殘壓過(guò)大而無(wú)法有效抑制[12]。為驗(yàn)證RC 阻容裝置和MOA 避雷器的操作過(guò)電壓抑制能力，在某變電站進(jìn)行針對(duì)性現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)原理

試驗(yàn)變電站曾發(fā)生過(guò)利用318 斷路器切電抗器而引起320 開(kāi)關(guān)柜內(nèi)絕緣薄弱處放電擊穿，并最終跳開(kāi)2 號(hào)主變壓器的事故。此次試驗(yàn)主要針對(duì)該站更換后的320 開(kāi)關(guān)柜設(shè)計(jì)了無(wú)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(guò)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(guò)電壓防護(hù)配置方案(無(wú)保護(hù)設(shè)備、僅加裝MOA、僅加裝RC)，針對(duì)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(guò)電壓波形并記錄測(cè)量過(guò)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(kāi)關(guān)柜配置的氧化鋅避雷器；阻容裝置的電容按截流過(guò)電壓不超過(guò)2.5 倍、過(guò)電壓振蕩頻率不超過(guò)1 000 Hz 來(lái)選擇:對(duì)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(guò)電容器額定電流的20 倍；對(duì)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guò)電壓和多次重燃過(guò)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(duì)較小。將圖6 (b)、圖6 (c) 與圖6 (a) 進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，對(duì)比無(wú)任何保護(hù)設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓波形，配置RC 裝置后系統(tǒng)中切電抗器產(chǎn)生的過(guò)電壓頻率明顯下降，MOA 則對(duì)于過(guò)電壓頻率沒(méi)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(guò)程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過(guò)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(guò)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(guò)程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過(guò)電壓為1.27 p.u.，母線側(cè)最大過(guò)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(guò)程中，電抗器側(cè)產(chǎn)生的最大過(guò)電壓為3.95 p.u.，母線側(cè)最大過(guò)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(guò)程中還發(fā)現(xiàn)投電抗器時(shí)出現(xiàn)合閘過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)電壓。

2) 橫向比較不同過(guò)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(guò)電壓吸收器后318 電抗器側(cè)和母線側(cè)的過(guò)電壓均得到了很好地吸收抑制，切電抗器時(shí)的操作過(guò)電壓水平基本被限制在2 倍以下；加裝避雷器后相較無(wú)防護(hù)配置的系統(tǒng)，投切試驗(yàn)產(chǎn)生的過(guò)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(guò)電壓，整體防護(hù)效果明顯弱于過(guò)電壓吸收器。

3 RC 裝置與MOA 抑制雷電過(guò)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(guò)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^(guò)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(duì)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(duì)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(lái)模擬，其非線性特性采用分段線性函數(shù)模型來(lái)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(guò)電壓幅值。因此變電站設(shè)備如變壓器、隔離開(kāi)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(guò)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(duì)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(guò)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(duì)比分析RC 裝置和MOA 的雷電防護(hù)效果，對(duì)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(duì)比如圖10—12 所示。

圖10 加裝RC 裝置和MOA 前后的過(guò)電壓波形

由圖10 可知，裝設(shè)RC 裝置或裝設(shè)MOA 對(duì)雷電過(guò)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(guò)電壓波形的陡度，MOA 則可以顯著降低過(guò)電壓波形的幅值。從圖11 的波形對(duì)比圖則可以更明顯地看出，加裝RC 裝置后的過(guò)電壓波形更為平滑，同現(xiàn)場(chǎng)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(guò)電壓的上升陡度。而加裝MOA 后的雷電過(guò)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(guò)電壓幅值而不具備濾波作用，因此波形的高頻成分無(wú)變化。

圖11 單獨(dú)加裝RC 裝置或MOA 的過(guò)電壓波形對(duì)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(guò)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(guò)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(lái)，能對(duì)雷電過(guò)電壓產(chǎn)生更強(qiáng)的抑制作用，見(jiàn)表4。

圖12 四種配置條件下的波形對(duì)比

表4 不同配置下的雷電過(guò)電壓抑制情況

4 結(jié)論

1) RC 阻容裝置對(duì)于操作過(guò)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(guò)電壓倍數(shù)僅為1.27 p.u.；對(duì)于雷電過(guò)電壓則有明顯的濾波功能，且仿真結(jié)果顯示過(guò)電壓幅值未超過(guò)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(duì)于操作過(guò)電壓的抑制能力弱于阻容裝置，試驗(yàn)產(chǎn)生的最大過(guò)電壓倍數(shù)為3.95 p.u.；其對(duì)于雷電過(guò)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(guò)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(guò)電壓幅值的能力稍弱；相反MOA 主要用于限制過(guò)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(guò)電壓波形的幅值和陡度，達(dá)到優(yōu)化絕緣配置的目的。