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1、避雷器结构和试验,山东电力研究院郭志红,主要内容,1)避雷器的特性 2）避雷器的作用和选用原理 3)避雷器(MOA)结构 4)避雷器(MOA)试验,避雷器的发展过程,复合外套氧化锌避雷器,复合外套氧化锌避雷器问世于年代，美国、日本、俄罗斯等国已分别研制出系统用复合外套氧化锌避雷器，并有数千万只在电力系统运行。我国从开始到现在，已研制和生产电压等级的复合外套氧化锌避雷器，并以生产电压等级为主。,避雷器的特性,金属氧化物避雷器（MOA）,避雷器,工频参考电压直流参考电流/电压残压工频电压耐受时间特性-在规定条件下，对避雷器施加不同的工频电压，避雷器不损坏、不发生热崩溃时所对应的最大持续时间的关系曲
2、线。保护特性-a.陡波冲击电流残压；b.雷电冲击电流残压；c.操作冲击电流残压。脱离器-在故障时，使避雷器引线与系统断开以排除系统持续故障的一种装置。切除时避雷器的故障电流通常不是该装置的功能，故不一定能防止瓷套爆炸。,持续运行电压-由于金属氧化物避雷器没有串联间隙，正常工频相电压要长期作用在金属氧化物电阻片上。为了保证一定的使用寿命。长期作用在避雷器上的运行电压不得超过避雷器的持续运行电压，选择避雷器时必须注意这个参数。,避雷器参数,电力系统运行中的作用电压,a)正常运行时的工频电压：b）暂时过电压（工频、谐振过电压）；c)操作过电压：d)雷电过电压。,有代表性的作用电压,绝缘配合过程框图(
3、从系统运行角度),系统过电压的分类,选用避雷器的一般程序,2.1 根据系统最高工作电压确定避雷器的持续运行电压。2.2 估算避雷器安装点的暂时过电压幅值和持续时间。2.3 估算通过避雷器的雷电过电压放电电流的最大幅值。2.4 估算通过避雷器的操作过电压放电电流和能量。2.5 选择避雷器的额定电压、标称放电电流等级。2.6 确定所选择避雷器的保护水平。2.7 根据避雷器与被保护物的距离和其他影响因素，计算用避雷器保护时在被保护设备上出现的过电压值。2.8 校核被保护设备的雷电过电压、操作过电压耐受强度是否高于被保护设备上出现的过电压值。,暂时过电压 暂时过电压是由于长线电容效应、突然甩负荷、单相
4、接地以及其他故障引起的系统电压的暂时升高，其持续时间约为零点几秒或几秒，并有振荡的暂态过程。这种过电压作用于避雷器时使电流和能量损耗增大，温度升高。当金属氧化物电阻片产生的热量与瓷套散发的热量之间失去平衡时，将导致热崩溃。因此，避雷器必须具备耐受这种暂时过电压的能力，这是选择避雷器额定电压的一个主要因素。单相接地时会引起健全相电压的升高。对于一般中性点有效接地系统中的变电所，若零序电抗与正序电抗之比(X0/X1)在0与+3之间，而零序电阻与正序电抗之比(R0/X1)在0与+1之间，则避雷器安装点的接地故障系数不超过1.4。因此，对110kV、220kV中性点有效接地系统，为了简化选择程序，其暂
5、时过电压一般采用1.4倍系统最高工作相电压。对330kV及500kV系统，虽然接地故障系数一般较低，但同时考虑突然甩负荷及长线电容效应等因素，500kV系统中变电所线路断路器母线和线路侧的暂时过电压一般分别不超过1.3和1.4倍最大相电压。,在线监测数据,在线监测数据,避雷器电气特性,额定电压-持续运行电压-启始动作电压-压比-荷电率-保护比-伏秒特性-,侵入雷电波防护是变电站防雷的一个重要方面，沿线路侵入发、变电站的雷电过电压是很常见的，而变电站电气设备的绝缘水平要比线路低得多，变电站对雷电进行波的保护是十分重要的。特别是500kV电气设备的绝缘设计裕度较小，变电站的侵入雷电波将直接威胁站内
6、电气设备的安全。,侵入雷电波,例：500kV变电站电气主接线,建立计算模型,将雷电流直接作用于有关的雷击点（进线段各杆塔），输电线路（包括进线段、避雷线）、变电站各设备、连接线、母线等，作为一个整体系统进行分析计算，以更确切的反映雷电作用下的变电站波过程。依据规程建议的我国雷电流强度概率，取雷电流强度取值为：出现概率为3.5 0/00 的雷电流（216kA）幅值，进行分析计算。,例：变电站雷电侵入波计算等值,线路绝缘子放电的伏秒特性。,绝缘子串正极性放电的伏秒特性用以下指数函数拟合：（kV）绝缘子串负极性放电的伏秒特性用正极性放电的伏秒特性的1.13倍。,雷击杆塔塔顶造成反击,雷击架空线路避雷
7、线、杆顶形成作用于线路绝缘的雷电反击过电压，与雷电参数、杆塔型式、高度和接地电阻等有关。塔顶电位：如取固定波头长度t2.6s，则，耐雷水平为：,其中：rs为绕击击距；I为绕击电流幅值；系数k=6.72,p=0.8；,根据线路的电气几何尺寸，建立模型，决定线路绕击电流幅值。采用怀特黑德（whitehead）的击距与雷电幅值的关系,绕击电流幅值,模型中着重考虑的要素,线路绝缘子串正极性放电的伏秒特性以通过雷电标准冲击试验得到的指数函数进行拟合。变电站进线段的线路参数采用导线和双避雷线构成的多导线耦合系统，多相分布参数分段进行模拟。每一级线路杆塔采用实际设计杆塔结构的分布参数模拟，避雷器的非线性电气
8、特性的模拟研究同塔双回进线段结构的分布参数模型。,例：雷击滕洲变电站出线2#塔时，作用在变电站不同设备上的暂态过电压,例：雷击滕洲变电站出线3#塔时，作用在变电站不同设备上的暂态过电压,例：作用滕洲在变电站不同设备上的最大反击暂态过电压（采取措施后）,例：作用滕洲在变电站不同设备上的最大绕击暂态过电压（采取措施后）,最大,例：主要设备上最大过电压绝缘裕度,注：表中允许值是依据规程要求:内绝缘裕度在15%，外绝缘裕度在4%。,例：雷击滕洲变电站时，变电站各处避雷器吸收的电流,例：各种运行方式下的（反击）各处避雷器中流过的最大电流,例：各种运行方式下的（绕击）各处避雷器中流过的最大电流,为设计提出
9、建设性的建议,根据计算，当设计不满足绝缘配合要求时，分析引起雷电过电压过高的根本原因，根据具体情况，提出解决办法。如：延长线路避雷线到变电站母线构架所有设备均接在变电站进线门型塔之后减小个别主要设备与避雷器间的距离优化母线避雷器的安置位置合理调动线路高抗和线路CVT的相对位置合理要求变电站进线段杆塔接地电阻,220KV、110KV敞开式变电站,电网的发展增加了进线断路器出现暂时性分闸状态的机会，两种情况的叠加使得雷电侵入波引起110kV和220kV敞开式变电所进线断路器及CT等设备事故的发生频度不容忽视。在多雷地区新设计110kV和220kV敞开式变电所时，宜在每回进线的断路器线路侧装设MOA
10、，MOA至变压器之间的最大保护距离要满足规程要求。已运行的110kV和220kV敞开式变电所，确需考虑进线断路器的暂时性分闸状态又要加以保护时，可视安装位置的方便在进线断路器线路侧附近或进线终端塔上增设一组MOA。MOA至分闸断路器之间的最大保护距离要求。MOA安装在进线终端塔上，杆塔接地装置的冲击接地电阻应小于7欧。,220KV、110KV敞开式变电站,避雷器保护距离MOA安装在进线上的效果比母线上好,GIS变电站特点,伏秒特性比较平坦波阻抗小、波速光速电气距离小无电晕要求过电压高可靠性,110KVGIS电缆出线变电站,当长电缆线路的护层采用交叉互连时，由于电缆相与相之间的耦合作用得到加强，
11、使得过电压水平有明显的下降但当护层两端的接地电阻较高时一护层上的过电压值将达到较高的幅值，通过降低接地电阻可明显减小过电压的幅值，而对主绝缘芯线上的过电压水平则影响不大。,110KVGIS电缆出线变电站,长电缆线路的冲击波过电压发展过程与架空线路相比，显得更为复杂，电缆内冲击波的折反射过程将与避雷器的放电过程一起相互作用，使得过电压水平与电缆长度之间的关系不是一简单的线性关系，而是呈波动状态。但其总的趋势是随着电缆长度的增加，过电压水平明显下降。,220KV、110KV敞开式变电站,雷电侵入波引起110kV和220kV敞开式变电所进线断路器及CT等设备事故的发生频度不容忽视。确需考虑进线断路器
12、的暂时性分闸状态时，可视安装位置的方便在进线断路器线路侧附近或进线终端塔上增设一组MOA。杆塔接地装置的冲击接地电阻应小于7欧。变压器三侧绕组必须装设避雷器。,3.1 发电厂和变电所高压配电装置的雷电侵入波,应在变电所1km2km的进线段架设避雷线，并限制接地电阻到5。变压器和高压并联电抗器的中性点经接地电抗器接地时，中性点上应装设金属氧化物避雷器保护。在雷季，如变电所35kV110kV进线的热备用线路，必须在断路器处装设一组避雷器或间隙。变电所内所有避雷器应以最短的接地线与主接地网连接。,3.1 小容量变电所雷电侵入波过电压的简易保护,3150kVA5000kVA的变电所35kV侧，可根据负
13、荷的重要性及雷电活动的强弱等条件适当简化保护接线，变电所进线段的避雷线长度可减少到500m600m，但其首端排气式避雷器或保护间隙的接地电阻不应超过5在只经变压器接到架空线的系统和装置中，变压器低压侧电缆的每相对地电容 至少为0.5F。（发电厂或线路变压器组结构）,例子：雷击侵入波事故,2004年8月11日雷雨天气，110kV系统有雷击接地故障。雷电侵入波导致某供电公司五莲站110kV 莲街线 105 开关C相热备用状态下发生过电压击穿。该开关为北京ABB产品，1999年安装。通过对故障相解体检查，弧触头未发现电弧痕迹，主触导电部分电弧烧伤严重。多次发生220kV变电站雷雨天气下，系统35kV
14、侧进线雷电侵入波，导致35kV母线短路，发生变压器由于近距故障导致主变损坏。某供电公司发生110kV系统线路远方雷击接地故障，导致220kV红庙站主变中性点绝缘击穿，变压器损坏事故。,避雷器结构,GIS避雷器结构,线路避雷器提高线路耐雷水平,关于线路避雷器,工频过电压耐受要求工频续流切断能力-工频恢复电压与间隙临界值的线性关系,满足0.5周波内熄弧.,关于线路避雷器间隙,操作冲击耐受要求雷电下可靠动作操作下不动作(500kV要深度限制时除外)MOA故障时,间隙能承受系统操作过电压,关于线路避雷器,线路用避雷器应用中的几个关键问题 残压对耐雷水平的影响防雷电绕击线路 对于山坡上的杆塔,一般是外侧
15、线路容易绕击,则只在外侧相导线上安装线路用避雷器。对于山顶或平地区域的线路杆塔,则绕击出现在边相,因此应在两侧安装线路用避雷器。,根据易击段、易击点历年雷击跳闸记录,杆塔耐雷水平以及易击段的地形地貌等,选择耐雷水平对较低,遭受雷击的可能性较大以及档距超过300m 的杆塔加装线路型避雷器,线路避雷器,防止雷电反击事故（采用复合外套ZnO 避雷器后线路的耐雷水平kA）,线路避雷器,(1)线路杆塔安装线路避雷器以后,雷击杆塔耐雷水平有很大的提高,但其提高程度受避雷器吸收雷电流能量的能力与避雷器最大耐受冲击电流的限制。避雷器热容量和流过避雷器的电流,随杆塔接地电阻、档距、杆塔高度、雷电流的波形变化而变
16、化。(2)绕击导线的耐雷水平提高很多,耐雷水平达到5450kA。理论上最大绕击电流都低于线路避雷器所能耐受的雷电流.(4)线路型避雷器只能保护装设杆塔两个档距范围内的雷击。由于波的运动需要时间,若其档距l=300m,来去约2微秒多的时间。因此一个杆塔上的避雷器只能防护两侧一个档距内的雷击。,无间隙线路避雷器在操作过电压,配网避雷器,电磁式电压互感器,电磁式电压互感器一次绕组成星形，中性点直接接地。当进行某些操作时，电压互感器的激磁阻抗与系统的对地电容形成非线性谐振回路，由于回路参数及外界激发条件的不同，可能造成分频、工频或高频铁磁谐振过电压。统计表明，电磁式电压互感器引起的铁磁谐振过电压是中性
17、点不接地系统中最常见、且造成事故最多的一种内部过电压，严重地影响供电安全。,产生机理及影响因素,谐振过电压(铁磁）,条件：1、2、激发因素特点：自保持、反倾现象、突然发生、过电压倍数有限、几率性、随机性发虚幻接地信号、电压表摆动等,谐振过电压（线性）-系统暂态过电压,产生条件容、感性元件构成的自振频率接近电源频率。（由于系统中的多个自振频率及电源中的谐波存在）防范措施设计避开、防止非全相操作等。消弧线圈回路,传递过电压,例,防范措施1：提高线性度,选用激磁特性较好的电磁式电压互感器，或采用电容式电压互感器。其原理是提高电磁式电压互感器的线性工作段，这就需要加大互感器的铁心体积，因此，规程要求P
18、T铁心在1.9倍电压下，不能饱和。但不接地系统的暂态过电压远高于它，如最常见的弧光接地过电压可达4.5倍（工频熄弧）。电容式电压互感器能解决大部分的谐振问题，但其本身就构成一谐振回路，在一定条件下也可能发生谐振，几率很低，但幅值较高。,防范措施2：接入阻尼,在零序回路中接入阻尼电阻 系统的负荷对于具有零序性质的中性点位移电压没有阻尼作用，为限制其发展，在零序回路中引入阻尼电阻。两种方法:在电压互感器开口三角绕组中短时接入电阻R。在电压互感器一次绕组中性点对地接入电阻R。,高压避雷器电位分布计算与调整,330kV,500kV线路避雷器的突出技术问题是电位分布不均匀。与瓷套式避雷器不同，它是悬挂在
19、空中的。在结构上不能采用外并电容的均压措施。避雷器高度超过5m时，如不采取措施，其电位分布不均匀系数将达1.2，荷电率达98。这将加速高场强处电阻片的老化。通过改变均压环的数量、大小、放置位置及下垂深度等措施使500 kV无间隙线路避雷器(5.4m高)电位分布不均匀系数限制在10.4%以下，,避雷器主要性能试验,持续电流试验 残压试验陡波冲击残压试验雷电冲击残压试验操作冲击残压试验 大电流冲击耐受试验长持续时间电流冲击耐受试验方波电流冲击耐受试验 线路放电耐受试验 无线电干扰电压和局部放电试验 动作负载试验 加速老化试验 试品的散热特性 操作冲击动作负载试验工频电压耐受时间特性试验,(a)总体
20、p的设备90%耐受电压的分布；(b)某一给定的设备在不同实验室测得的90%耐受电压和实际值之差的分布；(c)总体p的任一设备在不同实验室测得的90%耐受电压的分布,设备通过不同类型试验的概率与其绝缘特性的关系,避雷器现场试验带电测试,近年来，金属氧化物避雷器(下文简称MOA)以其优异的技术性能逐渐取代了其它类型的避雷器，成为电力系统的换代保护设备。由于MOA没有放电间隙，氧化锌电阻片长期承受运行电压，并有泄漏电流不断流过MOA各个串联电阻片，这个电流的大小取决于MOA热稳定和电阻片的老化程度。如果MOA在动作负载下发生劣化，将会使正常对地绝缘水平降低，泄漏电流增大，直至发展成为MOA的击穿损坏
21、。所以监测运行中MOA的工作情况，正确判断其质量状况是非常必要的。MOA的质量如果存在问题，那么通过MOA电阻片的泄漏电流将逐渐增大，因此我们可以把测量MOA的泄漏电流作为监测MOA质量状况的一种重要手段。,避雷器巡检试验（状态检修）,金属氧化物避雷器巡检及例行试验,避雷器例行试验（状态检修）,金属氧化物避雷器例行试验项目,金属氧化物避雷器,无间隙金属氧化物避雷器的诊断可按表9的规定执行。当热像异常或相间温差超过表9规定时，应用其他试验手段确定缺陷性质及处理意见。表 金属氧化物避雷器允许的相间温差及最大工作温升参考值,110kV氧化锌避雷器内部受潮,发热相的温升及相间温差大大超过表9的规定，属
22、紧急缺陷。,220kV氧化锌避雷器内部受潮,FCZ2的内部受潮,220kV避雷器上节瓷套表面局部过热,电导电流:561微安,避雷器已经严重受潮,在线监测,1)监测MOA受潮;,2)对老化不敏感。通常IrIc,劣化时,Ir变大、Ic却变小.其矢量和变化不明显。,带电检测,若阻性分量增加到初始值的1.5倍时，应适当缩短测量周期;若阻性分量增加到初始值的2倍时，应立即停电检查.,运行相电压的桥式补偿电路,MOA 的Ir测量原理,MOA 的Ir测量原理,双踪电子示波器-当电压瞬时值为0和Um时的电流瞬时值，分别为 IC峰值和Ir峰值.,单踪电子示波器调节R，补偿IC。BE端测得最小值为IR。AE端测得
23、IX。,MOA 的Ir测量仪原理,采用桥式补偿电路泄漏电流测试仪的原理，自钳形电流互感器夹取得的泄漏电流输入仪器中的放大器，自母线取得的二次电压作为标准电压进入仪器移相 90，使其与泄漏电流中的容性电流分量同相，将容性电流分量自动抵消掉，剩余下的即为泄漏电流的阻性分量。,MOA阻性电流测试,注意一字形排列的三相 110kV 500kV金属氧化物避雷器，由于相间杂散电容影响,容性电流补偿法,MOA 的Ir测量仪原理,采用三次谐波电流原理制成的仪器。是从避雷器总电流中检出三次谐波分量l3的峰值，假定I3=Ir3，然后根据Ir3与阻性电流I的经验关系得到阻性电流峰值，基础是电压不含谐波分量或很小。当
24、谐波分量较大时，仪器的误差可达百分之百到百分之几百。,MOA阻性电流测试仪,电导电流,普通阀型FZ避雷器及磁吹阀型避雷器要求测量电导电流及检查串联组合元件的非线性系数差值,同相串联元件的电导电流差值 I(%)30%.,直流U1mA及0.75U1mA下漏电流,MOA：面积为20cm2及以下规格阀片，U1mA 士5%;面积为25cm2_45cm2阀片，U1mA 士10%;面积为50cm2及以上规格阀片，U1mA 士20%.,0.75U1mA下漏电流值，I 2倍I初，且I 50 A。多柱并联和额定电压216kV以上的避雷器，I 厂定值 测量0.75U1mA下漏电流时，应选用UlmA初始值。,影响MO
25、A泄漏电流测试结果的几种因素分析,MOA两端电压中谐波含量的影响 MOA两端电压波动的影响 MOA外表面污秽的影响 温度对MOA泄漏电流的影响 湿度对测试结果的影响 运行中三相MOA的相互影响 测试点电磁场对测试结果的影响,电导电流的温度换算系数,对不同温度下测量的普通阀型或磁吹阀型避雷器电导电流进行比较时，需要将它们换算到同一温度。经验表明，温度每升高10C，电流增大3%-5%，进行换算。,空间分布电容影响,受空间分布电容的影响，带电测试时的阻性电流一般的规律是ABC，B相基本上不受影响。但有时也不一定。,例 停电试验表明B相正常,不拆引线测量500kV避雷器,不拆引线，避雷器与变压器或CV
26、T相连，施加电压（210）传递到变压器中性点上，危急绝缘，要求反向加压。测量第二节时，为限制发生器的负载，保证基座绝缘，在接入10kV避雷器或一个电阻箱（5、10、15、20（M）,不拆引线测量500kV避雷器,MOA质量状况的判断方法,参照标准法 横向比较法 纵向比较法 综合分析法 一看全电流，二看阻性电流，三看谐波含量，再看夹角，对各项参数作系统分析后，判定出MOA的运行情况。,避雷器放电记录器检查,用2500V兆欧表对一只46 F电容充电，将电容器对记录器放电，观察动作情况。,避雷器诊断试验（状态检修）,金属氧化物避雷器诊断性试验,交流漏电流、阻性电流和工频参考电压,交接时：MOA的IX
27、,Ir和Ic初始值必须存入设备档案避雷器持续运行电压（额定电压0.760.80）IX,Ir和Ic值要进行温度折算工频参考电压是厂定参考电流(以阻性电流分量的峰值表示，通常约为1mA-20mA)下的峰值电压。,交流漏电流、阻性电流和工频参考电压,运行中：相邻相间电容耦合影响，MOA阻性电流不易测准，工频参考电压判断标准是与初始值和历次测量值比较。110kV 及以上的MOA，降低超过10%时，宜退出运行。,非线性系数,测量在试验电压U1，U2条件下的相应电导电流I1，I2。,U2=0.5 U1,1）FZ型在0.250.45之间。2）非线性系数差值，为串联元件中两个元件的非线性系数的相差值=1-2。
28、要求同组(一相)各元件的 不大于0.05。,有间隙避雷器的工频放电电压试验,工频放电试验：放电电压为三次平均值，每次间隔不小于1 min。为在间隙建立电弧，避免工频放电电压偏高，R=0.1/V0.5/V。,有间隙避雷器的工频放电电压试验,串联间隙的MOA：调整保护电阻器，将放电电流控制在0.05A-0.2A之间，放电后在0.2s内切断电源。FS：放电后0.5s内切断电源，加过流速断保护。工频电流限制在 0.2A0.7A范围内。选用阻值较低的电阻器。升压速度35kV/S。FCZ：灭弧电压后到放电的时间，控制在 0.2s。用交流峰值表测量电压，消除放电高频振荡误差。,密封情况检查,对FZ,FCZ,FCD和较高电压等级的金属氧化物避雷器进行解体大修后，进行密封试验。将避雷器内腔抽真空(380400)133.3Pa，在5min内其内部气压的增加不应超过133.3Pa。,相关出厂试验,相关抽样试验,按批次抽取试品，每半年对电阻片进行一次加速老化试验,型式试验,新产品试制定型,型式试验,定期试验定期试验是三年作一次，从产品中抽取3只,例：500kV避雷器,一只500kV避雷器，直流参考电压偏低，接近5%。返厂试验：局放量很大（大于1000pc）。氦质谱检漏，发现轻微漏气。解体检查，发现上5片电阻片内环和对应位置绝缘杆有明显炭化现象。,例：GIS避雷器事故,
