交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则

3500kV交流电力 系统金属氧化物避雷器使用导则 SD 177-86  中华人民共和国水利电力部 关于颁发3500kV交流电力系统 金属氧化物避雷器技术条件和3500kV交流电力 系统金属氧化物避雷器使用导则的通知 (86)水电技字第55号      现颁发3500kV交流电力系统金属氧化物避雷器技术条件(SD176 86)和3500kV交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则(SD17786)，自 1986年12月1日起施行。     该技术条件和使用导则，系参照国际电工委员会(IEC)有关标准文件 并按我国目前金属氧化物避雷器制造和电网情况所制订，是选用和鉴定国产避雷 器的技术依据，也是选用进口避雷器的参照文件。     施行中的问题和意见，请告北京清河电力科学研究院高压所水利电力部避雷 器标准化技术委员会秘书处。 1985年8月25日 1 引言     金属氧化物避雷器是用以保护电气设备免受各种过电压危害的保护设备。与 过去常规使用的普通和磁吹阀式避雷器(电阻片的主要原料为碳化硅)相比，由于以 金属氧化物为主要原料的电阻片具有优异的非线性伏安特性，可以不需要串联间 隙。因此，保护特性仅有冲击电流通过时的残压，没有因间隙击穿特性变化所造 成的复杂影响。这种电阻片因冲击电流波头时间减小而导致残压增加的特性，也 比碳化硅阀片平稳，陡波响应特性很好。金属氧化物避雷器没有工频续流，因而 也没有灭弧问题。它的电阻片单位体积吸收能量大，还可以并联使用，使能量吸 收能力成倍提高，在保护超高压长距离输电系统和大容量的电容器组时特别有 利。     另一方面，由于金属氧化物避雷器没有串联间隙，电阻片不仅要承受雷电过 电压和操作过电压，还要耐受正常的持续相电压和暂时过电压，因而存在着在这 些电压作用下的老化、寿命和热稳定问题。此外，在某些情况下，如避雷器和邻 近物体间的杂散电容，以及污秽等因素引起电压沿避雷器分布不均匀时，将造成 避雷器的局部过热。因此，在使用中考虑的问题与常规的以碳化硅为主要原料的 避雷器有所不同，需要加以注意。     本使用导则是配合部标准SD176863500kV交流电力系统金属氧化 物避雷器技术条件(以下简称技术条件)而制定的，针对金属氧化物避雷器的 特点，阐述使用中应考虑的问题。应该指出，目前这类避雷器主要用于110kV及 以上中性点有效接地系统。对于663kV中性点非有效接地系统，由于运行条 件、性能、价格等问题，一般只用于有特殊保护要求的场合。因此，本导则主要 针对110kV及以上中性点有效接地系统的使用问题，而对363kV中性点非有 效接地系统中的使用问题，主要在导则第4章中阐述。 2 选用避雷器的一般程序     本导则考虑的是安装在导线与接地部分之间的相对地避雷器，其选用的一般 程序如下： 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。必须考虑设备外绝缘的空气绝缘强度与海拔高度的关系，以及 内绝缘强度随运行时间而降低的因素。 3 避雷器主要参数的选定 3.1 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。     在实际应用中，加在避雷器两端的最大电压为系统最高工作电压的 1/，所以，选择金属氧化物避雷器时必须使它的持续运行电压大于或等于 /。电力系统的额定电压、最高工作电压和最高工作相电压见表1。 表1  电力系统的额定电压、最高工作电压和最高工作相电压  3.2 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。     对无间隙的金属氧化物避雷器，不仅要考虑安装点暂时过电压的幅值，而且 要考虑暂时过电压的持续时间，并结合避雷器的初始能量来选择其额定电压。因 为暂时过电压也可能是由雷击或操作过电压引起系统故障而产生。因此，避雷器 在承受暂时过电压前会吸收一定的操作过电压或雷电过电压能量，主要是操作过 电压能量。这部分初始能量会引起金属氧化物电阻片温度升高，因而影响避雷器 暂时过电压耐受能力。     避雷器耐受暂时过电压的允许时间是加在避雷器上暂时过电压值和初始过电 压能量的函数。对于具体的初始能量，技术条件6.5.5款中规定为动作负载试 验所产生的能量，紧接着加上预定的暂时过电压幅值，作出工频耐受伏秒特性曲 线。国外有的厂家提供的工频耐受伏秒特性曲线。其迭加的初始操作过电压能量 与两次长持续时间放电所产生的能量大体相同。     制造厂应提供避雷器的工频耐受伏秒特性曲线，供用户在选用避雷器时使 用。     表3和技术条件表1列出了可供选择的金属氧化物避雷器额定电压，按 上述要求在保证避雷器应有寿命的条件下，选择较低一级额定电压将取得更大的 保护裕度。但如与避雷器的工频耐受伏秒特性曲线(技术条件6.5.5款)，即避 雷器耐受暂时过电压的能力相比较，超过了避雷器的耐受能力，则需选择额定电 压较高一级的避雷器。 3.3 雷电过电压放电电流幅值     通过避雷器的雷电过电压放电电流幅值，主要决定于连接到变电所的输电线 路、变电所对直击雷的防护和系统电压等级以及输电线路的绝缘水平等。我国 110kV及以上等级的线路均全线架设避雷线，保护角也比较小。一般认为，通过 避雷器的雷电流幅值，110kV及220kV系统不大于5kA；330kV系统不大于 10kA；500kV系统，在变电所装有两组及以上同等的避雷器时，每组避雷器一般 不大于10kA，只有一组避雷器时不大于20kA。避雷器标称放电电流等级(技术 条件3.4条)即按此确定。     通过避雷器的雷电流波形，按国家标准GB311.61083规定，采用8/20 s的标准冲击电流波。     为了考验整体结构和电阻片在更大的雷电流下的稳定性，技术条件6.5.3 款还规定进行大冲击电流动作负载试验，使用的冲击电流波形为4/10s，幅值 为65kA、40kA及20kA。 3.4 操作过电压放电电流能量     电力系统中操作过电压的产生与运行方式的变换特性有关，情况比较复杂， 一般可以分为如下几种情况：     a.线路合闸和重合闸；     b.空载变压器和并联电抗器分闸；     c.线路非对称故障分闸和振荡解列；     d.空载线路分闸和切合电容器组；     e.中性点非直接接地系统的弧光接地过电压。     研究电力系统中的操作过电压以及通过避雷器的放电电流波形、幅值及能 量，可采用暂态网络分析仪(TNA)，也可以采用数字计算程序(EMTP)计算。     基于对系统电路和操作过电压性质的某些简化假定，国际电工委员会(以下简 称IEC)标准(草案)中采用分布参数的链型冲击发生器模拟输电线路，改变冲 击发生器各链的参数可以模拟不同的线路长度和波阻抗，并根据不同的电压等级 按比例模拟不同的过电压倍数，然后向被试避雷器比例单元放电，形成近似操作 过电压电流的长持续时间冲击电流。技术条件第6.4条参照IEC的规定，对 220kV及以上的金属氧化物避雷器，均要求进行长持续时间冲击电流耐受试验。 对220kV、330kV及500kV系统的操作过电压倍数，分别定为3.0、2.6及2.4 倍。这些倍数对现代的断路器来说是偏高的，如500kV的2.4倍，高于目前国内 线路设计中采用的统计过电压倍数2.0倍，但为考验电阻片的通流能力，还是采 用IEC规定的数字(这只是避雷器试验用的数字，并不标志更改输电线路设计用的 过电压倍数)。与IEC草案中61.4.2款相比，技术条件中增加了表6，进一步 解释表5中试验所对应的系统参数。考虑到我们可能有部分500kV线路较长，所 以IEC标准(草案)表3中等级5本来是用在750kV电压等级的，技术条 件采用了它的峰值视在持续时间(对应于线路长度)，而线路波阻抗与过电压倍数 则仍用500kV电压等级的数值，作为新的一级，适用于500kV线路长度超过 420km的情况。相应的数值列在表2中。     对于110kV系统用的金属氧化物避雷器，不必进行按输电线路特性要求的长 持续时间冲击电流的试验，可进行幅值为400A的2000s矩形波冲击电流的试 验。     技术条件表4中还列出363kV等级避雷器操作过电压试验电流为 1000A、500A、250A三种，这主要考虑保护电容器时，不同容量电容器组的要求。     金属氧化物避雷器与普通碳化硅避雷器的型式试验不同，它除要单独进行长 持续时间冲击电流或矩形波冲击电流的试验外，还应做动作负载试验。在动作负 载试验中，最后在连续两次长持续时间放电以后(100ms内)，施加额定电压和持续 运行电压，对被试避雷器比例单元进行考验。可以认为，避雷器在一次操作过电 压中吸收的能量相当于两次长持续时间放电的能量之和。 表2 不同电压等级所对应的长持续时间放电等级及线路参数      注：表中标么值的基数是系统最高相电压的峰值。     国外有的厂家为了使各种不同额定电压的避雷器的能量吸收能力统一化，以 kJ/kV(避雷器额定电压)为单位表示。这个数字是按两次长持续时间放电的能量算 出的。在使用TNA或计算机算出具体安装点的避雷器在一次操作过电压下需要吸 收的能量时，可以与厂家提供的能量吸收能力进行校核。     有的厂家对避雷器吸收操作过电压的能力以电阻片通过一定幅值的2ms方波 电流表示，允许通过的次数为20次。这种表示方法与IEC规定的动作负载试验的 考验不同。动作负载试验是在避雷器吸收操作过电压的能量后，立即施加额定电 压和持续运行电压，检验它是否保持热稳定，这是对避雷器吸收操作过电压能量 的整体考验。方波试验只表示电阻片可以通过一定次数的方波电流，性能不发生 显著变化。而对避雷器在一次操作过电压中的能量吸收能力，以及吸收该能量后 能否继续在一定时间的额定电压和随后的持续运行电压作用下保持热稳定，却得 不到明确的答案。 3.5 额定电压     避雷器的额定电压，应按3.2条的要求选定，并且要保证避雷器的持续运行 电压大于或等于所在系统的最高工作相电压。     在一定的系统额定电压与设备绝缘水平下，避雷器的额定电压越低，保护水 平也越低，保护裕度则越大。因此，只要满足上述条件，就应尽量采用较低额定 电压的避雷器。在确定暂时过电压的幅值时，不应按极端的条件计算，应考虑利 用避雷器工频耐受伏秒特性的可能，以免选取的避雷器额定电压过高，从而提高 对设备绝缘水平的要求或减少保护裕度，造成技术经济上的不合理情况。 3.6 保护特性     金属氧化物避雷器的保护特性，完全由它的残压确定。同碳化硅避雷器一 样，一般残压与避雷器的额定电压成比例。对于某一额定电压的金属氧化物避雷 器，其残压是通过避雷器电流的函数。在雷电冲击电流范围内，还与冲击电流波 头时间有关。     金属氧化物避雷器的特性表内，至少应列有8/20s标称放电电流下的残压 值。一般还应提供波头时间为1s，幅值等于标称放电电流的陡波冲击电流残 压值，为近区雷击计算校核时使用。     关于避雷器在操作过电压下的保护特性，技术条件6.3.3款规定进行操作 冲击电流下的残压试验，试验的波头时间为30s，因为操作冲击电流的波头时 间在30100s范围内，对残压值无明显影响。电流幅值则按不同电压等级规 定不同的数值(这个幅值只用于保护特性的配合，并不要求长持续时间冲击电流耐 受试验中的冲击电流也必须达到这个数值)。 3.7 配合系数     国家标准GB31183高压输变电设备的绝缘配合中，规定了高压电气 设备的绝缘水平。其中220500kV等级的设备均订有两级基准绝缘水平，以适 应不同系统特点和过电压保护设备性能等具体情况。     避雷器的保护特性，主要由陡波冲击电流残压、雷电冲击电流残压和操作冲 击电流残压来表示。相应的设备绝缘水平中的三点则为截波试验电压、全波试验 电压和操作冲击试验电压。它们之间应具有一定的配合间隔，通常用配合系数表 示。配合系数按下式计算，即     部标准SD11984500kV电网过电压保护绝缘配合与电气设备接地暂行 技术标准，规定500kV电气设备内绝缘全波雷电冲击试验电压与避雷器10kA 雷电冲击电流残压间的配合系统应不小于1.4；操作波冲击试验电压与避雷器操 作冲击电流残压间的配合系数应不小于1.15。对于截波试验电压与陡波冲击电流 残压的配合系数没有明确的要求。     确定避雷器的额定电压及相应的保护特性以后，即应校验其与被保护设备绝 缘水平之间的配合系数是否符合要求。如果配合系数低于上述数值，则应采用高 一级绝缘水平的设备，或采取措施降低暂时过电压，以便采用额定电压低一些的 避雷器。     对于系统额定电压330kV及以下电气设备的配合系数，过电压保护规程中没 有明确规定。一般认为，330kV一级可参照采用500kV的配合系数，220kV及以 下的电压等级，则应取得更大一些。     在实际工程中，当避雷器装在母线上需要同时保护电气距离比较远的变压器 和其他设备，或者保护电缆和电缆同架空线的接头，或者保护SF6气体绝缘金属 封闭电器时，要判断避雷器与被保护设备是否配合，则应通过计算机计算或模拟 试验来确定。 3.8 污秽特性     一般碳化硅避雷器，瓷套外表面污秽会引起电压分布不均匀，严重时会导致 间隙放电电压下降，甚至引起不能切断续流的事故。金属氧化物避雷器虽然没有 由间隙所引起的这类问题，但由于电压分布不均匀或暂态变化，会引起局部过 热。多节避雷器还可能发生通过电阻片的电流和瓷套外表面电流之间的转移。所 以，金属氧化物避雷器也必须进行污秽试验。     人工污秽试验应能模拟避雷器由于污秽引起的热效应。试验结果应表明，有 足够外绝缘强度的避雷器的内部设计，不会使其能量吸收能力降低到不能保证的 数值。     但是，人工污秽试验很难代表实际的运行条件，因此，需要积累自然污秽现 场试验的数据。     首先应采取的措施是，按照部颁污秽地区分级标准，采用相应的瓷套爬电距 离。 4 中性点非有效接地系统中金属氧化物避雷器的应用     金属氧化物避雷器在中性点非有效接地系统中的运行条件，比在中性点有效 接地系统中苛刻。非有效接地系统可能带单相接地运行持续一段时间，也可能发 生铁磁谐振等过电压，因而过电压的持续时间往往达几十分钟或更长，倍数也比 较高。如按此选择金属氧化物避雷器的额定电压，过电压持续时间愈长，幅值愈 高，则要选的额定电压愈高，结果保护效果也愈差。反之，避雷器则有损坏危 险。此时，对无间隙金属氧化物避雷器的威胁比普通阀型避雷器大，是个值得注 意的问题。同时，在非有效接地系统中，我国的金属氧化物避雷器在性能和价格 上同普通阀式避雷器相比，也没有明显的优越性。因此，对非有效接地系统，只 在特殊情况下(诸如弱绝缘、频繁动作或需要释放较大的能量)才使用金属氧化物避 雷器。     在中性点非有效接地系统中，需要使用金属氧化物避雷器保护的，通常有下 列三种情况：     a.频繁切合的电动机；     b.并联电容器组；     c.SF6气体绝缘金属封闭电器。     上述三种情况选用金属氧化物避雷器的条件也不相同。保护频繁切合的电动 机时，由于电动机的绝缘水平较低，需要有比较好的保护特性，避雷器的额定电 压应选得低些；保护并联电容器组时，由于在操作过电压下通过避雷器释放的能 量较大，避雷器的额定电压要选得高些；SF6组合电器一般用于35kV和63kV等 级，系统的规模较大、发生持续时间较长的过电压的机会较多，因而避雷器的额 定电压要选得高些。以上几种用途的避雷器的额定电压和保护特性，可按表3中 的参数选取。由于金属氧化物避雷器在中性点非有效接地系统中使用的经验还不 多，该表所列参数还是建议数值。在采用时，还可根据具体情况有所变更。 5 维护和检查 5.1 维护     为了防止避雷器由于严重污秽引起的局部过热，建议定期清扫或带电水冲 洗。 5.2 检查     发电厂、变电所的避雷器应安装专用的动作记录器，记录通过避雷器冲击电 流的次数。     在正常运行电压下，通过避雷器内部的电流大约为数百微安，包含阻性分量 和容性分量，其中主要是容性分量。此外，还有一定的流经瓷套外表面的泄漏电 流，其大小因污秽程度而异。通过专门的测量方法，用仪器和示波器定期监测通 过避雷器电流的阻性分量的变化，是判断避雷器电阻片的老化情况或寿命终止的 有效方法。     金属氧化物避雷器应定期进行预放性试验，预放性试验的项目、周期和标 准，在部颁标准电气设备预防性试验规程(1985年)中已作规定。 表3 中性点非有效接地系统避雷器性能  _      附加说明：     本标准由水利电力部科学技术司提出，由水利电力部避雷器标准化技术委员 会负责起草。     起草工作组成员：李启盛 梁毓锦(以下按姓氏笔划为序)                     王志胜 王维洲 冯家明 刘叔华 张大琨                     张学鹏 张翠霞 沈宗扬 樊 力 颜 文