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如何更好地理解Jonathan Woodworth的专栏文章

December 21, 2016 • Columns, Woodworth on Arresters, 最近文章汇总

这一期有一篇Jonathan Woodworth的专栏文章,题为"避雷器应用中始终要记 住的十件事"。短短的两千多字却涉及到避雷器的许多概念,本文将对其中的第一件事的某些概念进行说明。
1.避雷器的持续运行电压Uc
避雷器的持续运行电压基本上与系统的最大相电压相当,但对于中性点不直接接地系统,避雷器的持续运行电压又要大于故障期间的最大相对地额定工频电压。 由于氧化锌避雷器没有间隙,于是电网的工频电压一直加在它身上,这种电压的持续作用有可能使氧化锌产品产生老化(性能逐渐劣化),所以在避雷器的试验中,当危险的过电压过去之后,要用额定电压模拟暂时过电压加在避雷器上,时间为10秒钟(这个时间是由接在电网中的断路器的动作时间决定的,而在超高压系统中,即使考 虑后备继电保护的动作,也不超过1秒钟的时间),这还不够,因为暂时过电压之后避雷器还要承受系统的运行电压,这时就用持续运行电压去模拟系统的最大运行相电压,即系统最大运行线电压除以 根号3,加压时间为30分钟,然后再观察避雷器的温度是下降还是继续上升并造成热崩溃。所以在某种意义上来说,避雷器的额定电压和持续运行电压在试验上具有很大意义而在运行中意义不大。为了说明这一点,我们再看一例。在IEC标准和国家标准中,要做避雷器 的加速老化试验,因为氧化锌避雷器长期接在电网中,连续不断地承受电网的电压,所以产品有可能老化,产品接在实际电网中的老化是自然老化,如果我们认为某种避雷器在电网中的正常运行时间 为100年,如果用自然老化的方法,那我们要等上100年,这种等待对于任何新产品的开发是受不了的,所以必须要做人工加速老化试验,即在人为的因素下,用一段不太长的时间(当然不能太短),使产品加速老化,然后把这段时间去等效自然老化的时间。在避雷器的加速老化试验中,首先要加电压,这个电压就规定要加持续运行电压,加压时间为1000个小时(大约42天),如果氧化锌阀片的表面温度一直能保持在115±4ºC的范围内,则认为该避雷器能在持续运行电压下运行100年,这就是人工加速老化的作用,它把人工加压时间1000小时与自然加压时间100年联系起来,真是极大地提高了效率,真可 以这样说:没有人工加速老化几乎就没有任何电器设备。当然,至于能否这样等价,各国还在进一步的研究,但能够耐受持续运行电压1000小时是对氧化锌阀片的起码要求,但它真的可以等效100年 吗?我看只有天知道!
2.避雷器的额定电压Ur
一般电力设备的额定电压是最好理解的,它们大多与系统的额定电压相一致,但对于避雷器的额定电压就不同了,它首先不等于系统的额定电压,而且碳化硅避雷器和氧化锌避雷器两者的额定电压还不一样,甚至对于后者的额定电压有无必要,至今国内外的专家还有不同意见。出现上述情况的主要原因是因为避雷器是一种过电压的保护设备。一般作用于电器设备上的电压可以分为:正常运行条件下的工频电 压、暂态过电压(产生这种过电压最通常的原因是单相接地故障)、操作过电压(产生这种过电压的主要原因是由于断路器的操作)和雷电过电压。
由于氧化锌避雷器没有间隙,所以它不仅要直接承受正常工作电压和暂时过电压的作用,而且还要承受雷电过电压和操作过电压的作用。
因为避雷器要能够承受暂时过电压的作用,人们就不得不考虑在暂时过电压下避雷器的老化、寿命和热稳定问题。而避雷器的耐受暂时过电压的能力,就要用避雷器的额定电压来衡量,所以避雷器的额定电压往往大于系统的额定电压,避雷器在其额定电压下,运行一段时候(标准规定为10秒钟)后,能够正常冷却下来而不发生热崩溃。所以用避雷器的额定电压来衡量其耐受暂时过电压的能力是一个很复杂的问题,因为涉及到的运行条件是复杂的。避雷器额定电压的确定、额定电压的加压时间是否与实际系统有等价性、合理性都存在许多问题。例如在标准GB11032-89中,对于中性点非直接接地系统用无间隙氧化锌避雷器,通常取1.1倍的最大工作线电压作为避雷器的额定电压,于是对于10kV系统用避雷器的额定电压为:
1.15×10×1.1=12.65≈12.7(kV)
这就是在1989年的氧化锌避雷器的国家标准中,10kV产品的额定电压为12.7kV的由来,上式中的1.15是因为系统的最大运行电压高于正常系统电压5~15%是正常的,而10kV系统的最大运行电压往往取其上限值15%。
但是还有一种意见认为:为了保障系统的安全运行,建议提高避雷器的额定电压。例如电力部安全生产司1993年12月30日第十七期 《安全情况通报》就提出了"关于提高3--66kV无间隙金属氧化物避雷器额定电压和持续运行电压" 的要求,在1997年的机械行业标准中,也对中性点非直接接地的氧化锌避雷器提高了额定电压和持续运行电压。
现在我们知道了, 提高了避雷器的额定电压,就是提高了产品耐受暂时过电压的能力, 即增加了其使用寿命, 但是对于氧化锌材料而言, 额定电压提高了, 残压也会随之升高, 所以避雷器的保护裕度减小了。
国外有的公司干脆就把避雷器的额定电压与系统的额定线电压相对应,例如美国G.E.公司的产品目录中,将中性点直接接地系统用避雷器的额定电压定为系统额定线电压的 75~90%, 将中性点非直接接地系统用避雷器的额定电压定为系统额定线电压的 1.05~1.25%。
在我们国家, 对于在220kV及以下的中性点直接接地系统,避雷器的额定电压习惯上都取为相电压的1.4倍,对于500kV电网, 由于线路较长, 电容效应的影响较大, 所以在母线侧和线路侧的暂时过电压不一样, 在线路侧额定过电压要大一些, 所以标准规定避雷器的额定电压在母线侧和线路侧分别取最大相电压的1.3倍和1.4倍,所以同样电压等级的避雷器,往往有几个额定电压就是这样得出来的。
张德赛
INMR中文刊主编
武汉大学电气工程学院
Desai_zhang@163.com

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