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缩短避雷器引线长度, 如何省钱且大量减少二氧化碳的排放

September 24, 2015 • Arresters / 避雷器, Columns, Woodworth on Arresters, 最近文章汇总

据估计,全世界正在运行的配电变压器有二亿到三亿台。 我估算,在这些变压器中,大约有几十万台用下图所示的 方式进行保护,下图拍慑的是突尼斯的一条单相配电线 路的照片。 在这种配置中,避雷器相当好地保护了杆塔顶上的两个绝缘 子,但是,对位于下面大约5米处的配电变压器却实质上没有 起到保护作用。这是令人遗憾的,因为我认为,变压器是杆 塔上最昂贵也是最敏感的设备,因此,安装避雷器的主要目 的 是 为 了 保 护 变 压 器 。确 实 ,我 想 要 提 醒 读 者 ,说 到 雷 电 冲 击保护,因其固有的电感,过长的避雷器引线是“大敌”。在 某些情况下,如上图所示,这些引线甚至能使避雷器几乎失 去作用。 确定避雷器引线长度是否适当并非总是明显的,因此,最好 事先了解一些基本原理。 适当的引线长度是指把冲击电流引入和引出避雷器的那一段 引线,并与被保护的绝缘相并联。下图一突尼斯配置的例子 中,避雷器的引线由A点到B点,而接地引线由C点到D点。这 两根引线将冲击电流导入和导出避雷器,并在电学上与变压 器并联。变压器的引入和引出线与避雷器引线不相关联,因 为它们不传导冲击电流。  
Fig 1: Arrester installed on Tunisian distribution system showing long lead lengths. 缩短避雷器引线长度, 如何省钱且大量减少二氧化碳的排放 缩短避雷器引线长度, 如何省钱且大量减少二氧化碳的排放 Pic165

Fig 1: Arrester installed on Tunisian distribution system showing long lead lengths.

  引线长度如此重要的原因是,在冲击期间,引线上形成的电 压必定会加到避雷器的残压上,从而明显降低避雷器的保 护能力。引线两端的电压(随后会加到变压器两端)计算式为 E=L×di/dt,即,电感与电流变化率的乘积。因此,与电流缓 慢上升的情况相比,快速上升的冲击下,引线两端的电压更高。雷电冲击情况下,到达 第一个冲击波头的时间一 般是5到10微秒,第二个冲 击和随后冲击的上升时间 为0.1到2微秒。
为了论证引线过长的负面 影响,我采用突尼斯的配 置建立了一个ATP模型,并 且模拟了(T1)两次雷电对 线路的袭击,第一次袭击 在0微秒,第二次袭击在此 后的20微秒。此外,作为模 拟的一部分,第一次冲击 使用了30 kV,10微秒到达 电流脉冲峰值,第二次冲 击使用了15 kV, 1微秒到达 电流脉冲峰值。这应该可 以论证冲击陡度的影响。
依据上面的照片,我估算了避雷器上下方的引线长度大约都 是5m的情况,即它们引导冲击电流,与此同时,与变压器是 并联的。然后,我建立了第二种配置模型(T2)并进行模拟, 将避雷器安装在变压器上,但是这次,避雷器之上和之下的 引线仅有 0.3m。在两种情况下,选择的都是 7 .2 kV Uc 避 雷器。图二绘制了两种配置中变压器绝缘两端的电压。现 在可以看出,红色轨迹(T1-长引线慢冲击)在7. 5微秒处引 起50 kV的峰值电压,而长引线配置中的快速冲击在21微秒 处,变压器两端形成了281 kV的峰值电压。第二种短引线配 置的模拟中(图二中的绿色轨迹,T2所示)可以看出,快速冲 击期间,变压器上的最大电压强度仅有 38 kV。这意味着,仅 仅只是避雷器引线的不同,变压器上电气强度的差别大约是 245 kV。
这个实例证明,为什么在变压器保护中,明显倾向于把避雷 器直接安装在变压器的箱体上。和安装在杆塔横担上相比, 这种安装形式唯一的问题是,熔断器保险丝的额定值。在安 装到箱体的配置中,为了确保雷电冲击不烧断保险丝,多数 电业部门采用的方法是,把保险丝的额定值提高几个安培, 或者使用熔断时间较慢的保险丝。如果采用了前一种解决方 法,令人烦恼的保险丝烧断将不再是问题。 那么,缩短引线长度如何省钱和抵抗气候变化呢? 采用上述既简单又低成本的解决方案,电业部门能够将避雷 器安装到靠近变压器的地方,有效地实现最大的保护。避雷 器的基本功能是避免更换变压器,但是,电路内的长引线会 大大削弱避雷器的价值。更换变压器⋯增加停工时间⋯加大 变压器的生产量—所有这些都可以被降到最小化,显然达到 了节省金钱,以及减少数以吨计二氧化碳的排放。
 
Fig. 2: Results of an ATP simulation of a two stroke lightning surge to two transformers, one protected with arresters having long leads and one with short leads. 缩短避雷器引线长度, 如何省钱且大量减少二氧化碳的排放 缩短避雷器引线长度, 如何省钱且大量减少二氧化碳的排放 Pic229

Fig. 2: Results of an ATP simulation of a two stroke lightning surge to two transformers, one protected with arresters having long leads and one with short leads.

    Jonathan Woodworth

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