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评估并联避雷器的好处

February 22, 2017 • Woodworth on Arresters

联安装当代配电避雷器有好处吗?这是近期有人提出这是浪费金钱而令我思考的问题。我也一度持这种观点, 直到我更深一步研究分析了这一主题。分析之后我的观点发生了改变。

基本上, 并联避雷器布置的真正价值很大程度上取决于安装避雷器的目的。基于此, 我想介绍这种布置的潜在优点(以及缺点), 如图1所示。

为了更好地理解电流分配, 我对额定10kA避雷器在12kVUr 下进行仿真, 模拟两只避雷器并联运行, 并施加从几百安培到100kA的8/20冲击。

图2显示了冲击电流如何在两只避雷器之间分配。Δ0% 是配合很好的避雷器, Δ20% 是配合严重不当的避雷器。按照制造商的数据库, 通过对比10kA的残压来判断二者的配合度。结果发现配合度不好程度高达20%的避雷器, 在高冲击电流下分流比仍然达到了3:1,即>50kA。实际上, 这一额定电压为12kV的避雷器, 其残压增长20%将使其额定值达到15kV。也可以说, 类似额定电压的配电避雷器出现高达20%的不匹配度不太可能。

图1:配网系统中的并联避雷器  评估并联避雷器的好处 Screen Shot 2016 11 29 at 12

图1:配网系统中的并联避雷器

对于较低的电流, 如图2所示, 避雷器之间的分流是有问题的。当电流达到几百安培时, Δ20%的不匹配显示出所有电流通过了一只避雷器。由于我们在讨论配电避雷器, 鉴于额定值较低的避雷器能够轻松处理100%的低雷电脉冲而不会超负荷, 这并不是问题。图3所示通过安装并联避雷器, 在较低电流下残压减到最小。但是在80kA冲击时, 单避雷器结构将电压钳制在48kV, 而匹配良好的并联避雷器将电压钳制在42kV。这意味着将保护提高了12.5%。如果并联避雷器的目的是为了降低施加到老化配电变压器上的压力, 那么采用配合良好的避雷器组能部分达到目的。

配电避雷器在能量处理能力上的主要功能是承载雷电流。如果并联避雷器配合良好, 即在1%至2%内, 此范围内更高电流下的分流效果优异, 此时双避雷器结构额定为至少是单避雷器的180%。因此, 如果配置双避雷器的目的是减少由于高雷电流下许多避雷器全部失效造成的停电, 那么使用并联避雷器能达到这一目的。

如果配置双避雷器是在保护策略上增加后备保护(有效的保护从不允许变压器在无保护的情况下运行), 那么就能100%达到目的。分流图像显示:高达20%不匹配度的配电避雷器仍然能够在高电流期间分担足够的电流来保护彼此。在较低电流下, 由于双避雷器中的任何一个都能承载总的电流, 无论发生什么都无关紧要。在发生避雷器过载的情况下, 短路避雷器将承载所有故障电流, 额定值较高的避雷器不会发生故障。这将使备用避雷器能够接替而成为唯一的保护者, 直到新的“搭档”被安装好。

该分析主要聚焦在配电避雷器上, 但也可以预测电站级避雷器会发生什么。变电站的雷电波很少超过15kA, 因此两个电站避雷器并联安装能够轻易处理任何雷电事件。这是由于进线输电线路通常被屏蔽, 避雷线将大多数冲击电流导入大地。此外, 变电站也总是被屏蔽的, 直击雷无法从正上方直接到达母线或避雷器。

图2:电流分配作为匹配度的函数。  评估并联避雷器的好处 Screen Shot 2016 11 29 at 12

图2:电流分配作为匹配度的函数。

图3:不同匹配程度的残压。  评估并联避雷器的好处 Screen Shot 2016 11 29 at 12

图3:不同匹配程度的残压。

另一方面, 操作冲击在电站避雷器上能达到相当高的水平, 特别是当系统中有电容器组时。我们从图2可以看出, 低电流区中, 避雷器分流得不理想。由于该原因, 安装电站并联避雷器时应当谨慎。当匹配这类避雷器时, 应当采用操作冲击残压而不是10kA残压值作为匹配特性。

据我所见, 并联安装避雷器唯一的负面之处是成本。幸运的是, 产品成本仅是全部安装成本的一部分, 不会使成本翻番。

并联安装的配电避雷器减少被保护装置的压力, 降低匹配避雷器的压力, 以及一旦其中一只避雷器失效能够立刻替换。并联安装电站级避雷器也能提供好处, 但是需要有比配电避雷器更紧密的匹配。由于输电线路避雷器基本上是更高电压的配电避雷器, 其作用不是处理操作冲击, 因此也可以并联使用以达到过度和不间断的保护。

Jonathan Woodworth

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