高压电力装置的防雷技术和技术改革

高压电力装置的防雷技术和技术改革龙世清摘要：本文叙述高压电力装置防雷技术发展概况及各种防雷器件结构和性能特点，并着重分析论述防雷技术认识误区问题，最后指出防雷技术改革的目的、要求及措施。关键词：防雷技术、防雷保护功能完全、雷电陡波、暂态过电压危害、碳化硅避雷器、串联间隙氧化锌避雷器1、原始的防雷技术高压（指额定电压3～35kV的，下同）电力装置在其发展使用初期多依靠裸导线架空线路供应电力，架空导线一般在离地面6～18m的空间，可能遭受雷电过电压危害（主要指雷电入侵波，防直击雷的避雷线和避雷针保护不属本文范围），使线路或设备绝缘击穿而损坏。原始的防雷技术是在线路或设备上人为地制造绝缘薄弱点即间隙装置，间隙的击穿电压比线路或设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，雷电过电压下间隙击穿接地，放电降压而起到保护线路或设备绝缘的作用。1.1、保护间隙，其两极由角形棒组成，一极固定在绝缘件上连接带电导线，而另一极接地，间隙击穿后电弧在角形棒间上升拉长，电弧电流较小时可以自行熄弧，电弧电流大到几十A以上时就不可能自行熄弧；雷电过电压时，单相、两相或三相间隙都可能击穿接地，造成接地故障、两相或三相间短路故障，以致线路电源断路器保护动作分闸。1.2、管型避雷器，是一种具有喷气熄弧功能的间隙装置，它有内外两个间隙，外间隙类似保护间隙，两极均固定在绝缘件上，内间隙置于避雷器管内，当雷电过电压内外间隙击穿时，雷电流和工频短路电流经管内壁接地，管壁物质受热气化，有较大压力气体经内间隙喷出管外，强制间隙熄弧。管型避雷器的选用受安装地点最大、最小短路电流制约，最大短路电流大于避雷器的断流上限时避雷器会爆炸；短路电流小于避雷器的断流下限时就不能熄弧，避雷器可能烧坏。另外管型避雷器多次动作后，管内径会逐渐增大，熄弧能力会下降甚致消失。2、现行防雷技术保护间隙和管型避雷器都是靠间隙击穿接地放电降压起到保护作用，这种作用同时会造成接地故障或相间短路故障，保护作用不完善是显见的，在现行防雷保护中仅将它们限用于线路防雷，并尽量与自动重合闸装置配合，以减少线路停电事故。而对于电气设备防雷多采用阀型避雷器，它像似带有自动闸阀器具，在过电压下自动开闸泄流降压，恢复运行电压时闭闸断流，这种保护作用是靠避雷器内电阻元件的限流限压作用实现的，过电压下电阻元件可将雷电流限制在5kA内，电压（即残压）限制在设备的雷电冲击绝缘水平以下；有些电阻元件在运行电压下仍有电流（即续流）通过，长时续流会使其损坏，故一般需加串联间隙隔离运行电压，并*间隙灭弧和切断续流。避雷器的电阻元件可避免电力系统直接接地或相间短路故障，其保护作用不会影响电力系统的正常安全运行，是阀型避雷器突出优点。阀型避雷器的发展已有几代产品。2.1、丸式避雷器（第一代），其结构为将间隙和电阻元件（丸状二氧化铅或金刚砂）压紧密封在避雷器瓷套内。正常电压时间隙隔离运行电压，雷电过电压间隙击穿时，因二氧化铅为低电阻物质，利于大量雷电流泄流入地降低电压，二氧化铅因泄流发热部分变为高电阻的一氧化铅，遏制减小工频续流，便于间隙灭弧断流。丸式避雷器保护特性不理想，在我国没被推广使用，完全为碳化硅避雷器所取代。2.2、碳化硅避雷器（第二代），为建国初期仿苏改型品，其结构为将间隙和若干片SiC阀片压紧密封在避雷器瓷套内，保护作用是利用SiC阀片的非线性特性，在过电压下电阻变得很小，可大量泄放雷电流限制残压，而在雷电压过去后电阻自动增大，限制续流在几十A内，使间隙能灭弧和断流。碳化硅避雷器在我国使用历史较长，量大面广，是现行防雷技术中主要的防雷电器。但它也有一些固有缺点：如只有雷电幅值（指最大幅值，下同）限压保护功能，而无雷电陡波保护功能，防雷保护功能不完全；没有连续雷电冲击保护能力；动作特性稳定性差可能遭受暂态过电压危害；动作负载重使用寿命短等。这些已暴露出碳化硅避雷器有使用的隐患性和产品技术落后性。2.3、氧化锌避雷器（第三代），是世界公认的当代最先进防雷电器，在我国为20世纪80年代引进日本生产设备和生产技术的新产品。其结构为将若干片ZnO阀片压紧密封在避雷器瓷套内。ZnO阀片具有非常优异的非线性特性，在较高电压下电阻很小很小，可以泄放大量雷电流残压很低，在电网运行电压下电阻很大很大，泄漏电流只有50～150μA，电流忒小可视为无工频续流，这就是可以作成无间隙氧化锌避雷器的原因，它对雷电陡波和雷电幅值同样有限压作用，防雷保护功能完全是其突出优点。在我国先生产使用的正是无间隙氧化锌避雷器，运行实践表明，它有损坏爆炸率高，使用寿命短等缺点，究其原因，暂态过电压承受能力差是其致命弱点。而串联间隙氧化锌避雷器仍有无间隙氧化锌避雷器的保护性能优点，同时有暂态过电压承受能力强的特点，是一种理想地扬长避短产品，结合国情在3～35kV系统串联间隙氧化锌避雷器才是当代最先进防雷电器。2.4、现行防雷技术特点。现行过电压保护规范GBJ64－83和电力行标准DL/T620－1997（以下简称规范和标准）对高压电力装置的防雷保护规定，线路上装设保护间隙或管型避雷器，对各类电气设备装设阀型避雷器。这表明现行防雷技术的特征是“在电力系统中各种防雷器件，不分优劣兼容并用，实际使用以碳化硅避雷器为主”。其保护模式是系统中保护间隙或管型避雷器、阀型避雷器并用，其技术水平是只注重雷电幅值限压保护，有防雷保护功不完全，保护性能不完善等缺点或隐患，技术水平落后，其技术政策是容许使用原始的落后的防雷器件。应认识到使用原始的落后的防雷器件就是容许和保护落后技术，必然会制约和阻碍系统的防雷技术发展提高。改革、发展、进步是新世纪时代科学技术发展趋向，历史时代前进主流。因此现行防雷技术有必要技术改革，改革其落后的防雷保护模式，提高其防雷技术水平，促进其防雷技术政策现代化。3、防雷技术一些认识误区问题防雷技术在我国长期停滞不前，近50年不变，主要是对防雷技术长期存在一些认识误区的原因。3.1、认为只要使用了避雷器就完成防雷保护任务。避雷器顾名思义是防雷保护用的，但有的避雷器防雷保护功能完全，有的则不完全，如碳化硅避雷器因灭弧及断续流要求，间隙由几十个甚至上百个小间隙串联组成，其保护动作（全部间隙击穿）时间，有延时积累效应，即预放电时间1.5～20μs（延时），它远大于雷电陡波波头（1μs），故碳化硅避雷器没有雷电陡波保护功能，只有雷电幅值保护功能，雷电幅值和雷电陡波都可能损坏电气设备，雷电幅值故障形式为设备相对地或相间绝缘击穿，雷电陡波对感性设备故障形式为匝间绝缘击穿。如某矿6kV变电亭雷击变压器损坏，经检查变压器处避雷器的放电记录器未动作，变压器压间击穿，这是典型雷电陡波故障。3.2、避雷器是过电压保护电器，但大多忽视了它本身的过电压防护问题。对于能量有限的过电压如雷电过电压和操作过电压，避雷器泄流能起限压保护作用。对能量是无限（有补充能源）的过电压，如暂态过电压（工频过电压和谐振过电压的总称），其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍，与工频电源频率总有合拍的时候，如因某些原因而激发暂态过电压，工频电源能自动补充过电压能量，即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减，暂态过电压如果进入避雷器保护动作区，势必长时反复动作直至热崩溃，避雷器损坏爆炸，因此暂态过电压对避雷器有致命危害。如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器，称之为暂态过电压承受能力强，反之称暂态过电压承受能力差。碳化硅避雷器暂态过电压承受能力强，但由于运行中动作特性稳定性差，常因冲击放电电压（保护动作区起始电压）值下降，仍可能遭受暂态过电压危害。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压（可近似地把参考电压当作拐点电压）偏低，仅2.21～2.56Uxg（最大相电压），而有些暂态过电压最大值达2.5～3.5Uxg，故有暂态过电压承受能差的缺点。对暂态过电压危害有效防护办法是加结构性能稳定的串联间隙将全部暂态过电压限定在保护死区内，使避雷器免受其危害。串联间隙氧化锌避雷器有此独具优点。3.3、只注意到防雷器件防雷保护电力装置安全作用，轻视或忽视有些器件的保护作用对电力系统不安全影响。保护间隙和管型避雷器在间隙击穿后，保护回路再也没有限流元件，保护动作都要造成接地故障或相间短路故障，保护作用增多电力系统故障率，影响电力系统的正常、安全运行、规范和标准规定“保护间隙应尽量与自动重合闸装置配合，以减少线路停电事故”。这是一种补救措施，非治本之策。自动重合闸装置由于要求技术条件高，价格贵，只在大中型变电站才有条件采用，对大多数中小型变配电所没条件采用，他们大多把“应尽量”理解为“也可不装”。还有人只看重保护间隙结构简单价格低兼，但若加上自动重合闸装置总费用远比采用先进防雷电器贵。管型避雷器利用喷气灭弧作用，可瞬时消除接地故障或相间短路故障，但随其动作次数增多，灭弧能力下降，仍有接地故障或相间短路故障的隐患。应认识到治本之策是使用氧化锌避雷器，从根本上避免保护作用产生接地故障或相间短路故障，且不用自动重合闸装置就能减少线路雷害停电事故。3.4、避雷器选用没注意其连续雷电冲击保护能力。有时高压电力装置可能遭受连续雷电冲击，连续雷电冲击是指两次雷电入侵波间隔时间仅数百μs至数千μs，间隔时间极短。碳化硅避雷器保护动作既泄放雷电流也泄放工频续流，切断续流时耗最大达10000μs，一次保护循环时间要远大于10000μs才能恢复到可进行再次动作能力，故碳化硅避雷器没有连续雷电冲击保护能力。氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流，雷电流泄放（小于100μs）完毕，立即恢复到可进行再次动作能力，故氧化锌避雷器具有连续雷电冲击保护能力，这对于多雷区或雷电活动特殊强烈地区的防雷保护尤为重要。3.5、只关注防雷器件泄放雷电流的限（降）压保护作用，轻视或忽视有些器件同时泄放工频电流浪费能源作用。保护间隙或管型避雷器保护动作可能伴随短路电流（几kA至几十kA）对地放电，碳化硅避雷器保护动作有工频续流（避雷器FS型为50A，FZ型为80A，FCD型为250A）对地放电，这些都是工频能源的浪费，可是人们长期对这种现象熟视无睹习以为常，认为一次保护动作浪费不大，不值得大惊小怪小气吝啬。应认识到“涓滴之水，汇成江河”的道理，这种能源浪费，如积全国之数，积长年之数，岂可小看。使用氧化锌避雷器可彻底避免保护作用带来的工频能源浪费。3.6、避雷器的选用常只侧重雷电残压参数的考察，而忽略了其它保护特性参数的考察。各种型号的避雷器在同用途同电压级时，其雷电残压参数相同或接近，这是因为各生产厂都是按国标规定决定残压值的。有人认为既然雷电残压值一样，它们的保护作用和效果也应是一样的，随意选用哪种型号都可以。这是一种偏见，因为除雷电残压外，还有其它保护参数，如工频放电电压值，冲击放电电压值，是考察避雷器暂态过电压承受能力，保证其长期正常运行的参数；又如是否有雷电陡波残压值，是标示避雷器防雷保护功能完全的重要参数。综合来看，只有串联间隙氧化锌避雷器齐备上述保护特性参数，也就是说它有齐全的防护功能。3.7、选用避雷器多只考察产品样本提供参数值，未考察动作特性运行稳定性。碳化硅避雷器保护动作要泄放雷电流和工频续流，动作负载重，经计算每次动作泄放雷电流为0.04～0.07C电荷量，工频续流为0.5～2.5C电荷量，后者与前者相比一般为11～17倍，且其间隙数量多隙距，常因动作负载重使部分间隙烧毛烧损，另外瓷套外壳脏污潮湿也会影响内间隙电容分布，这些都可能使部分间隙失效而降低冲击放电电压值，即动作特性稳定性差，可能增加保护动作频度，或遭受暂态过电压危害，而加速损坏。串联间隙氧化锌避雷器保护动作只泄放雷电流而无续流，动作负载轻，间隙不需具有灭弧及切断续流能力，故间隙数量特少，3～10kV避雷器仅一个间隙，35kV避雷器为3个间隙串联，间隙的工频放电电压值与碳化硅避雷器相同，符合GB7327规定，故间隙隙距大，动作特性可保持长期运行稳定。3.8、选用避雷器多未认真注意其使用寿命问题。避雷器使用寿命与许多因素有关，除制造质量，密封失效受潮及其它外界因素外，避雷器阀