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3～500kV交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则SD177-86中华人民共和国水利电力部关于颁发《3～500kV交流电力系统金属氧化物避雷器技术条件》和《3～500kV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《3～500kV交流电力系统金属氧化物避雷器技术条件》(SD176—86)和《3～500kV交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》(SD177—86)，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SD176—86《3～500kV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6～63kV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3～63kV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Um的1/3，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Um/3。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GB311.6～10—83规定，采用8/20μs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4/10μs，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2000μs矩形波冲击电流的试验。《技术条件》表4中还列出3～63kV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8/20μs标称放电电流下的残压值。一般还应提供波头时间为1μs，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