变电站的瞬态过电压和雷击保护

瞬态过电压是电力系统的典型现象。过电压的来源是直接或附近的雷击、开关操作、电磁脉冲和静电放电。保护变电站设备免受瞬态过电压影响的经典装置是避雷器。

变电站常见的暂态过电压来自于开关操作，可怕的是雷电，它会带来较大的扰动。

雷击引起的瞬态过电压

闪电是瞬态过电压的主要来源。在免受直接雷击且接地电阻相对较低的变电站中，可能的雷电浪涌源是通过架空线路进入的行波。

当闪电击中架空线路时，会引发行波。行波的电流值取决于雷电浪涌的大小、线路浪涌阻抗和塔基电阻。在相导体充分屏蔽直接撞击的情况下，行波的主要原因是绝缘体闪络；在这种情况下，过电压幅度就是绝缘体闪络值。

闪电是随机的，雷击总是有可能绕过变电站的屏蔽，击中变电站内或附近的受保护电路。

保护变电站设备免受过电压影响的标准装置是避雷器。当从每相导体连接到地面时，电涌放电器将高浪涌电流安全地传输到地面，保护系统和设备（例如变压器、断路器和套管）免受过电压的影响。

一些有用的术语

电力系统暂态分析中有许多术语。需要注意的一些有用术语是：

电源频率：60 Hz 或 50 Hz，取决于国家标准。

闪络：绝缘体表面周围或上方的破坏性放电。不要与火花放电混淆，火花放电是避雷器术语。

火花放电：避雷器电极之间的破坏性放电。该术语不适用于无间隙金属氧化物避雷器。

工频耐受电压：避雷器不会闪络的有效值施加电压。

冲击耐受电压：避雷器不发生闪络的浪涌电压峰值。

功率跟随电流：浪涌电流通过期间和之后通过避雷器的工频电流。该术语不适用于金属氧化物避雷器。

避雷器额定电压：即使在瞬态条件下，避雷器可能承受的工频均方根线对地电压。

避雷器放电电压：避雷器承载浪涌电流时的电压。

避雷器放电电流：由于冲击浪涌而流过避雷器的电流。

工频跳火：在线路和接地端子之间引发跳火的工频有效值电压。该术语不适用于无间隙金属氧化物避雷器。

波前跳火：脉冲波前端的电压以预设的恒定速率上升，此时避雷器产生跳火。

1.2/50 μs 脉冲跳火：避雷器允许无跳火的脉冲电压。该术语不适用于无间隙金属氧化物避雷器。

连续工作电压（MCOV）：可连续施加在避雷器端子之间的有效工频电压。该术语仅适用于金属氧化物避雷器。

介电测试

异常电压应力会导致早期绝缘失效。绝缘耐压是指设备绝缘不发生故障时所承受的电压。

了解绝缘系统的承受能力和耐久性质量至关重要。绝缘类型名称以及高电位和浪涌电压测试对绝缘性能进行分类并说明耐受能力。

过压测试证明设备绝缘在制造完成后能够承受各种应力水平。常见的测试是：

基本雷电脉冲绝缘等级 (BIL)

耐受斩波 (CWW)

基本开关脉冲电平 (BSL)

波前测试

让我们进一步探讨一下每个测试。

 

基本雷电脉冲绝缘等级 (BIL)

BIL 是全波测试。标准脉冲是 1.2/50 μs (T1/T2 μs) 波形，峰值以千伏为单位。这意味着电压脉冲在 1.2 μs 内从零增加到峰值，并在 50 μs 内下降到 1/2 峰值。该波形的上升时间和持续时间复制了闪电浪涌。

实际电压的波形图可能难以解释，特别是在波形开始时。在这种情况下，BIL 测试通过定位波前电压为峰值的 30% 和 90% 的点来找到虚拟时间零，并通过这些点绘制一条直线。虚拟时间零是这条线与时间轴的交点。

图 1 显示了标准 1.2/50 μs 开路电压波形。

标准 1.2/50 μs 开路电压波形。

图 1. 标准 1.2/50 μs 开路电压波形。

T1 是从虚拟零到由峰值电压值处的直线与水平线的交点确定的点的时间。T2是从虚拟零到波尾峰值一半的时间。

因此，T1 = 1.2 μs 是波前的持续时间，T2 = 50 μs 是从虚拟零到 1/2 峰值的时间。

另一种计算峰值时间的方法是峰值 30% 到 90% 之间实际时间的 1.67 倍。峰值被分类为离散值。给定的额定电压可能有多个 BIL 级别。

雷击电流也会在很大范围内变化。行业标准脉冲电流为 8/20 μs (T1/T2 μs) 波形，如图 2 所示。

标准 8/20 μs 脉冲电流波形。

图 2. 标准 8/20 μs 脉冲电流波形。

另一种计算峰值时间的方法是峰值 10% 到 90% 之间实际时间的 1.25 倍。

耐受斩波 (CWW)

该测试的波形与用于确定 BIL 的波形相同，但在波峰后的时间 t（标准中指定）由于分流测试设备的外部杆间隙的火花而崩溃。峰值电压为 BIL 的 110% 至 115%（图 3）。

尾巴上有火花。

图 3. 尾部发生火花。

基本开关脉冲电平 (BSL)

设备的 BSL 测试与 BIL 类似，但侧重于开关脉冲而不是雷电。波形取决于测试设备。

波前测试

该测试与斩波测试类似，但电压在时间 t 时被波上升前沿上的杆间隙切断，而不是在波峰后不久。该间隙将电压限制在预设值（图 4）。

波前火花放电。

图 4. 波前跳火。

前面的描述涉及介电测试的一般原理。各种类型设备的标准详细说明了适用于相关设备的测试和方法。

避雷器的工作原理

绝缘成本非常高，因此对系统和设备进行绝缘以抵抗可能出现的任何电压在经济上是不可行的。对稳态电压进行绝缘并接受浪涌引起的所有断电也是不切实际的。在绝缘和保护装置的成本之间寻求平衡是合理的。

避雷器对于保护变电站免受雷电和开关浪涌的影响至关重要。它们的浪涌防护能力决定了电力系统的绝缘水平。

避雷器的职责是避免超出系统和设备的承受能力。然后，每当浪涌试图超过绝缘能力时，避雷器就会将电压保持在可接受的范围内，从而保护昂贵的电气设备。

避雷器一般与被保护设备并联，在正常工作条件下承受系统电压。在稳态电压下，它们的阻抗非常高。然而，当陡峭的波前浪涌进入系统时，它会在较高电压下突然下降。避雷器将避雷器击穿点上方的波浪部分转移到地面，远离下游受保护设备，如图 5 所示。

避雷器的工作原理。

图 5. 避雷器的工作原理。

为了使浪涌抑制器充分保护设备，浪涌到来之前和之后抑制器所承受的电压不得超过设备可以承受的电压。

除了避雷器将电压保持在可接受水平的能力之外，需要考虑的一个重要因素是其存储或耗散能量的能力。通过避雷器的转移电流及其两端的电压使设备吸收一定量的能量，该能量取决于浪涌的幅度和持续时间。避雷器必须在不造成任何损坏的情况下存储或耗散该能量。

在稳态条件下，其电阻应足够高，以消耗很少的电流并消耗的功率。

总而言之，避雷器应该：

在稳态条件下表现出高电阻，消耗少量漏电流（如果有）并承受其产生的热应力。

防止过压，立即释放浪涌电流并将电压限制在指定的上限（避雷器放电电压）内。

承受浪涌电流流经避雷器元件时产生的热能——避雷器放电电流。

浪涌电压和电流消失后立即恢复稳态，并中断续流。

具有规定等级的开关浪涌泄放能力。

能够对传输线进行放电

避雷器中的间隔距离

电涌放电器应尽可能靠近其保护的设备，因为无论其在运行之前通过什么，都会以相同的极性反射 - 设备的浪涌阻抗通常远大于线路的浪涌阻抗（图 6）。

如果设备和避雷器之间的距离较大，则端电压可能会达到很高的值，然后会因避雷器的反射而降低。

避雷器与变压器分离。 图片由麦格劳-爱迪生公司提供。

图 6. 与变压器分离的避雷器。图片由麦格劳-爱迪生公司提供。

保持避雷器的引线较短会降低其电感。我们必须避免避雷器的动作几乎被引线电感阻止或严重延迟的情况。

变电站暂态过电压保护综述

浪涌是电力系统中电压暂时急剧上升的现象，通常是由于闪电或内部原因（主要是开关操作）造成的。浪涌中包含的能量可能会导致电气系统和设备的绝缘故障，除非它们得到正确的保护。

避雷器通过限制雷击并将过电压限制在低于绝缘耐受电压的指定保护水平来保护变电站。

避雷器具有非线性电压和电流特性，允许它们在指定电压水平下开始导通，在过压持续时间内保持电压，并在电压恢复到稳态条件时停止导通。避雷器也吸收或耗散过电压能量。