一种变电站过电压保护装置的制作方法

1.本发明涉及电力系统过电压保护技术领域，尤其涉及一种变电站过电压保护装置。


背景技术：

2.当输电线路遭受雷击后，雷电波沿线路向两侧的变电站传播，容易形成雷电侵入波进入变电站，站内电力设备对地绝缘将承受雷电过电压。近年来，电力系统内发生多起雷电侵入波作用造成的线路开关断口击穿故障、变电站内老旧设备绝缘击穿故障等，对变电站过电压保护提出了更高要求。
3.避雷器是变电站过电压保护的基本配置，整只避雷器的伏安特性为其内部每片电阻片的伏安特性叠加而成，主要参数为参考电压和标称放电电流下的残压，为保障避雷器自身安全运行，要求参考电压(1ma电流对应的电压)足够高，为提高避雷器的过电压保护性能(常用变电站雷电冲击耐受电压与避雷器残压的比值高低反映，较高者保护性能较好)，要求残压较低。但对于同一种电阻片配方和制造水平，避雷器的伏安特性是一定的，即残压与参考电压呈现正相关性，若残压降低则参考电压必然随之降低。基于目前的电阻片性能水平，现有的避雷器大多通过牺牲自身运行安全性来降低残压，难以兼顾参考电压和残压的要求，且基于现有技术采用多柱并联避雷器或多个避雷器并联的方式，降低残压的空间只有10％左右，难以大幅度降低残压，无法在保障避雷器自身安全运行水平的同时大幅度提高避雷器过电压保护能力。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种变电站过电压保护装置，能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时大幅度提高避雷器过电压保护能力。
5.为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种变电站过电压保护装置，包括无间隙金属氧化物避雷器和带并联间隙金属氧化物避雷器；所述带并联间隙金属氧化物避雷器包括避雷器本体和并联间隙；
6.所述无间隙金属氧化物避雷器的一端通过线路侧开关连接变电站，所述无间隙金属氧化物避雷器的另一端分别与所述避雷器本体和所述并联间隙的一端连接，所述避雷器本体和所述并联间隙的另一端均接地。
7.进一步地，所述无间隙金属氧化物避雷器与所述避雷器本体的额定电压之和等于目标避雷器的额定电压；其中，所述目标避雷器为110kv或220kv电压等级的避雷器。
8.进一步地，所述避雷器本体的额定电压低于所述无间隙金属氧化物避雷器的额定电压。
9.进一步地，所述无间隙金属氧化物避雷器为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器，所述带并联间隙金属氧化物避雷器为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。
10.进一步地，所述带并联间隙金属氧化物避雷器采用支撑绝缘并联间隙结构；所述
支撑绝缘并联间隙结构由支撑绝缘子和一对半球形金属电极构成。
11.进一步地，所述并联间隙的距离为15～30mm中的任一取值。
12.相比于现有技术，本发明的实施例，具有如下有益效果：
13.通过选用无间隙金属氧化物避雷器和带并联间隙金属氧化物避雷器，将无间隙金属氧化物避雷器与带并联间隙金属氧化物避雷器串联，组成变电站过电压保护装置。在变电站正常运行或发生内部过电压时，并联间隙不击穿动作，由无间隙金属氧化物避雷器和避雷器本体共同承担运行电压或限制变电站内部过电压，确保无间隙金属氧化物避雷器和避雷器本体的运行安全性；在雷电冲击过电压下，并联间隙可靠击穿而临时短接避雷器本体，无间隙金属氧化物避雷器在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，变电站过电压保护装置获得较低的端部电压，且可通过调整无间隙金属氧化物避雷器和避雷器本体的额定电压之比，来获得期望较低残压的同时，又能够确保并联间隙续流遮断前最严苛工况下无间隙金属氧化物避雷器荷电率满足要求，从而能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时大幅度提高避雷器过电压保护能力。
附图说明
14.图1为本发明实施例中的一种变电站过电压保护装置的结构示意图；
15.图2为本发明实施例中示例的无间隙金属氧化物避雷器与避雷器本体的伏安特性曲线图；
16.图3为本发明实施例中示例的一种变电站过电压保护装置的伏安特性曲线图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.如图1所示，本发明实施例提供一种变电站过电压保护装置，包括无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2；带并联间隙金属氧化物避雷器2包括避雷器本体21和并联间隙22；无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3，无间隙金属氧化物避雷器1的另一端分别与避雷器本体21和并联间隙22的一端连接，避雷器本体21和并联间隙22的另一端均接地。
19.作为示例性地，选用无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2，将无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3，将无间隙金属氧化物避雷器1的另一端分别与避雷器本体21和并联间隙22的一端连接，将避雷器本体21和并联间隙22的另一端接地，其中，带并联间隙金属氧化物避雷器2低压侧接地，形成变电站过电压保护装置。
20.应用变电站过电压保护装置，在变电站3正常运行时，无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2串联运行，由无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21共同承担运行电压或限制变电站3内部过电压，其中，内部过电压通常因电力系统操作或者故障所伴随的暂态过度过程而产生，一般在运行电压的1.5倍以下，较雷电过电压低得多，
此时，带并联间隙金属氧化物避雷器2的并联间隙22不击穿，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21承受运行电压或限制内部过电压的性能与现行单个避雷器型式的避雷器相同，确保无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的运行安全性。
21.在雷电冲击过电压下，并联间隙22击穿放电而临时短接避雷器本体21，避雷器本体21退出运行，无间隙金属氧化物避雷器1在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，在整个雷电侵入波作用过程中，并联间隙22处于击穿状态，变电站过电压保护装置整体的端部电压等于无间隙金属氧化物避雷器1的残压加上并联间隙22的弧道压降，考虑到并联间隙22的距离较短，比如15～30mm，弧道电阻较低，并联间隙22的弧道压降较无间隙金属氧化物避雷器1的残压低得多，可忽略不计，变电站过电压保护装置整体的端部电压仅取无间隙金属氧化物避雷器1的残压，能够大幅度降低变电站过电压保护装置整体的残压，有效提高过电压保护装置的过电压保护能力。
22.可以理解的是，通过改变现行单个避雷器的型式，将单柱一体式避雷器分成两个串联部分的结构模式，通过并联间隙22实现其中一部分在必要时退出，实现伏安特性分段化，以获得雷电侵入波下的较低残压。
23.本实施例通过选用无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2，将无间隙金属氧化物避雷器1与带并联间隙金属氧化物避雷器2串联，与变电站3连接，组成变电站过电压保护装置。
24.应用变电站过电压保护装置，在变电站3正常运行或发生内部过电压时，由无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21共同承担运行电压或限制变电站3内部过电压，确保无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的运行安全性；在雷电冲击过电压下，并联间隙22可靠击穿而临时短接避雷器本体21，无间隙金属氧化物避雷器1在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，从而能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时大幅度提高避雷器过电压保护能力。
25.考虑到当雷击线路引起线路绝缘子闪络建弧导致线路侧开关4跳闸后，在重合闸之前这段时间里(约1s)，线路再遭受重落雷时，雷电侵入波将在开关断口处形成全反射，此时开关断口灭弧室内绝缘气体仍处于热状态，雷电冲击耐受水平下降，极易引起断口重击穿的故障，此时需要更低的避雷器残压来配合，因此，将变电站过电压保护装置安装在线路侧。
26.对于线路绝缘子闪络但未建立稳定电弧的情形，线路侧开关4不动作，无法切除雷击线路，雷电侵入波进入变电站3，给绝缘薄弱设备带来较高的运行风险，此时，安装在线路侧的变电站过电压保护装置动作后，因其低残压也能起到降低雷电侵入波幅值的作用。
27.本实施例考虑到对于沿着变电站3出现的雷电侵入波而言，线路侧避雷器充当变电站3过电压保护的第一道防线，通过将无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3，使变电站过电压保护装置作为线路侧避雷器，能够有效避免出现线路开关断口击穿故障，以及变电站3内老旧设备绝缘击穿故障，提高线路侧避雷器过电压保护能力。
28.可以理解的是，变电站过电压保护装置主要作为线路侧避雷器，也可作为变电站内母线避雷器或变压器侧避雷器。
29.在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变
电站3内的母线31。
30.本实施例通过将无间隙金属氧化物避雷器1的一端通过线路侧开关4连接变电站3内的母线31，可使变电站过电压保护装置起到变电站母线避雷器的作用，能够有效避免出现变电站3内电气设备(包括变压器)故障，提高变电站3内母线避雷器过电压保护能力。
31.在单线单变结构(即变电站3没有母线31，一条线路经过线路侧开关4直接接变电站3内一台变压器)中，变电站过电压保护装置不仅保护线路侧开关4，还起到变电站3内变压器220kv或110kv侧避雷器的作用，能够有效避免出现变压器绕组击穿故障，提高变压器侧避雷器过电压保护能力。
32.在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1与避雷器本体21的额定电压之和等于目标避雷器的额定电压；其中，目标避雷器为110kv或220kv电压等级的避雷器。
33.作为示例性地，通过选用无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21，使无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的额定电压之和与现行110kv或220kv电压等级的避雷器的额定电压相等，不仅能够保证正常运行电压下，变电站过电压保护装置整体的荷电率水平与现行避雷器相同，还能够保证在内部过电压作用下并联间隙22不击穿，变电站过电压保护装置整体限制内部过电压的性能与现行避雷器相同。
34.考虑到对于同一种电阻片配方和制造水平，伏安特性是一定的，选择较少的电阻片数量，伏安特性下降，避雷器额定电压和雷电冲击电流下残压也相应降低，在选用无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21时，可要求无间隙金属氧化物避雷器1选取的电阻片与避雷器本体21选取的电阻片为同一种电阻片。
35.避雷器通常由数十片电阻片串联叠加组成，为保证电压分布一致，确保每片电阻片的荷电率相等，以及避免个别电阻片负担过重而在运行中老化(劣化)加快，在组装整个避雷器时，选择伏安特性偏差在一定范围内的电阻片进行组合，因此可认为每片电阻片的伏安特性相同，这样，整个避雷器的伏安特性即为单片电阻片伏安特性之和。
36.当无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的电阻片为同一种电阻片时，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的额定电压、1ma参考电压、残压与其内部串联的电阻片的数量成比例，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的额定电压、参考电压、残压如图2所示。
37.而变电站过电压保护装置的运行原理是在高风险雷电大电流下，通过并联间隙22击穿放电而临时短接避雷器本体21，达到降低整体残压的目的。在整个雷电侵入波过程中，并联间隙22处于击穿状态，变电站过电压保护装置整体的端部电压等于无间隙金属氧化物避雷器1的残压与并联间隙22的弧道压降之和，考虑到并联间隙22的距离较短，比如15～30mm，弧道电阻较低，并联间隙22的弧道压降较无间隙金属氧化物避雷器1的残压低得多，可忽略不计，变电站过电压保护装置整体的端部电压仅取无间隙金属氧化物避雷器1的残压，而无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的残压之和等于现行避雷器的残压，因此变电站过电压保护装置整体的端部电压较现行避雷器的残压低，如图3所示，变电站过电压保护装置的伏安特性曲线实现分段化，并联间隙22在电流i1下击穿后，变电站过电压保护装置将获得较低的残压。
38.在优选的实施例当中，避雷器本体21的额定电压低于无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压。
39.作为示例性地，通过选用无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21，使避雷器本体21的额定电压低于无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压，将无间隙金属氧化物避雷器1作为变电站过电压保护装置的主体。
40.变电站过电压保护装置的运行原理是通过并联间隙22击穿放电而临时短接避雷器本体21，达到降低整体残压的目的，理论上只要短接一定比例的串联避雷器，通过调整并联间隙22的距离，就可以获得足够低的残压。
41.但过分降低残压，可能在并联间隙22击穿过程中，使无间隙金属氧化物避雷器1承受较高的运行风险，典型情形是雷电过程之后的并联间隙22工频续流遮断前的短暂时间，以及正常运行状态下并联间隙22因污秽等原因而发生误击穿，因此，需要校核在上述恶劣工作条件下无间隙金属氧化物避雷器1的荷电率，以确定残压降低幅度。
42.荷电率指的是避雷器承受运行电压与额定电压的比值，以反映避雷器的运行负担。一般来说，荷电率越高，避雷器正常运行下将流过较高的泄漏电流，避雷器的老化(劣化)风险相应增加，为了保证避雷器长期安全运行，不同制造厂对产品的荷电率是有限制的。一般制造水平电阻片的荷电率可达到80％，较好者可容许在90％的荷电率下运行。
43.在110kv正常运行电压(63kv)下，典型的yh10w-108/281型110kv无间隙金属氧化物避雷器的荷电率约为58％，最高运行电压(73kv)下荷电率可达到67％。
44.如果选择相同的两节避雷器串联组成，则在并联间隙22击穿后的严苛工况下，无间隙金属氧化物避雷器1在正常运行电压下的荷电率将达到116％，显然不可行，因此，避雷器本体21的额定电压较无间隙金属氧化物避雷器1低，无间隙金属氧化物避雷器1为变电站过电压保护装置的主体。
45.在雷电侵入波过程中，并联间隙22临时短接避雷器本体21，变电站过电压保护装置整体的端部电压等于无间隙金属氧化物避雷器1的残压与并联间隙22的弧道压降之和，由于弧道压降较无间隙金属氧化物避雷器1的残压低得多，变电站过电压保护装置整体的端部电压主要由无间隙金属氧化物避雷器1的残压决定，而由于无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的残压之和与现行避雷器相同，因此，变电站过电压保护装置整体残压较现行无间隙金属氧化物避雷器的残压降低的幅度主要取决于避雷器本体21的额定电压在两个串联避雷器，即避雷器本体21与无间隙金属氧化物避雷器1的额定电压之和中的占比。
46.在110kv电压等级变电站过电压保护装置的试验中，变电站过电压保护装置由无间隙金属氧化物避雷器1(yh1.5w-72/186型)与带并联间隙金属氧化物避雷器2的避雷器本体21(两个yh5w-17/45型避雷器串联)串联组成，额定电压和残压之和分别为106kv和276kv，仍与典型常规110kv避雷器(型号yh10w-108/281，额定电压108kv，残压281kv)相当，并联间隙22的距离为15mm。
47.冲击电压试验显示，在1.2/50μs、幅值300kv的冲击电压波形下，并联间隙22击穿，变电站过电压保护装置的端部电压为176.6kv，较110kv无间隙金属氧化物避雷器的残压(228.4kv)低22.6％。
48.上述示范例的雷电冲击试验中，避雷器本体21的额定电压在变电站过电压保护装置整体的额定电压的占比为31.5％，获得变电站过电压保护装置整体的端部电压较110kv无间隙金属氧化物避雷器1残压降低幅度为22.6％，主要原因是变电站过电压保护装置的端部电压包含了并联间隙22的弧道压降，因而较无间隙金属氧化物避雷器1的残压略高，试
验结果符合预期，验证了影响变电站过电压保护装置的残压降低幅度的主要因素为避雷器本体21的额定电压占比的结论。
49.另外，如果通过优化并联间隙22的电极型式和材料，降低弧道压降，则变电站过电压保护装置降低残压的效率更高。
50.需要指出的是，虽然理论上，只要短接一定比例的串联避雷器，通过调整并联间隙22的距离，就可以获得足够低的残压，但如前分析，限制残压降低幅度的主要因素是无间隙金属氧化物避雷器1的荷电率，需要在确保在最恶劣的工况下(雷电波过后并联间隙22无法熄弧以遮断工频续流或者并联间隙22在正常运行下误动作)无间隙金属氧化物避雷器1运行安全性的前提下，科学地选择残压降低幅度。
51.例如，并联间隙22短接30％的避雷器本体21，偏严不考虑并联间隙22的弧道压降，则运行电压下非短接部分的避雷器荷电率将达到83％，最高运行电压下更达到96％，运行风险较高，综合考虑避雷器安全性和保护性能提升，残压降低20～30％为宜。
52.参考110kv或220kv电压等级的避雷器来选用无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21。
53.220kv无间隙金属氧化物避雷器通常由两节相同的110kv无间隙金属氧化物避雷器串联而成，因此220kv电压等级的变电站过电压保护装置的参数可以从110kv系统按比例推得。
54.在220kv电压等级变电站过电压保护装置的试验中，无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的额定电压均为前述相应110kv等级试品的2倍，并联间隙22的距离为30mm，110kv电压等级的变电站过电压保护装置上得出的试验结论同样适用于220kv电压等级的变电站过电压保护装置。
55.在优选的实施例当中，无间隙金属氧化物避雷器1为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器，带并联间隙金属氧化物避雷器2为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。
56.在优选的实施例当中，变电站过电压保护装置安装在线路侧开关4的线路侧，一般安装在变电站3内，如变电站3内没有空间，也可安装在终端塔上。
57.作为示例性地，无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2可为瓷绝缘避雷器或复合绝缘避雷器。如果将变电站过电压保护装置安装在终端塔上，则无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2选用复合绝缘避雷器。
58.在优选的实施例当中，带并联间隙金属氧化物避雷器2采用支撑绝缘并联间隙结构；支撑绝缘并联间隙结构由支撑绝缘子和一对半球形金属电极构成。
59.作为示例性地，带并联间隙金属氧化物避雷器2的并联间隙22采用支撑绝缘并联间隙结构，支撑绝缘并联间隙结构由支撑绝缘子和一对半球形金属电极构成，支撑绝缘子为棒式绝缘子或柱式绝缘子，采用瓷绝缘或复合绝缘，半球形金属电极能够均匀电极间的电场，获得较为稳定的击穿电压。
60.本实施例通过选用采用支撑绝缘并联间隙结构的带并联间隙金属氧化物避雷器2，有利于提高变电站3过电压保护能力。
61.在优选的实施例当中，并联间隙22的距离为15～30mm中的任一取值。
62.在本实施例的一优选实施方式中，110kv电压等级的变电站过电压保护装置的并联间隙22的距离为15mm。
63.作为示例性地，并联间隙22的功能主要是实现避雷器本体21在适当时候退出，该功能通过调整并联间隙22的距离来实现，即并联间隙22距离的校核，需要根据正常运行工况下并联间隙22不击穿以确保无间隙金属氧化物避雷器1的运行安全，以及在高风险的雷电冲击过电压下可靠击穿的要求确定。
64.以110kv电压等级为例，将电阻片相同、额定电压不同的现有不同型号避雷器进行组合，针对以上要求进行验证试验。
65.无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21分别为yh10w-90/235型和yh5w-17/45型，额定电压和残压之和分别为107kv和280kv，与典型常规110kv避雷器(yh10w-108/281型，额定电压108kv，残压281kv)相当。
66.工频电压试验显示，并联间隙22的距离为15mm，变电站过电压保护装置的端部施加100kv工频电压时，并联间隙22击穿，满足正常运行的最高运行电压(73kv)下间隙不击穿的要求，在正常运行电压(63kv)和最高运行电压(73kv)下分别有59％和37％的裕度，且满足在运行电压1.5倍的内部过电压(94.5kv)下间隙不动作的要求。
67.110kv设备绝缘的雷电冲击耐受电压(峰值)为450～550kv，雷电侵入波电流达到1.6ka时，按照导线波阻抗200ω计算，雷电侵入波幅值为320kv，达到设备绝缘最低雷电冲击耐受电压的70％，可定义为高风险雷电侵入波工况，此时，要求并联间隙22可靠地放电击穿。
68.冲击电压试验显示，选择波头较陡(1.2/50μs)、幅值300kv的冲击电压波形，以反映较为苛刻的工况，15mm的并联间隙22击穿，变电站过电压保护装置的端部电压为199.7kv，较110kv无间隙金属氧化物避雷器的残压(228.4kv)低12.6％。
69.高风险雷电侵入波引起并联间隙22可靠击穿后，无间隙金属氧化物避雷器1单独工作以限制雷电冲击过电压，从无间隙金属氧化物避雷器1的安全考虑，持续数十μs的雷电侵入波过程过去之后，要求并联间隙22能够在后续的工频运行电压下能够可靠熄弧，遮断工频续流，从而将避雷器本体21重新投入，与无间隙金属氧化物避雷器1共同承担运行电压，避免无间隙金属氧化物避雷器1负担过重(荷电率过高)而带来运行风险。
70.综上，采用距离为15mm的并联间隙22，可以兼顾高风险雷电冲击过电压下间隙可靠动作和正常运行工况下间隙不动作的要求。
71.综上所述，实施本发明的实施例，具有如下有益效果：
72.通过选用无间隙金属氧化物避雷器1和带并联间隙金属氧化物避雷器2，将无间隙金属氧化物避雷器1与带并联间隙金属氧化物避雷器2串联，组成变电站过电压保护装置。在变电站3正常运行或发生内部过电压时，并联间隙22不击穿动作，由无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21共同承担运行电压或限制变电站3内部过电压，确保无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的运行安全性；在雷电冲击过电压下，并联间隙22可靠击穿而临时短接避雷器本体21，无间隙金属氧化物避雷器1在雷电冲击大电流作用下获得一个较低的残压，变电站过电压保护装置获得较低的端部电压，且可通过调整无间隙金属氧化物避雷器1和避雷器本体21的额定电压之比，来获得期望较低残压的同时，又能够确保并联间隙22续流遮断前最严苛工况下无间隙金属氧化物避雷器1荷电率满足要求，从而能够在保障避雷器自身安全运行水平的同时大幅度提高避雷器过电压保护能力。
73.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。