交流金属氧化物避雷器线路操作时避雷器累积电荷及能量、避雷器保护的典型装设方式.pdf

GB/T 28547XXXX 150 H H 附 录 H （资料性） 线路操作时避雷器累积电荷及能量 H.1 概述 避雷器限制电力系统操作过电压是依靠吸收操作过电压的能量实现的 能量大小与预期的操作过电 压幅值、波形、系统参数和配置、避雷器的伏安特性、动作次数有关在 GB/T 11032-2010 及对应 IEC 标准中，推荐使用线路放电试验来检验避雷器耐受吸收操作过电压能量的能力，详见 H.2这种模拟方 法是采用分布参数的链型冲击电流发生器来模拟输电线路， 大大简化了电力系统中产生操作过电压的各 种原因、性质和不同波形的影响该方法规定有 5 个线路放电等级，随着级数的增加，电流持续时间变 长、能量吸收能力增加但在该方法使用过程中，也发现了一些不足，如目前线路放电等级覆盖范围不 足、级差较大无法精确评价避雷器能量处理能力、实验室波形调制困难等H.1 基于避雷器在操作冲击 电流范围内的伏安特性基本是线性的，给出了更易于实施的简化计算方法H.3 采用计算机仿真方法对 简化公式法进行了验证 当两端有电压的时开关合闸时就会产生操作瞬态过程 线路合闸以及快速重合闸时， 操作电压可以 分别超过 1 p.u 和 2 p.u。

因此， 当不施加控制， 开关随机操作时， 典型线路操作过电压可超过 2 p.u 和 3 p.u为了限制操作过电压，可以单独或与其他控制策略结合使用保护水平较低的线路避雷器 为了估计与线路操作相关的避雷器电荷量和能量， 通常使用数值计算模型进行仿真， 包括用于各种 线路操作工况的避雷器非线性伏安特性的模型等 对于端部装设有避雷器的单线路操作的简单情况， 使 用避雷器分段线性伏安特性曲线和线路参数表示的简化公式可获得保守估计的避雷器参数要求7 本附录的以下三个条款中阐述了使用与系统电压等级相关的实际线路参数和避雷器放电等级来估 算转移到避雷器上的总电荷和累积能量的方法 H.2 给出利用线路参数和避雷器参数进行计算的简化公式方法7 H.3 介绍了 IEC 线路放电测试方法，该方法采用由避雷器额定值定义的线路参数值的简化方式 H.4 给出各种系统条件和电压等级条件下，简化公式法和计算机仿真计算方法结果的比较 H.2 估算避雷器线路操作能量的简化方法 H.2.1 简介 图 H.1 所示的简化线路放电网络和后续公式可用于估算线路操作避雷器能量 图中线路末端电容与 实际线路对地电容相比非常小，可忽略不计。

但为了描述合闸时线路放电之前的初始放电条件，图中仍 然画出该电容公式中的简化是基于避雷器在操作冲击电流范围内的线性化特性，如图 H.2 所示表 H.1 7列出了以避雷器电流 0.5 kA 对应的电压为基准值的近似避雷器放电电压-电流关系用实际的 避雷器放电电流和电压与线路参数共同求解来估计能量 GB/T 28547XXXX 151 图H.1 根据 IEC 60099-4：2009 用于避雷器线路放电计算和试验的简单回路 注：初始线路电压条件（开关打开）：线路充电至直流电压等于Urp，开关合闸操作：放电线路直流残余电荷进入避 雷器，UpsIps：线路放电期间避雷器的电压和电流 图 H.2-典型线路操作电流范围内的避雷器线性方程（所示电压值适用于 500 kV 系统上使用的额定电压 444 kV 的避雷器, 图中Ups为避雷器操作冲击残压，Ips为避雷器残压对应的放电电流，U0为避雷器线性 电压方程中的电压常数，Ra为线性方程中的避雷器电阻） 表 H.1 - 典型避雷器操作（Ups vs Ips）特性 Ips(kA) Ups(p.u) 0.5 1.00 1.0 1.02 2.0 1.06 5.0 1.13 H.2.2 简化方法的计算步骤 计算步骤如下： 根据制造商公布的避雷器数据确定Ups1/Ips1低于Ups2/Ips2，或根据避雷器各电流的典型放电电压比 估算（表H.1） 。

选用的避雷器残压应该为最低的给定值；如果不知道具体数值，可以参考制造商给 出的最大Ups的95 % 根据（Ups，Ips）避雷器数据点计算避雷器电阻Ra的近似值，通常在0.250.5 kA范围内选择Ips1 对应的Ups1 GB/T 28547XXXX 152 21 a 21 psps psps UU R II (H.1) 式中： Ups避雷器操作冲击残压，单位：kV； Ips避雷器残压对应的放电电流，单位：kA 使用Ips1=0.5 kA对应的电压Ups1计算避雷器电压常数Uo 1a1opsps UURI.(H.2) 式中： Ra避雷器操作冲击残压，单位：； Ups避雷器操作冲击残压，单位：kV； Ips避雷器残压对应的放电电流，单位：kA 根据线路-避雷器放电方程估算避雷器放电电流Ips psrpsps UUZI.(H.3) 式中： Zs线路波阻抗（见 H.1.2） ； Urp无避雷器时的预期过电压（见图 H.3） ； 由避雷器线性化方程（H.2）得： a rpo ps s UU I ZR (H.4) 式中： Zs线路波阻抗（见 H.1.2） ； Urp无避雷器时的预期过电压（见图 H.3）； Ra避雷器操作冲击残压，单位：。

图 H.3 给出联立避雷器方程（H.2）和线路方程（H.3）的解线路和避雷器放电电流（Ips）与线路 合闸的预期情况（Urp，Zs）以及预期的避雷器保护水平（Ups）有关 GB/T 28547XXXX 153 图 H.3-线性化线路合闸情况和避雷器特性的图解 计算路放电时间Td内转移到避雷器的总电荷Qs spsd QIT (H.5) 式中： Td线路放电时间； Ips避雷器残压对应的放电电流，单位：kA 其中 Td是线路放电时间，是 2 倍的波路上传播的时间， （2 d L T c 其中 L 是线路长度，c 是光速） 计算转移到避雷器上总电荷所对应的能量 spss WUQ .(H.6) 式中： Ups避雷器操作冲击残压，单位：kV； Qs线路放电时间Td内转移到避雷器的总电荷 H.2.3 分裂导线的典型线路波阻抗 传输线的波阻抗取决于导线的分裂数、 导体型号和线路几何结构 表 H.2 列出了分裂导线一相的典 型波阻抗值应当注意，单相波阻抗大于三相线路的线模，小于三相线路的零模而且，尽管实际的波 传播速度通常低于光速，但是为了简化线路放电计算，一般采用光速进行计算 表 H.2 - 单导线和分裂导线的典型线路波阻抗（Zs） Us-系统(kV) 导线分裂数 波阻抗单位 3-150 1 450 (Ups,Ips) 电压（kV） U0 时间(s) 避雷器线性化公式 U=U0+RaI 电流(kA)Urp/Zs Urp GB/T 28547XXXX 154 151-325 1 400 326-400 2 350 400-800 3 or 4 320 6* or 8* 300 注（*）IEC 60071-2 和表 3 的 6.3.2.7 节 表 H.3 我国各电压等级架空线路典型线路波阻抗（Zs） （引自电力系统设计手册 ，电力工业 部电力规划设计总院编，1998 年 6 月第一版，P184） Us-系统(kV) 导线分裂数 波阻抗 单位 220 1 or 2 380 330 2 or 4 309 500 4 270 750 6 260 1000 8 230 H.2.4 预期操作过电压 通常，由于电气和机械部件的相互作用，三相线路操作时线路三相上都会产生过电压。

预期过电压 （即无避雷器情况下的电压） 的大小取决于诸多因素： 线路特性， 如导线的数量和尺寸， 相导线布置，线路长度; 系统电压; 开关装置的类型及其控制方式; 有源网络的复杂性（例如，设备类 型， 设备配置和电力系统中设备的位置） 正确选择和布置避雷器可将预期过电压限制在可接受的水平 可用计算机建立网络和线路操作的仿真模型计算的到预期过电压幅度的统计分布， 但当系统研究难 以实现时，可以考虑使用图 H.4 所示的典型值（引用 IEC 60071-2 / ELECTRA 1973） 图 H.4 中给出的 过电压范围考虑了线路操作的基本要素， 例如： 线路合闸或由于残余电荷导致线路带有残余电压的重合 闸；有或没有操作控制（此处为断路器合闸电阻） ；复杂或采用电源等效阻抗网络以及线路高抗补偿度 高或低 图中所示的所有过电压都是路末端没有避雷器时的预期过电压 通沿路线送侧端的线路过电压 明显更小 工况：开关操作：线路合闸或带残余电荷的重合闸 断路器：有合闸电阻或无控制 反馈源网络：复杂或采用电源等效阻抗网络 线路高抗补偿度：大于 50 %或小于 50 % 图 H.4-由于线路合闸和重合闸，接收端的 2缓波前过电压范围 注:在某些情况下，实际的最大系统电压可能会更高。

GB/T 28547XXXX 155 H.2.5 使用IEC 60099-4:2009计算波阻抗和预期过电压 在先前的标准中， 通过对避雷器比例单元进行线路放电试验， 按照其线路放电能力进行避雷器分类 IEC 60099-4：2009 的表 5 中给出了用于线路放电试验的传输线参数，在此将其引用为表 H.3 虽然这些线路参数是为避雷器比例单元型式试验提供的， 用来验证避雷器线路放电能力， 但原则上 它们也应适用于全尺寸避雷器使用表 H.3 中的参数， 表 H.4 显示了如何使用线路放电试验参数计算不 同电压等级以及可能用到的典型避雷器条件下，线路波阻抗（Zs）和预期过电压（Urp） 当使用 IEC 60099-4：2009 线路放电参数的值来进行线路操作避雷器能量估算时，检查规定线路参 数是否适用，即预期操作过电压（Urp） ，线路波阻抗（Zs） ，和线路放电时间（Td）非常重要，因为它们 应与相应的线路操作条件对应Td表示波以光速（3 108 ms-1）传播 2 倍线路长度所需的时间，因此 可度量每种情况的线路长度（例如，Td= 2.0 ms 对应线路长度为 300 km） 表 H.3- IEC 60099-4:2009 线路放电等级试验中采用的线路参数 避雷器分类 线路放电等级 线路波阻抗 ZS 峰值的视在持续 时间 d T s 充电电压 rp U kV. .d c 10 000 A 1 4.9 r U 2 000 3.2 r U 10 000 A 2 2.4 r U 2 000 3.2 r U 10 000 A 3 1.3 r U 2 400 2.8 r U 20 000 A 4 0.8 r U 2 800 2.6 r U 20 000 A 5 0.5 r U 3 200 2.4 r U r U是试验样品的额定电压，以 . .r m s kV为单位。

表 H.4-根据 IEC 60099-4：2009 中规定的线路放电试验参数，针对不同系统电压和避雷器额定值得出 线路波阻抗和预期操作过电压 最大系 统电压 避雷器 额定电 压 r U 线路放 电等级 波阻抗 线路长 度 L 视在持 续时间 d T 预期操作过电压 因数 KZ 幅值 Zs rz KU 因数 KV 幅值 rp U rz KU kV . .r m s kV - p.u. ohms km ms p.u. kV 145 120 2 2.4 288 300 2.0 3.2 384 120 3 1.3 156 360 2.4 2.8 336 362 258 3 1.3 335 360 2.4 2.8 722 GB/T 28547XXXX 156 258 4 0.8 206 420 2.8 2.6 671 550 420 4 0.8 336 420 2.8 2.6 1092 420 5 0.5 210 480 3.2 2.4 1008 800 612 4 0.8 490 420 2.8 2.6 1591 612 5 0.5 306 480 3.2 2.4 1469 H.3 使用线路放电参数计算避雷器电荷量和能量的示例 该示例适用于使用线路放电等级（。