ITER PPEN变电站400 kV避雷器的设计及短路性能的分析

江加福，黄懿贇，刘晓艳，李国胜，任文献，沈洪如

（1.中国科学院等离子体物理研究所，合肥230031；2.西门子避雷器（无锡）有限公司，江苏无锡214028）

0 引言

ITER计划是由七个国家和组织参加的全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，也是迤今为止我国参加的最大国际合作项目。项目计划到21世纪20年代在法国南部建立一个磁约束核聚变装置，首次建造可实现大规模聚变反应的聚变实验堆，因此备受各国政府与科技界的高度重视和支持。

ITER装置中PPEN变电站采用400 kV双回路进线，为了保证电网侧设备的安全运行，抑制网侧过电压，在400 kV侧安装金属氧化物避雷器。避雷器作为一种电力系统的保护设备，设计时既要确保被保护设备的安全，也要保证避雷器自身能安全运行，基于这个原则，笔者对避雷器的参数进行了详细的阐述。另外，避雷器的短路试验是验证避雷器安全性能的一项重要的试验，本文也对该试验要求进行了详细的分析，并通过具体的试验对避雷器该项性能进行了验证[1-5]。

1 400 kV避雷器的设计

避雷器作为一种保护设备，它的参数和变电站的接地方式、电力系统的设备绝缘直接相关，因此在设计避雷器时首先要考虑这些参数的影响。

1.1 电网电气特性

作为ITER装置供电电站，400 kV的进线电站主要电气参数见表1。

表1 ITER脉冲变电站电网侧主要电气参数Table 1 The main electrical parameters of PPEN of ITER

由表1可知，近期系统400 kV侧直接通过电阻接地，为有效接地系统，远期虽然通过电抗接地，只要将系统的阻抗比控制到一定的范围，该系统仍可视为有效接地系统，因此避雷器的荷电率可以选0.75以上。

表1中给出了系统绝缘的相关电压，其中操作冲击电压和雷电冲击电压合500 kV电压等级要求相同，而1min工频耐受电压比500 kV电压要求低很多，因此在设计避雷器相关绝缘参数时，需要根据400 kV电压等级自己的绝缘要求选择合适的参数，然而，对于国内企业来说，由于无400 kV设计经验，因此可适当借鉴500 kV电压等级来进行避雷器参数设计。

1.2 避雷器选型设计

对于该电压等级的避雷器，可选择GIS型和瓷套型，400 kV等级瓷套型避雷器已经有较长的使用经验[6-8]，技术成熟，性价比高，因此对于ITER PPEN变电站，选用瓷套型避雷器。

避雷器是重要的过电压保护装置，在设计时要注意选择合理的电气参数，需要兼顾系统的保护水平和避雷器自身的保护特性，否则，在运行中会发生各类问题，导致被保护设备损坏或避雷器爆炸等事故的发生。

避雷器重要的参数包括额定电压、持续运行电压、直流1 mA参考电压和冲击电流的残压等，同时要注意荷电率和压比的选择等。

1.2.1 额定电压

避雷器的额定电压是施加在避雷器两端的最大允许工频电压的有效值，它由避雷器暂时过电压来确定，对于400 kV电压系统，它能耐受暂时过电压值为

查阅相关的电力工程师手册，对于500 kV电力系统，最低额定电压为420 kV，因此对于400 kV电压系统，若避雷器额定电压超过该值，则避雷器保护性能降低。结合该值和式（1）的要求，该避雷器的额定电压取Ur=378 kV。

1.2.2 持续运行电压

持续运行电压是运行中持续施加在避雷器上最大工频电压有效值，该值一般不小于0.8Ur，即

1.2.3 直流1 mA参考电压

该电压位于氧化锌电阻片伏安曲线由小电流区进入大电流区平坦部分的转折处，避雷器此时进入动作状态以限制过电压，根据相关设计手册[9]

考虑适当的裕量，该避雷器的直流参考电压取

1.2.4 荷电率与其他

根据公式

荷电率大于0.75，满足氧化锌电阻片老化的要求。

根据绝缘设计要求，电气设备的额定雷电冲击电压与避雷器标称放电电流下的残压比不得小于1.4，根据此值和表1的关于额定雷电冲击电压的规定，可得该避雷器的雷电冲击电流下的最大残压为

参考500 kV电压等级避雷器的残压的设计要求，本设计中避雷器的残压可取

而避雷器的压比是避雷器标称放电电流下的残压与直流1 mA参考电压比值，根据上式和式（4）的值可得该避雷器的压比为为1.89，而我国制造经验规定330 kV～500 kV的压比一般小于1.7，因此该设计的压比较高，避雷器的残压和系统的绝缘要求也较高，在避雷器的设计和运行中要引起注意。

根据以上分析，得到PPEN变电站400 kV避雷器的主要参数见表2。

表2 ITER PPEN 400kV避雷器主要参数Table 2 The main parameters of 400 kV surge arrester of ITER PPEN

2 400 kV避雷器短路性能的分析和验证

第1节已经对400 kV避雷器参数进行了分析和计算，避雷器作为一种保护设备，发生短路故障后，不能影响其他设备和现场维护人员的安全。避雷器的短路试验又称压力释放试验，是为了验证避雷器在短路状态下压力释放能力[9-15]。

氧化锌避雷器的国际标准IEC60099-4规定：试验依据制造厂提供的短路电流值进行，试验应表明避雷器的故障不会导致剧烈的炸开，并且在规定的时间内使发生的明火（如果有）自动熄灭，则该避雷器通过了短路试验。

2.1 短路试验要求

为了能够正确地验证避雷器压力释放能力，对短路试验提出了一定的要求。

IEC60094-1和国标首先对试验电流的值和持续时间作出规定，在大电流试验中，通过避雷器短路电流的第一个峰值应达到要求的有效值的1.7～2.5倍，通过短路电流的时间要达到0.2 s。

为了实现上述实验参数，需要对试验回路的空载电压提出了一定的要求，若空载电压太低，虽然内部经过熔丝短路并产生电弧，但电弧很快熄灭，避雷器短路性能并没有得到有效的验证。

2.2 短路试验分析

该400 kV避雷器制造单位为西门子避雷器（无锡）有限公司，短路试验在德国曼海姆的PEHLA实验室进行。

避雷器短路试验的电路图见图1。

图1 避雷器短路试验电路图Fig.1 The circuit diagram of short-circuit test of surge arrester

图中TO为测试对象，为了得到测试电流值，在正式测试前，需要将试品短接，进行调波，试验具体电路参数和测试数据见表3。

表3 400 kV避雷器测试结果Table 3 Test results of 400 kV surge arrester

测试序号7为调波参数，测试序号8为测试参数，实测的短路电流的有效值为66.7 kA，持续时间为0.2 s，满足标准中对第一个峰值的要求，相应的测试波形见图2，图中分别得到测试避雷器的短路电流和两端的电压，该图标明测试电流是连续的，电弧没有出现熄灭。

图2 避雷器测试电压和电流波形Fig.2 Test waveform of voltage and current of surge arrester

图3为测试前后避雷器图片，试验后没有出现剧烈炸开，由此图可知，避雷器通过了电流为65 kA大电流短路试验。

图3 避雷器大电流测试前后实物图Fig.3 Test object before and after high-current short-circuit test at 65 kA

根据IEC-60099-4标准规定，该避雷器还必须通过电流为25 kA和12 kA大电流测试 以及电流为0.6 kA小电流测试，对应的试验报告表明该避雷器也通过了以上3种试验。

由以上4种试验结果可知，西门子公司制造的400 kV氧化锌避雷器通过了短路试验，压力释放试验能力合格。

3 结论

对出口法国的400 kV避雷器参数和短路试验进行了设计和研究，结果如下：

1）避雷器作为一种电力系统的过电压的保护器件，它的参数的选择要兼顾系统过电压的保护水平和避雷器自身的保护能力。

2）我国电力系统制造企业关于400 kV电压等级避雷器设计经验不足，在具体的设计中可结合500 kV避雷器成熟的经验和400 kV自身特征来综合设计。

3）避雷器作为一种保护设备，它发生故障时不会造成其它设备损坏和影响人身的安全，短路试验就是验证这项能力的重要试验。

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