發(fā)布時(shí)間：2011-11-23　　　

　　淮南聯(lián)合大學(xué)，安徽 淮南 232007；2.蕪湖科越電氣有限公司，安徽 蕪湖 241009）

　　The Overvoltage protector’s Application and Development

　　LI Jin-peng1，GUO Si-jun2

　　( 1.Huainan United College.Huainan 232001,China; 2.Wuhu KEYE electric Co.,LTD. Wuhu 241009,China)

　　[Abstract] With the extensively using of vacuum breaker and the enlarging scale of electric fence time after time, the destruction from inside overvoltage of the middle voltage electric power system to electric equipment is going more and more severe. So combinatorial overvoltage protector has been used widely. This paper analyzes the fundamental principles and the characteristic parameters of all kinds of overvoltage prectors,then,it approaches their all-sideness and reliability as well as self-safety．

　　[Key words] overvoltage lighting arrester zinc oxide interspace

　　引言

　　近年來，隨著真空斷路器的廣泛應(yīng)用，操作過電壓的危害已經(jīng)越來越受到人們的重視。真空斷路器在操作時(shí)，可能由于截流、重燃或三相同時(shí)開斷等原因而產(chǎn)生過電壓。操作過電壓主要表現(xiàn)為相間過電壓，而傳統(tǒng)的避雷器是按照防止雷電過電壓即相對地過電壓而設(shè)計(jì)的，對操作過電壓基本沒有防護(hù)作用，為了避免相間過電壓對設(shè)備的破壞，提高保護(hù)的全面性，三相組合式過電壓保護(hù)器開始被大量使用。

　　相對于單柱式的碳化硅（SiC）或氧化鋅(ZnO)避雷器，組合式保護(hù)器采用三相四柱式結(jié)構(gòu)，如圖1所示，由A、B、C、D四個(gè)保護(hù)單元兩兩組合成六只完整的避雷器，分別保護(hù)三相對地過電壓和相間過電壓，使保護(hù)的全面性大大提高。

　　三相組合式過電壓保護(hù)器是西安電瓷研究所在七十年代末、八十年代初從國外產(chǎn)品樣本上得到信息而設(shè)計(jì)制造的一種特殊的過電壓保護(hù)裝置。主要用于限制切合真空斷路器引起的相間和相對地操作過電壓，達(dá)到保護(hù)用電設(shè)備和防止斷路器相間和相對地閃絡(luò)的目的。九十年代初期，該技術(shù)被國內(nèi)電力系統(tǒng)所采用，與此同時(shí)，國內(nèi)許多廠家開始對過電壓保護(hù)器進(jìn)行研究、生產(chǎn)，迄今為止，已有多種結(jié)構(gòu)的組合式保護(hù)器投入市場，使該裝置在國內(nèi)得到較廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

　　組合式過電壓保護(hù)器在引進(jìn)之初采用的是SiC與放電間隙組合結(jié)構(gòu)，在以后的發(fā)展過程中，雖然金屬氧化物避雷器取代了SiC避雷器，但多數(shù)廠家仍然沿用了串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)，并對串聯(lián)間隙進(jìn)行改進(jìn)。按照發(fā)展順序，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)：四間隙結(jié)構(gòu)、三間隙結(jié)構(gòu)、六間隙結(jié)構(gòu)、棱型間隙結(jié)構(gòu)等。除了串聯(lián)間隙的組合式保護(hù)器以外，還有無間隙保護(hù)器及其改進(jìn)結(jié)構(gòu)，本文將對其性能作一對比分析。

　　串間隙過電壓保護(hù)器

　　串間隙過電壓保護(hù)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，其原理基本相同，即利用間隙隔離電網(wǎng)電壓，減少保護(hù)器的動作頻率，延長ZnO閥片的壽命。最近幾年，串聯(lián)間隙的保護(hù)器在應(yīng)用過程中效果并不理想，國內(nèi)一些專家也多次撰文對該結(jié)構(gòu)提出質(zhì)疑，但是，由于技術(shù)的延續(xù)性，目前仍然有多種結(jié)構(gòu)的串聯(lián)間隙保護(hù)器在生產(chǎn)與使用，根據(jù)時(shí)間的先后順序，分別進(jìn)行如下分析。

　　2.1 四間隙過電壓保護(hù)器

　　四間隙結(jié)構(gòu)的組合式過電壓保護(hù)器基本原理如圖2所示，每個(gè)保護(hù)單元由ZnO非線性電阻與放電間隙串聯(lián)組成。該結(jié)構(gòu)的保護(hù)器在九十年代初期開始生產(chǎn)使用，當(dāng)時(shí)電力系統(tǒng)正在大量地采用真空斷路器以取代少油開關(guān)，操作過電壓正日益引起人們的注意，該種保護(hù)器的出現(xiàn)，填補(bǔ)了當(dāng)時(shí)的國內(nèi)空白，很快就在市場上大量使用。但是，從近幾年的現(xiàn)場運(yùn)行效果來看，保護(hù)效果并不理想。

　　該結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計(jì)思路是采用放電間隙將ZnO電阻與電網(wǎng)隔離，使ZnO電阻的荷電率為零，從而保護(hù)ZnO閥片，延長其使用壽命。但是，無論該保護(hù)器本身，還是對被保護(hù)的電器設(shè)備而言，該種結(jié)構(gòu)都存在著嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷。

　　1、在電網(wǎng)正常運(yùn)行工況下，M點(diǎn)的電位基本為零，在接地相中串聯(lián)放電間隙完全沒有必要，反而會增加系統(tǒng)的對地雜散電容，同時(shí)增加了放電的分散度，使工頻電壓分布不均勻，造成試驗(yàn)和安裝上的難度。

　　2、保護(hù)水平首先決定于間隙的沖擊放電電壓，由于間隙的截?cái)啾群头稚⒍容^大，與ZnO的配合有一定的難度，沖擊放電電壓高，則保護(hù)裕度小，危及設(shè)備安全；沖擊放電電壓低，則起不到保護(hù)ZnO閥片的目的。

　　3、由于間隙的隔離，ZnO良好的非線性特性無法發(fā)揮，在間隙放電之前，ZnO非線性電阻起不到緩和過電壓波頭陡度和降低振蕩頻率的作用，當(dāng)過電壓波頭陡度大時(shí)，將會使設(shè)備的匝間絕緣擊穿。

　　4、隨著放電次數(shù)的增加，絕緣間隙的阻值必然發(fā)生變化，導(dǎo)致沖擊放電值上下波動，分散度很大，有時(shí)可以達(dá)到30%以上，因此，經(jīng)過數(shù)次放電后，其保護(hù)值會有較大幅度的變化，使保護(hù)的穩(wěn)定性變差，使用電設(shè)備和自身的安全性得不到可靠的保障。

　　2.2 三間隙過電壓保護(hù)器

　　三間隙結(jié)構(gòu)的過電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它是在四間隙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，為了解決接地相串聯(lián)間隙增加了系統(tǒng)的對地雜散電容以及兩間隙疊加造成分散度過大等問題，而設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)結(jié)構(gòu)。它取消了保護(hù)器接地相中串聯(lián)的間隙，使保護(hù)器相對地回路的放電間隙減少到一個(gè)，解決了四間隙結(jié)構(gòu)保護(hù)器增加對地雜散電容的問題，也使其分散度有所降低。但是，其相相之間的工頻放電仍然是兩個(gè)放電間隙的疊加，分散度還是很大。另外，保護(hù)水平是由ZnO非線性電阻的殘壓U殘所決定，要使相間與相地保護(hù)水平一致，每單柱ZnO電阻的U1mA電壓也必須一樣，那末，相間二個(gè)間隙，相地一個(gè)間隙，則兩者的沖擊放電值無法做到一致。

　　2.3 六間隙組合式過電壓保護(hù)器

　　該結(jié)構(gòu)的過電壓保護(hù)器主要是為了解決放電回路中由于兩個(gè)間隙疊加，保護(hù)的分散度較大，導(dǎo)致保護(hù)性能不穩(wěn)定而改進(jìn)的。它把相間與相地放電間隙都降為1，實(shí)現(xiàn)了無論相間保護(hù)還是相對地保護(hù)都只有一個(gè)間隙的目的，使放電的分散度大大降低。其缺點(diǎn)在于，由于組合式保護(hù)器一般采用三相四柱式結(jié)構(gòu)，六個(gè)放電間隙使其工藝安裝造成困難，成本增加，體積加大。

　　2.4 棱型間隙組合式過電壓保護(hù)器

　　為了克服六間隙結(jié)構(gòu)中內(nèi)部間隙的增多造成接線以及安裝的復(fù)雜性。出現(xiàn)了如圖5所示的單間隙結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)構(gòu)特征是將常規(guī)的兩極放電間隙改變?yōu)樗臉O放電間隙，由四個(gè)放電電極組成一種正棱型結(jié)構(gòu)，使電極兩兩之間間距相等，從而實(shí)現(xiàn)相對地與相間的工頻放電值相同，同時(shí)將放電間隙減少到一個(gè)，使分散度降低。其缺點(diǎn)在于，由于四個(gè)放電電極相互連動，間隙難以調(diào)整，在工藝上很難保證間隙放電值的準(zhǔn)確性。

　　A

　　綜上分析，自從九十年代初期組合式過電壓保護(hù)器引入放電間隙來提高保護(hù)器自身的安全性能以來，很多廠家圍繞間隙的結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了多次改進(jìn)，其目的不外乎盡量減少放電間隙的分散度，增加保護(hù)器的穩(wěn)定性。但是，如前所述，引入放電間隙帶來了諸多弊端，即使解決了放電分散度和對地雜散電容問題，也僅僅解決了眾多缺點(diǎn)中的一個(gè)，其它缺陷仍然存在，不能從根本上解決問題。近年來，國內(nèi)許多專家撰文指出：“無間隙氧化鋅避雷器性能優(yōu)越于串間隙避雷器”、“串間隙的金屬氧化物避雷器不是一種發(fā)展方向”。所以，串聯(lián)放電間隙對于保護(hù)設(shè)備絕無好處，只是為了保護(hù)ZnO電阻的安全不得已而為之。

　　3、無間隙組合式過電壓保護(hù)器

　　3.1 無間隙過電壓保護(hù)器技術(shù)性能分析

　　ZnO電阻的非線性顯著優(yōu)于SiC，而且通流容量大、殘壓平穩(wěn)、漏電流小，這正是ZnO避雷器取代SiC避雷器的根本原因，如果仍然沿用閥式SiC避雷器的串聯(lián)間隙結(jié)構(gòu)，則無法體現(xiàn)ZnO電阻的優(yōu)點(diǎn)。而取消間隙則可以使ZnO電阻優(yōu)良的非線性特性得到充分發(fā)揮，克服放電間隙帶來的諸多弊端。在過電壓未達(dá)到U1mA之前，ZnO電阻呈高阻狀態(tài)，ZnO電阻的電容性及阻尼性可以緩和過電壓的波頭陡度并減緩振蕩頻率。當(dāng)過電壓超過U1mA時(shí)，ZnO電阻呈低阻狀態(tài)，利用其非線性對系統(tǒng)過電壓實(shí)現(xiàn)限制。對于被保護(hù)的電氣設(shè)備而言，無間隙結(jié)構(gòu)是一種不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展方向，問題的關(guān)鍵在于取消放電間隙后，能否保證ZnO電阻長期安全地運(yùn)行。

　　ZnO電阻的非線性曲線及其特征參數(shù)的描述見圖6，表征ZnO非線性電阻保護(hù)性能的參數(shù)殘壓比為：K1=U殘/U1mA （1）

　　表征ZnO電阻的壽命指標(biāo)為荷電率：

　　K2=Ue/U1mA （2）

　　Ue --長期施加在ZnO電阻上的工作電壓

　　要保證ZnO電阻長期安全地運(yùn)行，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，荷電率不能夠大于0.75。在此前提下，對于6KV和10KV電力系統(tǒng)，我們可以計(jì)算出ZnO電阻的安全運(yùn)行的基本條件。

　　無間隙過電壓保護(hù)器基本原理見圖1，正常工況下，M點(diǎn)為零電位，對6kV系統(tǒng)，施加在每相單元ZnO電阻上的電壓峰值為：

　　Ue =UAM =

　　×6×1.15/

　　=5.63kV。

　　將Ue =5.63，K2=0.75代入（2）式可得：

　　U1mA=Ue/ K2 =5.63/0.75 =7.5kV

　　對于一定的生產(chǎn)工藝和配方，殘壓比K1是固定的，目前，用于過電壓保護(hù)器的ZnO電阻的殘壓比K1一般為1.3。

　　將U1mA=7.5 kV，K1=1.3代入（1）式可得：

　　U殘= K1×U1mA= 1.3×7.5 =9.75kV

　　那么U相間=2×9.75kV=19.5kV

　　同樣，對于10kV系統(tǒng)，可以計(jì)算出：

　　U相間=32.7kV

　　所以，殘壓比為1.3的ZnO閥片，對于6kV系統(tǒng)，當(dāng)相間過電壓設(shè)計(jì)保護(hù)值不低于19.5kV，10kV系統(tǒng)不低于32.7kV時(shí)，過電壓保護(hù)器是安全可靠的。如果要求進(jìn)一步降低ZnO電阻的殘壓值，則必須改變ZnO電阻的配方或改善組裝工藝。

　　3.2無間隙組合式過電壓保護(hù)器性能改進(jìn)

　　為了擴(kuò)大保護(hù)裕度，實(shí)現(xiàn)對弱絕緣設(shè)備的可靠保護(hù)，可以通過改善ZnO電阻的配方或組裝工藝，降低其殘壓比來實(shí)現(xiàn)，而不是增加間隙。在改變ZnO配方難度大、成本高的情況下，近年來國內(nèi)出現(xiàn)的分級保護(hù)工藝倒不失為一種發(fā)展方向。

　　分級保護(hù)的組合式過電壓保護(hù)器原理圖見圖7，每個(gè)保護(hù)單元的ZnO電阻由1、2兩級組成，第2級為ZnO電阻與火花電極XG的組合。

　　在正常工況下，系統(tǒng)電壓由兩部分共同承擔(dān)，其荷電率為：K2=Ue/（U1mA1+ U1mA2），通過調(diào)整第2級的U1mA2，可以使荷電率滿足要求，保證ZnO電阻長期、安全地運(yùn)行。同時(shí)，在這個(gè)保護(hù)階段保護(hù)器保留了無間隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

　　當(dāng)過電壓超過（U1mA1+ U1mA2）并達(dá)到一定值時(shí)，火花電極XG放電，將第2級ZnO電阻短接，標(biāo)稱放電電流下的殘壓值U殘僅為第1級ZnO電阻的殘壓U殘1，其殘壓比為：

　　K1= U殘1/（U1mA1+ U1mA2）

　　在ZnO電阻配方不變的前提下，保護(hù)器的殘壓比可以大大降低，從而擴(kuò)大保護(hù)裕度，實(shí)現(xiàn)對弱絕緣設(shè)備的保護(hù)。對于同樣的設(shè)計(jì)動作值，可以降低ZnO電阻的荷電率，提高保護(hù)器的安全可靠性。

　　分級保護(hù)方案融合了無間隙結(jié)構(gòu)和串間隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既能夠使ZnO電阻的非線性特性得到充分發(fā)揮，又將保護(hù)范圍擴(kuò)大到對弱絕緣設(shè)備的可靠保護(hù)，同時(shí)避免了串聯(lián)放電間隙而帶來對保護(hù)設(shè)備的不穩(wěn)定和不可靠因素。對設(shè)備保護(hù)的全面性、可靠性與保護(hù)器自身的安全性達(dá)到了較好的統(tǒng)一。

　　5、結(jié)語

　　組合式過電壓保護(hù)器不僅可以防止由于雷電產(chǎn)生的相對地過電壓，而且能夠可靠保護(hù)相間過電壓。保護(hù)的全面性大大提高，必將成為一種新的發(fā)展方向。

　　串間隙組合式保護(hù)器僅僅是為了保護(hù)自身的ZnO電阻而采取的一種權(quán)宜措施，它使保護(hù)的可靠性與穩(wěn)定性大大下降，所以，并不是過電壓保護(hù)器的發(fā)展方向。

　　無間隙過電壓保護(hù)器在對電器設(shè)備的保護(hù)性能方面，性能優(yōu)越于串間隙結(jié)構(gòu)的保護(hù)器，而對弱絕緣設(shè)備的保護(hù)，其作用比較勉強(qiáng)。

　　問題的解決可以通過改變ZnO電阻的配方、改善其電氣性能等方面著手。分級保護(hù)的組合式保護(hù)器保留了無間隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，降低了ZnO的殘壓比，提高了保護(hù)裕度，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)的全面性、可靠性與安全性的統(tǒng)一。