發(fā)布時間：2021-05-18　　　

　　1、 避雷器的發(fā)展

　　我國避雷器產(chǎn)品的發(fā)展，主要經(jīng)歷了普閥SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金屬氧化物避雷器（MOA）和三相組合式過電壓保護(hù)器四代，基本上每二十年就會有一次較大的技術(shù)改革。

　　九十年代以前，電力系統(tǒng)一般采用少油斷路器等作為開斷裝置，開斷速度較慢，操作過電壓發(fā)生的幾率較小，對設(shè)備的破壞主要來自雷電侵入波過電壓，對這類過電壓的防護(hù)措施多采用碳化硅避雷器以及氧化鋅避雷器（MOA），相對而言，氧化鋅具有動作快、伏安特性平坦、殘壓低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)為人們所接受。

　　隨著真空開關(guān)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，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，組合式過電壓保護(hù)器開始被大量使用。

　　相對于單柱式的SiC避雷器和MOA，組合式保護(hù)器一般采用三相四柱式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，由四個保護(hù)單元兩兩組合成六只避雷器，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。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然多

　　種多樣，但按照工作原理可以劃分為以下三種：無間隙結(jié)構(gòu)、串間隙結(jié)構(gòu)、分級保護(hù)結(jié)構(gòu)。雖然在近幾年的發(fā)展過程中，組合式保護(hù)器不斷地得到完善，每種結(jié)構(gòu)投運(yùn)也不少，但總體說來其制造與運(yùn)行兩方面的經(jīng)驗尚顯不足，對設(shè)備的保護(hù)性能與自身的安全性能往往不能實(shí)現(xiàn)較好的統(tǒng)一，產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性以及供電的可靠性，了解過電壓保護(hù)器的研制與發(fā)展?fàn)顩r，并對其性能作一全面的對比就顯得尤為重要。

　　2、無間隙組合式過電壓保護(hù)器

　　無間隙組合式過電壓保護(hù)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用三相四單元結(jié)構(gòu)，每個保護(hù)單元由氧化鋅非線性電阻閥片組成，直接與三相電源連接。如此設(shè)計，ZnO閥片良好的非線性可以得到充分發(fā)揮，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，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，其非線性伏安特性見圖1。

　　其缺點(diǎn)在于，用來表征ZnO非線性電阻保護(hù)性能的參數(shù)殘壓比K1=U殘/U1mA是固定的，目前避雷器所使用的ZnO電阻殘壓比一般為1.3左右。要可靠的保護(hù)電氣設(shè)備，ZnO電阻的殘壓U殘必須小于被保護(hù)設(shè)備的絕緣承受能力。為了擴(kuò)大保護(hù)裕度，必須盡量降低操作電流下的殘壓值U殘，這樣ZnO電阻的U1mA也降低了。表征ZnO電阻的壽命指標(biāo)荷電率K2=Ue/U1mA，在系統(tǒng)電壓不變的情況下，U1mA降低，荷電率必然增大，使避雷器產(chǎn)生不必要的頻繁動作，泄流漏電流增大，影響避雷器的使用壽命，使保護(hù)器的自身安全性降低。因此，在保護(hù)弱絕緣設(shè)備如電動機(jī)時，其殘壓值U殘的設(shè)計受到了限制。

　　根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)荷電率小于0.75時，ZnO電阻可以長期安全地運(yùn)行。按照此標(biāo)準(zhǔn)，可以計算出無間隙組合式保護(hù)器的最低殘壓設(shè)計值。

　　以6kV系統(tǒng)為例，組合式結(jié)構(gòu)對電壓的承受是由四個單元兩兩組合承擔(dān)的，在正常工況下，三相電源對稱，M點(diǎn)為零電位，施加在每相單元氧化鋅閥片上的電壓峰值為：

　　Ue =UAM = ×6.9/ =5.63kV。

　　荷電率K2=Ue /U1mA （1）

　　將Ue =5.63，K2=0.75代入可得：

　　U1mA=7.5kV

　　殘壓比K1=U殘/U1mA （2）

　　將U1mA=7.5，K1=1.3代入可得：

　　U殘=9.75kV

　　U相間=2×9.75kV=19.5kV

　　所以，在保證保護(hù)器能夠長期安全運(yùn)行的前提下，無間隙組合式過電壓保護(hù)器可以將相間過電壓最低限制到19.5kV，此值即為該結(jié)構(gòu)保護(hù)器的安全下限，如果進(jìn)一步降低ZnO電阻的操作沖擊殘壓U殘，則無法保證保

　　護(hù)器自身的安全。按照國標(biāo)規(guī)定，6kV變壓器的絕緣耐受能力為25.6kV，而6kV電動機(jī)的絕緣耐受能力國內(nèi)比較統(tǒng)一的計算方法為15.9kV，與保護(hù)器的安全下限19.5kV相比較可知，該結(jié)構(gòu)的保護(hù)器能夠?qū)崿F(xiàn)對變壓器的可靠保護(hù)，對電動機(jī)的保護(hù)作用比較勉強(qiáng)。

　　3、串間隙組合式過電壓保護(hù)器

　　串間隙組合式過電壓保護(hù)器有四間隙和三間隙兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示，引入放電間隙的主要目的是為了在正常工況下，通過間隙來隔離電網(wǎng)電壓，降低避雷器中ZnO閥片的荷電率，從而降低保護(hù)器動作值。因為在電網(wǎng)正常運(yùn)行時，M點(diǎn)的電位基本為零，所以，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，同時增加了放電的分散度，使工頻電壓分布不均勻，造成試驗和安裝上的難度。所以，本文僅以三間隙結(jié)構(gòu)為例對其性能進(jìn)行分析。

　　放電間隙有絕緣間隙和電阻間隙兩種。對于絕緣間隙，在保護(hù)器不動作時，工作電壓與ZnO電阻完全隔離開來，為了起到保護(hù)ZnO電阻的目的，其沖擊放電值必須高于ZnO的U1mA。在間隙放電之前，ZnO良好的非線性特性無法發(fā)揮，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，將會使設(shè)備的匝間絕緣擊穿。另外，其保護(hù)水平是由沖擊放電電壓和ZnO殘壓共同確定的，由于間隙的截斷比和分散度較大，二者之間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的目的。再者，隨著放電次數(shù)的增加，絕緣間隙的阻值必然下降，形成和ZnO電阻的分壓，導(dǎo)致沖擊放電值上升幅度很大，有時可以達(dá)到30%以上，因此，經(jīng)過數(shù)次放電后，其保護(hù)值會有較大幅度的上升，使保護(hù)裕度減小，起不到保護(hù)設(shè)備的目的。

　　為了解決絕緣間隙的某些問題，有些保護(hù)器采用線性電阻間隙，每相的等效電路如圖4所示，間隙電阻值一般在6-15MΩ，如此設(shè)計，克服了絕緣間隙在放電時的一些缺點(diǎn)，但是，在持續(xù)運(yùn)行工況下，ZnO呈高阻狀態(tài)，阻值在5000～10000 MΩ，與間隙電阻形成分壓，系統(tǒng)電壓基本全部施加在ZnO電阻上，間隙起不到隔離電網(wǎng)電壓的作用，串聯(lián)間隙毫無意義。

　　綜上分析，引入放電間隙來提高保護(hù)器的保護(hù)性能，無法實(shí)現(xiàn)被保護(hù)設(shè)備的可靠性與保護(hù)器自身安全性的和諧統(tǒng)一。相反會帶來許多保護(hù)器自身的安全問題。

　　4、分級保護(hù)組合式過電壓保護(hù)器

　　分級保護(hù)的組合式過電壓保護(hù)器原理圖見圖5，每個保護(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/（U1mA′+ U1mA″），通過調(diào)整第2級的U1mA″，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，在這個保護(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（U1mA′+ U1mA″）并達(dá)到一定值時，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的殘壓，通過調(diào)整第1級的U1mA′，可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)水平與設(shè)備絕緣耐受能力的配合，滿足對弱絕緣設(shè)備如電動機(jī)的保護(hù)。由于放電電極XG的工放值遠(yuǎn)低于ZnO電阻的U1mA′，電極的分散性不會對保護(hù)水平構(gòu)成影響，其保護(hù)水平仍然相當(dāng)于無間隙結(jié)構(gòu)。

　　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)，同時避免了串聯(lián)放電間隙而帶來的對設(shè)備保護(hù)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

　　1） 單柱式的SiC避雷器和MOA主要針對雷電產(chǎn)生的相對地過電壓而設(shè)計，對相間過電壓基本起不到防護(hù)作用。組合式保護(hù)器大大提高了保護(hù)的全面性，它必將成為一種新的發(fā)展方向。

　　2） 無間隙組合式過電壓保護(hù)器在保護(hù)變壓器等強(qiáng)絕緣設(shè)備時，具有一定的優(yōu)勢，而對電動機(jī)等弱絕緣設(shè)備，保護(hù)作用比較勉強(qiáng)。

　　3） 串間隙組合式保護(hù)器雖然在保護(hù)弱絕緣設(shè)備時能夠解決ZnO的荷電率問題，但是存在著與ZnO難以配合，以及自身截斷比、分散度大等問題，使保護(hù)的可靠性與穩(wěn)定性大大下降。

　　4） 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，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。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 李學(xué)思.三相組合式過電壓保護(hù)器.電磁避雷器.1989（1）。