三相組合式過電壓保護器在大用電企業的應用

【摘要】對在大用電企業應用了近20年的三相組合式過電壓保護器的運行現狀進行了分析，指出這類“四星形”接法的組合式過電壓保護器事故率高，運行風險大，火花間隙的引入導致保護性能惡化和監測檢驗困難，不宜繼續在配電網中運行。

【關鍵詞】過電壓;斷路器;間隙

1.概述

隨著真空斷路器在用電企業的大量使用，用于保護真空斷路器操作過電壓的一種新產品，“四星形”結構的三相組合式過電壓保護器也被高調推薦給用戶。近20年來的運行結果表明，這類產品事故率遠高于單相的無間隙金屬氧化物避雷器，且事故后果嚴重，給用戶造成很大損失。從2005年左右開始，各地電力系統或行業如內蒙、湖南、四川、云南、河南、福建等紛紛下文禁用這類產品。2008年，在強制性國家標準GB/50227-2008《并聯電容器裝置設計規范》第4.2.8條中明確規定不得采用這種“四星形”結構的組合式過電壓保護器。

本文對在實際運行中的這類產品的保護效果進行了試驗驗證，并對其事故率高的原因進行分析，提出對操作過電壓保護的一些新思路。

2.保護效果驗證

20世紀70年代后期開始使用的無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）是現代電力系統過電壓保護的主導產品，已經被證明能夠解決有間隙碳化硅避雷器所不能解決的問題，避雷器的保護水平不再是一個統計參數，而是可以精確給出。

三相組合式過電壓保護器重新引入了火花間隙，并假設了一個前提：認為間隙的沖擊系數為1，也就是很多文章上所說的“上升前沿為1.2μs的沖擊電壓放電值和上升前沿為5ms的工頻電壓放電值一致”。我們知道間隙放電過程是需要時間來完成的，所以這個假設不能成立。即使對無間隙金屬氧化物避雷器而言，波頭為1.2μs的沖擊波和波頭為8μs的沖擊波下其殘壓也相差5～10%;根據普閥式避雷器幾十年的設計制造經驗，間隙的沖擊系數大于1.1，具體數字和不同的間隙結構、照射條件相關。假設這么一個沖擊系數為1的前提是為了這類產品設計時的絕緣配合計算，反過來說，這類產品在這么一個不成立的假設前提下進行的絕緣配合設計也是不成立的。在這類產品的參數表中，我們大量看到的是工頻放電峰值等于沖擊放電峰值的理想配合，例如某一型號的產品，標示的工頻放電峰值大于18.1kV（有效值），操作沖擊放電值小于25.6kV峰值，換算成峰值，沖擊系數正好為1。至于工藝控制的分散性，間隙放電的分散性，均不考慮，顯然這種設計只是一個文字游戲，是不科學的。

用8/20μs標準雷電波對這類產品進行整體測試以驗證其保護水平。圖1為對某35kV產品相間保護水平進行的試驗結果。

圖1 35kV組合式過電壓保護器相間保護水平試驗

從試驗波形和結果可以看出，間隙放電分散性較大，分別為148kV、163kV、172kV，相對分散性達8%，沖擊系數在1.2～1.35。同時可以看到，決定這類產品的保護水平的不是氧化鋅非線性電阻片的殘壓，而是間隙的沖擊放電電壓，其值均大于標準要求的134kV。

相對而言，這類產品分類中的電站型產品保護水平基本能滿足國家標準的要求，電機型產品保護水平合格的極少，而真正出現相間操作過電壓的正是投切這些感性負載。圖2是兩臺10kV的電機型產品的試驗波形，8/20μs標準雷電波2.5kA下保護水平為45kV、44kV，遠高于標準要求的小于31kV，推算到操作保護水平，也遠高于電機的操作絕緣耐受。

圖2 典型的電機型組合式過電壓保護器保護水平試驗

3.事故原因分析

國外對于相間過電壓的保護措施是安裝3只相間避雷器，和3只相地避雷器共6只獨立的避雷器構成完整的相—地和相—相過電壓保護，“四星形”結構的三相組合式過電壓保護器在國外并不見有應用的報導。而國內則對這種由6只避雷器變形后的“四星形”結構研究較多，1987年以前就開始在鋼廠有試驗和試用[1]。對這種“四星形”結構的研究都限于保護器的保護效果的仿真計算、分析和研究性應用，并未進行產品化工作，大量應用和運行則是在1995年以后。

6只避雷器結構和“四星形”結構的區別，許穎教授1996年在“3～66kV交流無間隙金屬氧化物避雷器持續運行電壓技術參數問題”[2]一文中早有描述。這兩類結構的根本區別是在發生單相接地時，“四星形”結構的四個元件構成不對稱的容性系統，健全相相元件承受約2/3的運行電壓而不是1/2，這使得相元件的運行負荷加重，整體產品暫時過電壓耐受能力（TOV）降低。要保證“四星形”結構與6只避雷器結構有相同的TOV耐受能力或額定電壓，“四星形”結構的保護水平將高出30%以上。換言之，保證“四星形”結構的保護水平，則產品的運行可靠性將遠低于6只單獨避雷器的結構。對這種區別我們可以用一個簡單的圖示如圖3來表述單相接地下“四星形”結構的“分壓效應”。

圖3 “四星形”結構在單相（C相）接地故障下的“分壓效應”

“分壓效應”正是這種“四星形”結構產品事故率高的根本原因，是結構和原理上的缺陷。帶火花間隙的“四星形”產品也避免不了這種分壓效應的影響，單相接地時相元件間隙因分壓高將提前導通然后地相間隙導通。間隙的反復通斷會造成更多的事故隱患，而間隙的放電分散性使得保護性能惡化，絕緣配合無法實現。

火花間隙的引入本意是保護電阻片，但從運行結果來看，并沒有提高這類保護器的運行可靠性，相反由于間隙引入帶來的制造工藝復雜使得這類產品事故率更高。大量的事故分析中，受潮是這類產品事故率高的另一個主要原因，幾乎所有帶間隙的事故產品都有不同程度的受潮現象。

而火花間隙的引入帶來的另一個個嚴重問題，是檢驗和監測的困難。

4.檢驗和監測

所有這類帶間隙產品出廠試驗、驗收試驗和運行后的定期試驗都只有工頻放電試驗一項。由于間隙的隔離作用，工頻放電試驗只是針對間隙，如果間隙出現位移或嚴重燒蝕工頻放電值才會出現明顯變化，而內部受潮對工頻放電值的影響甚小，廠家給出的工頻放電值合格范圍也很大，–10～+20%。運行中的產品進行定期試驗合格后，對產品進行解剖檢驗，很多已經出現明顯的受潮現象，間隙電極銹蝕嚴重，表面有厚厚的銅綠。試驗室進行受潮試驗，讓試品逐步人為受潮，直到內腔表面出現明顯凝露情況，工頻放電值仍在合格范圍之內。

這與傳統的帶間隙碳化硅避雷器運行情況相似。碳化硅避雷器在近百年的運行中，85%以上的產品事故由受潮引起，而工頻放電試驗檢驗不出受潮情況。

“四星形”結構的帶串聯間隙三相組合式過電壓保護器幾乎都沒有進行專門的密封設計，出廠試驗也沒有密封試驗項目，因此大量的運行中的產品都有受潮的可能，給電網運行留下安全隱患。而由于沒有有效的檢驗受潮的手段，這類產品只有在出現熱崩潰時才能判斷其壽命終結，為時已晚。

由于離線檢驗都很困難，所有這類產品的在線監測只是動作計數器，不具備狀態監測功能，也很難具備狀態監測功能。

5.解決問題的新思路

顯然，用6只獨立的無間隙金屬氧化物避雷器結構不存在“四星形”結構所帶來的運行可靠性降低、保護性能惡化及檢驗監測困難的問題，完全保持了無間隙金屬氧化物避雷器的優異特性，要解決的只是小型化以便于安裝。目前市場上已經有這種產品的應用，運行效果很好，典型型號是EAT六相避雷器。由于氧化鋅非線性電阻片制造技術的限制，無間隙金屬氧化物避雷器保護弱絕緣類設備特別是保護旋轉電機的操作過電壓時，保護裕度較小。這里介紹一種俄羅斯99年新運行導則里推薦的方法：將MOA并聯在真空斷路器觸頭之間。MOA并聯安裝在真空斷路器觸頭之間保證了最直接限制操作過電壓，而MOA本身負載也減輕，額定電壓可降低10%以上，其殘壓也可降低10%，可同電機絕緣允許值更好配合，MOA的通流能力也可降低要求。當然這個方法的實施需要斷路器生產廠家和保護器生產廠家的配合。

6.結束語

帶串聯間隙的三相組合式過電壓保護器只是作為一種概念產品，在用戶不具備檢驗和判斷能力的情況下推進市場的，許多技術問題并沒有解決。這類產品在電網大量運行近20年，事故率高，保護效果差，給用戶造成很大損失，不宜繼續在用戶配電網中運行。

用戶系統操作過電壓的保護，可通過直接加裝相間避雷器來完成，或在真空斷路器觸頭之間直接并聯金屬氧化物避雷器。

參考文獻

[1]李學思.三相組合式氧化鋅避雷器[J].電瓷避雷器. 1989（1）：1-7.