組合式過電壓保護器的選用分析

關鍵詞： 組合式避雷器 特點結構 參數選用 投運試驗

　　繼電保護測試儀組合式過電壓保護器是一種新型過電壓保護裝置 ，主要應用于35KV及以下電力系統中，用以限制雷電過電壓、真空斷路器操作過電壓以及電力系統中可能出現的各種暫態過電壓，可有效地保護電動機、變壓器、開關、電容器、電纜、母線等電力設備的絕緣不受損害，對相間和相對地的過電壓均能起到可靠的限制作用。真空斷路器裝置目前的廣泛應用，使人們對由于操作過電壓引起的危害越來越重視，而組合式過電壓保護器的種類較多，使我們在應用選擇上有很大的空間，但同時又會使我們選擇更為慎重。本文旨在探討真空斷路器裝置中組合式過電壓保護器（組合式氧化鋅避雷器）的選用問題。

　　我國避雷器產品的發展歷經普通閥型避雷器、磁吹避雷器和金屬氧化物避雷器（MOA）幾個階段，近年來避雷器整體制造水平和質量都有了很大提高。隨著真空斷路器的廣泛應用，為限制其操作過電壓和避免受電設備絕緣損害，在限制過電壓方面采取了許多措施。通常真空斷路器裝置操作過電壓的保護裝置有以下幾類：

（1）繼電保護測試儀阻容吸收裝置；

（2）繼電保護測試儀無間隙氧化鋅避雷器；

（3）帶串聯間隙氧化鋅避雷器。

　　阻容吸收裝置zui大優點是能緩和入侵到被保護設備的過電壓波的陡度，改善設備繞組上的電壓梯度，但有體積大，無明顯過電壓限制值，吸收過電壓能量容量小，會產生高次諧波污染等問題。無間隙氧化鋅避雷器是一種較*的過電壓保護設備，與傳統的碳化硅避雷器相比，在保護特性、通斷能力和抗污穢等方面均有優異的特性，其ZnO電阻片的非線性極其優異，使其在正常工作下接近絕緣狀態。但它保護殘壓較高，無法滿足在操作過電壓下頻繁動作的要求，存在工頻老化和承受荷電率和熱平衡條件的限制，這對于保護電動機類絕緣耐壓水平的設備來說還存在不足的。帶串聯間隙氧化鋅避雷器由于增加了串聯間隙，MOA可以用數量較少的ZnO電阻片，這時殘壓可以做的很低，如果火花間隙的放電電壓也很低，則可使避雷器既有很低的保護水平又不致因為泄漏電流阻性分量大以及由此帶來的劣化現象和功率損耗問題。有串聯間隙的MOA與無間隙MOA相比，具有較高的耐受系統暫過電壓能力，可在系統發生接地故障時保證自身安全，而且具有較低的雷電沖擊放電電壓和殘壓水平，可以為絕緣水平比較弱的設備提供良好的保護，特別適用于中性點非有效接地系統使用。

　　近幾年來我國已研制開發了多種三相組合式有串聯間隙或無間隙氧化鋅避雷器，它們在相間和相地之間都連接有一定比例的ZnO電阻片或帶火花間隙，是一種復合型避雷器，該過電壓保護裝置對相間過電壓有比較好的保護作用。組合式過電壓保護器因采用復合絕緣結構，所以在安裝上受開關柜尺寸的影響較小，因此越來越被人們所認可。

　　繼電保護測試儀組合式過電壓保護器分無間隙和有帶串聯間隙兩種，本文主要探討帶串聯間隙氧化鋅避雷器。組合式氧化鋅避雷器由特殊間隙體和氧化鋅閥片（ZnO）組成，根據生產廠家技術方案不同，間隙結構也不同，間隙主要有四間隙、三間隙、菱形間隙（單間隙），六間隙等，同時間隙上有并聯電阻和無并聯電阻兩種。間隙的不同技術特點也不同。

（1）四間隙星形接法組合式過電壓保護器

　　繼電保護測試儀由四個*相同的保護單元組成過電壓保護器，每個單元都有放電間隙和ZnO電阻片構成，其接線原理圖見圖一所示。
 

（2）繼電保護測試儀三間隙星形接法組合式過電壓保護器

　　由三個間隙和四個單元組成過電壓保護器，其接線原理圖見圖二所示。

　　其結構與四間隙不同點在于取消了接地保護單元間隙，相地保護采用單間隙，接地保護單元由純電阻性材料組成，在中心點受寄生電容和雜散電容等外界因素相對小。相相過電壓時由相間保護單元和接地保護單元共同完成，相相過電壓也是由兩個間隙來承擔。通過接地保護單元的調整可以使相相、相地工頻放電電壓做成一樣。

（3）菱形間隙星形接法組合式過電壓保護器

　　由一個菱形間隙和四個單元組成過電壓保護器，其接線原理圖見圖三所示。

　　繼電保護測試儀其結構與四間隙星形接法不同點在于采用了菱形間隙結構，將帶串聯間隙的三相組合式過電壓保護器放電間隙的數量降到1，從而降低了分布電容和雜散電容對放電數值的影響，相間過電壓和相地過電壓過程均由一個間隙完成。由于間隙和ZnO可以分別裝置， 這樣ZnO可直接和外殼材料熱壓鑄在一起，使閥片周圍空腔幾乎不存在， 在ZnO的密封受潮和防爆問題解決的比較好。

（4）繼電保護測試儀間隙并聯高壓電阻

　　間隙上并聯了一個高壓電阻，在工頻時，間隙的容抗遠大于并聯電阻的阻抗，間隙兩端的電壓取決于電阻的分壓值。在沖擊時，由于波前很陡，其等值頻率遠高于工頻，此時間隙的容抗遠小于阻抗，電壓分布由容抗決定，故不受并聯電阻的影響。

　　在選用組合式過電壓保護器時，首先要了解被選產品結構特點、ZnO電阻片和間隙的產品質量、整體的絕緣性能和密封性能，因為產品的制造質量是至關重要的。同時必須了解其各性能指標全部符合ZBK49005-90《交流有串聯間隙金屬氧化物避雷器》 的規定，滿足DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》標準的要求。

　　選擇MOA的重要技術參數是額定電壓、zui大持續電壓、標稱電流、雷電沖擊保護水平、操作沖擊保護水平等，下面就6-35kV系統開關裝置內避雷器選擇進行闡述。

（1） 避雷器額定電壓Ur的選擇

a.按避雷器持續運行電壓UC的選擇

由于6-35kV系統多為中性點不接地系統，出現單相接地以后，相對地電壓上升為線電壓Um（Um為系統zui高工作電壓），屬暫時過電壓，故障持續時間≥10s，故避雷器持續運行電壓的選擇為：

　　6-10kV時UC≥1.1Um ， 則6kV避雷器UC≥1.1x7.2=7.92kV

　　10kV避雷器UC≥1.1x12=13.2kV

　　35kV時UC≥1.0Um ，則35kV避雷器UC≥1.0x40.5=40.5kV

b.按避雷器暫時過電壓Ut的選擇

　　暫時過電壓包括工頻和諧振兩大類。只有單相接地引起的工頻過電壓，才是確定和選擇避雷器額定電壓的主要依據。根據電力部1993年10月30日“關于提高3-66kV無間隙金屬氧化物避雷器額定電壓和持續運行電壓有關情況的通報”，3-15.75kV Ur≥1.4Um ，35-66kVUr≥1.3Um 。

實際選擇中略小于上述值：

　　6-10kV Ur≥1.38Um則6kV避雷器Ur≥1.38x7.2=9.94kV

　　10kV避雷器Ur≥1.38x12=16.6kV

　　35kVUr≥1.25Um 則35kV避雷器Ur≥1.25x40.5=50.6kV

（2） 繼電保護測試儀標稱放電電流的選擇

　　避雷器的標稱放電電流In是波形為8/20μs用以劃分其等級的重要參數，有1.5、2.5、5、10、20kA等五級，前三級分別與中性點、電機避雷器、電容器避雷器等相對應，電站避雷器則分為后三種，一般6-35kV系統選擇5kA。

（3）繼電保護測試儀 雷電沖擊保護水平

　　避雷器標稱放電電流（8/20μs）下的殘壓值為避雷器的雷電沖擊保護水平。陡波標稱放電電流（1/5μs）下的殘壓值與標稱放電電流下的殘壓值之比不得大于1.15。

　　避雷器雷電沖擊保護水平應滿足保護電力設備絕緣配合的要求，即滿足電氣設備全波沖擊絕緣水平與雷電沖擊保護水平之比值不得小于1.4。 根據持續運行電壓查GB11032-2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》：

　　6kV避雷器UC≥7.92kV時，電站型MOA，殘壓為27kA，配電型MOA，殘壓為30kV；

　　10kV避雷器UC≥13.2kV時，電站型MOA，殘壓為45kA，配電型MOA，殘壓為50kV；

　　35kV避雷器UC≥40.5kV時，電站型MOA，殘壓為134kA。

（4） 操作沖擊保護水平

　　避雷器操作沖擊電流（30～100μs內）的zui大殘壓。操作沖擊絕緣配合系數，應滿足電氣設備的操作絕緣水平與操作沖擊保護水平之比值不得小于1.15。根據持續運行電壓查GB11032-2000《交流無間隙金屬氧化物避雷器》：

　　6kV避雷器UC≥7.92kV時，電站型MOA，殘壓為23kA，配電型MOA，殘壓為25.6kV；

　　10kV避雷器UC≥13.2kV時，電站型MOA，殘壓為38.3kA，配電型MOA，殘壓為42.5kV；

　　35kV避雷器UC≥40.5kV時，電站型MOA，殘壓為114kA。

　　另外，還要考慮爬電距等因素，使之達到交接試驗要求。

　　為防止有意外因素對產品的損壞， 在避雷器投運之前，應進行試驗及定期檢測。試驗應在"相對相"間及"相對地"間進行，測量次數為三次，求其平均值。每二次試驗的時間間隙不小于10S，放電后子0.2S內切斷工頻電源。試驗時可在試驗變壓器旁邊串聯一只10A以上的電流表，觀察電流值，當電流發生突變時，表明試品已放電，此刻的電壓值即為工頻放電電壓值。若現場有條件，可通過高壓測試儀直接讀取脈沖電電壓值。每3-4年應做一次工頻放電試驗的常規檢測。

　　電力設備預防性試驗規程規定：35kV及以下的MOA避雷器用2500V兆歐表測量，其絕緣電阻不低于1000MΩ。

　　對無間隙MOA避雷器還要測量1mA（直流）時的臨界動作電壓U1mA和75%U1mA直流下的泄露電流 ，測量的U1mA主要是檢查其閥片是否受潮，確定其動作性能是否符合要求。U1mA實測值與初始值或制造值相比，其變化不應大于5%，U1mA過高使保護電氣設備的絕緣裕度降低，U1mA過低使 MOA避雷器在各種操作和故障的瞬態過電壓下發生爆炸，測量75%U1mA下的直流泄露電流，主要檢測長期允許工作電流的變化情況。規程規定，75%U1mA下的泄露電流不大于50μA。

　　組合式過電壓保護器因采用復合絕緣結構，相間殘壓水平較低，對相間、相地都有比較好的過電壓保護作用。特別是對開關柜內受安裝尺寸影響的場所，相對單體式避雷器來說，結構更為緊湊，其*性更為突出，非常適合高壓開關柜內使用。目前組合式的氧化鋅避雷器可靠程度還在不斷完善，各生產廠家制造工藝水平存在差異，因此在選用時首先是講究產品質量。組合式過電壓保護器的技術參數選擇也是非常重要的，參數的不同保護程度也不同，因此在不同的應用場合應合理選擇其參數。