基于不同結(jié)構(gòu)分類的金屬氧化物避雷器電氣特性對比分析

張 力，楊 焜，何麗梅

(1.西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.中國石油工程設(shè)計(jì)有限公司西南分公司，四川 成都 610041)

金屬氧化物避雷器的核心工作元件為具有非線性伏安特性的金屬氧化物電阻片。它在正常工頻電壓下呈現(xiàn)高電阻，流過避雷器的電流僅為μA級的泄漏電流；當(dāng)遭受過電壓時(shí)，其優(yōu)異的非線性伏安特性發(fā)揮作用，呈低電阻導(dǎo)通狀態(tài)，使流過避雷器的電流瞬間增大到數(shù)千A以上，釋放過電壓能量，從而有效地限制過電壓對輸變電設(shè)備的侵害。與傳統(tǒng)碳化硅避雷器相比，金屬氧化物避雷器改變了避雷器的伏安特性，提高了過電壓時(shí)的通流能力，使避雷器的性能發(fā)生了根本性的變化。

金屬氧化物避雷器按其結(jié)構(gòu)特征主要分為無間隙、帶串聯(lián)間隙和帶并聯(lián)間隙3種類型[1]。本文主要針對金屬氧化物避雷器工作中所存在的安全隱患(如爆炸等)，選取無間隙與帶串聯(lián)間隙2種類型金屬氧化物避雷器的電氣特性進(jìn)行分析；以10 kV配電系統(tǒng)為例，對其主要性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)測算并逐一對比，通過選擇應(yīng)用闡明其主要技術(shù)特征與應(yīng)用范圍；結(jié)合測算結(jié)果與實(shí)際案例，分析事故原因并提出合理化建議，以促進(jìn)金屬氧化物避雷器的正確使用，進(jìn)一步提高其對電氣設(shè)備過電壓保護(hù)的有效利用率。

1 電氣特性

除環(huán)境條件、使用場合及機(jī)械強(qiáng)度等作為避雷器的基本使用條件外，對金屬氧化物避雷器電氣性能的考核指標(biāo)還主要包括額定電壓Ur、持續(xù)運(yùn)行電壓Uc、標(biāo)稱放電電流In、保護(hù)水平與絕緣配合這4方面[2-4]。

持續(xù)運(yùn)行電壓、額定電壓與系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式密切相關(guān)。我國中壓系統(tǒng)主要采用非直接接地系統(tǒng)，但隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，具體接地方式已由過去單一的不接地方式發(fā)展為多種接地方式并存的現(xiàn)狀。低電阻接地方式要求單相接地故障在10 s及以內(nèi)切除；而當(dāng)采用不接地、消弧線圈及高電阻接地方式時(shí)，單相接地故障可在10 s以上切除，且按規(guī)定允許在單相接地故障下持續(xù)運(yùn)行2 h。

1.1 額定電壓

額定電壓Ur是指施加到避雷器端子間的最大允許工頻電壓有效值，是表明避雷器運(yùn)行特性的一個(gè)重要參數(shù)，可理解為避雷器動(dòng)作的啟動(dòng)電壓。

對于無間隙避雷器，只要過電壓超過額定電壓，保護(hù)作用就開始，在經(jīng)受多數(shù)暫時(shí)過電壓作用仍能正常運(yùn)行，因此其額定電壓值較傳統(tǒng)串聯(lián)間隙避雷器額定值要高。

1)低電阻接地時(shí)

Ur≥1.1Um。

(1)

2)不接地/高電阻接地時(shí)

Ur≥(1.25～1.3)1.1Um。

(2)

3)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)

Ur≥(1.25～1.3)Um。

(3)

式中Um為系統(tǒng)最高工作線電壓。

對于帶串聯(lián)間隙避雷器，由于間隙作用，在多數(shù)暫時(shí)過電壓時(shí)可不動(dòng)作，因此新國標(biāo)GB/T 28182—2011《額定電壓52 kV及以下帶串聯(lián)間隙避雷器》仍沿用了傳統(tǒng)帶串聯(lián)間隙碳化硅避雷器額定值，即等于系統(tǒng)單相接地時(shí)，系統(tǒng)非故障相出現(xiàn)的最高電壓值。需要指出的是該額定電壓僅特指金屬氧化物電阻片之間的額定電壓值，通常小于無間隙避雷器額定電壓值[5]。

我國中壓系統(tǒng)傳統(tǒng)接地方式主要為不接地系統(tǒng)，單相接地非故障相的電壓可達(dá)到最高線電壓的1.1倍，因此在沿用帶串聯(lián)間隙碳化硅避雷器的額定電壓時(shí)，不再區(qū)分具體接地方式。

Ur≥1.1Um。

(4)

1.2 持續(xù)運(yùn)行電壓

持續(xù)運(yùn)行電壓Uc是指允許持久施加在避雷器端子間的工頻電壓有效值。

無間隙避雷器長期承受電網(wǎng)運(yùn)行電壓，電阻片存在劣化和熱穩(wěn)定的問題。為保證使用壽命，長期作用在避雷器上的電壓不應(yīng)超過持續(xù)運(yùn)行電壓。

1)低電阻接地時(shí)

(5)

2)不接地/高電阻接地時(shí)

Uc≥1.1Um。

(6)

3)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)

Uc≥Um。

(7)

帶串聯(lián)間隙避雷器通過間隙使電阻片與帶電導(dǎo)體隔離，因此未將持續(xù)運(yùn)行電壓作為主要指標(biāo)，制造廠的技術(shù)資料中通常也不標(biāo)注該參數(shù)。新國標(biāo)GB/T 28182—2011《額定電壓52 kV及以下帶串聯(lián)間隙避雷器》明確要求將持續(xù)運(yùn)電壓作為避雷器標(biāo)志之一，且通常為額定電壓的0.8倍，與具體接地方式無關(guān)。通過大量試驗(yàn)結(jié)果來看，取值合理[5]。

Uc≥0.8Ur。

(8)

1.3 標(biāo)稱放電電流

標(biāo)稱放電電流In也稱為雷電沖擊電流，是指沖擊波形為8/20 μs的雷電沖擊電流峰值，分為20、10、5、2.5、1.5 kA這5個(gè)等級。35 kV及其以下系統(tǒng)有一定的設(shè)備絕緣損壞率是可以接受的。按照避雷器類型的使用條件，標(biāo)稱放電電流可選用5、2.5和1.5 kA這3個(gè)等級。無間隙與帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器按標(biāo)稱放電電流分類的額定電壓有效值對比如表1所示。

表1 金屬避雷器按標(biāo)稱放電電流分類的額定電壓對比

1.4 保護(hù)水平與絕緣配合

避雷器的保護(hù)水平是指避雷器動(dòng)作后的殘壓或放電電壓不應(yīng)高于被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平，且兩者間應(yīng)有一定裕度。避雷器的額定電壓高，則殘壓也相應(yīng)增加，同樣的設(shè)備絕緣水平下，保護(hù)裕度就會(huì)降低。通常只要滿足保護(hù)配合的絕緣系數(shù)，避雷器的額定電壓可選得高一些。各制造廠的避雷器保護(hù)水平存在一定差異，因此選擇與使用過程中需進(jìn)行絕緣配合的校驗(yàn)。

1.4.1 雷電過電壓保護(hù)水平

無間隙避雷器的保護(hù)水平是由金屬氧化物電阻片的殘壓所決定，并取下列2項(xiàng)數(shù)值中的最高者：1)1/20 μs陡波沖擊電流下最大殘壓除以1.15；2)8/20 μs標(biāo)稱放電電流下最大殘壓。

帶串聯(lián)間隙避雷器的保護(hù)水平不僅由電阻片的殘壓決定，而且還要由其間隙的放電電壓決定，并取下列4項(xiàng)數(shù)值中的最高者：1)1/20 μs陡波沖擊電流下最大殘壓除以1.15；2)8/20 μs標(biāo)稱放電電流下最大殘壓；3)雷電沖擊放電電壓；4)波前沖擊放電電壓除以1.15。

1.4.2 操作過電壓保護(hù)水平

無間隙避雷器操作過電壓保護(hù)水平是指波頭時(shí)間為30～100 μs的操作沖擊電流下最大殘壓。帶串聯(lián)間隙避雷器中，對標(biāo)稱放電電流為10 kA以下的避雷器未做要求。

1.4.3 配合系數(shù)

無間隙與帶串聯(lián)間隙避雷器的配合系數(shù)Ks均是指被保護(hù)設(shè)備的絕緣水平除以避雷器的保護(hù)水平[6]，且不低于下列數(shù)值：1)雷電過電壓配合系數(shù)，1.4；2)操作過電壓配合系數(shù)，1.15。

2 電氣特性參數(shù)的測算與應(yīng)用

本文以10 kV配電系統(tǒng)為例，除標(biāo)稱放電電流In通常選擇5 kA外[7]，主要進(jìn)行額定電壓Ur、持續(xù)運(yùn)行電壓Uc、保護(hù)水平與絕緣配合的選擇及校驗(yàn)，并結(jié)合典型推薦參數(shù)進(jìn)行無間隙與帶串聯(lián)間隙2種類型金屬氧化物避雷器的對比分析。

2.1 無間隙避雷器

對于無間隙金屬氧化物避雷器，低電阻接地時(shí)，額定電壓、持續(xù)運(yùn)行電壓理論計(jì)算值參見式(1)和(5)；不接地或高電阻接地時(shí)，持續(xù)運(yùn)行電壓、額定電壓理論計(jì)算值參見式(2)和(6)；經(jīng)消弧線圈接地時(shí)，持續(xù)運(yùn)行電壓、額定電壓理論計(jì)算值參見式(3)和(7)。理論值與典型推薦值如表2所示。

表2 無間隙避雷器理論值與推薦值對比

表3中，低電阻接地的理論計(jì)算值與典型推薦值相差較大，主要依據(jù)是DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合》。參見式(9)和(10)，低電阻接地時(shí)額定電壓與持續(xù)運(yùn)行電壓分別為12 kV和9.6 kV[8]。在DL/T 804—2002《交流電力系統(tǒng)金屬氧化物避雷器使用導(dǎo)則》中給出的低電阻接地時(shí)額定電壓建議值為13 kV，兩者之間是滿足3～30 kV避雷器額定電壓級差1 kV要求的[9]。

Ur≥Um；

(9)

Uc≥0.8Um。

(10)

表3 無間隙避雷器典型殘壓值

由表2可知，額定電壓為17 kV的避雷器殘壓值最高。由表4所列的典型殘壓值及對應(yīng)的10 kV開關(guān)設(shè)備雷電沖擊耐受電壓75 kV、短時(shí)工頻耐受電壓42 kV，并根據(jù)式(11)和(12)分別計(jì)算無間隙金屬氧化物避雷器雷電過電壓配合系數(shù)、操作過電壓配合系數(shù)。由計(jì)算結(jié)果可知，雷電過電壓配合系數(shù)滿足絕緣配合要求，而操作過電壓的保護(hù)裕度不大。相比而言，額定電壓為12 kV和15 kV避雷器的配合系數(shù)均滿足要求，保護(hù)裕度較大，實(shí)際使用中可綜合考慮提高額定電壓水平，延長避雷器使用壽命。

1) 雷電過電壓配合系數(shù)為

(11)

2) 操作過電壓配合系數(shù)為

(12)

2.2 帶串聯(lián)間隙避雷器

對于帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器，各種接地方式的額定電壓與持續(xù)運(yùn)行電壓是一致的，參見式(4)和(8)進(jìn)行計(jì)算，理論值與典型推薦值如表4所示。

表4 帶串聯(lián)間隙避雷器理論值與推薦值對比

表4中，額定電壓的理論計(jì)算值與典型推薦值相差較大，但兩者之間也是滿足3～30 kV避雷器額定電壓級差1 kV要求的。

表5 帶串聯(lián)間隙避雷器典型殘壓值

根據(jù)表5所列的典型殘壓值、對應(yīng)的10 kV開關(guān)設(shè)備雷電沖擊耐受電壓75 kV，計(jì)算帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器的雷電過電壓配合系數(shù)，為

(13)

可見，其結(jié)果是滿足絕緣配合要求的。

3 實(shí)際案例分析與對策建議

3.1 工程案例

以某工業(yè)項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，該項(xiàng)目位于我國中部地區(qū)，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雷擊及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。項(xiàng)目中，10 kV電源來自公網(wǎng)不接地系統(tǒng)，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)置有帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器。

項(xiàng)目建成后至2011年7月期間，共連續(xù)3次出現(xiàn)避雷器爆炸事故，3次事故均為C相爆裂：第1次事故同時(shí)引燃高壓進(jìn)線電纜終端；第2次事故經(jīng)上級供電部門確認(rèn)，線路前端出現(xiàn)缺相故障；第3次事故經(jīng)上級供電部門確認(rèn)，線路前端發(fā)生單相接地故障。除第1次外，其余2次均有事故記錄，其中第2次事故中記錄的帶電顯示器測試端子電壓為A、B相70 V，C相38 V；第3次事故中記錄的非故障相電壓為14 kV，初步判斷為線路單線接地故障引發(fā)諧振過電壓，同時(shí)因避雷器內(nèi)部故障或者放電電流能力偏小，造成事故發(fā)生。事故后，開關(guān)柜內(nèi)改用無間隙金屬氧化物避雷器，至今未再發(fā)生爆裂事故。由于無法測算判斷實(shí)際動(dòng)作電壓及放電電流等相關(guān)參數(shù)，事故原因至今尚無明確結(jié)論。

3.2 事故分析

根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)分析表明，由于制造質(zhì)量、運(yùn)行及選型不當(dāng)?shù)仍斐傻慕饘傺趸锉芾灼鞅ㄊ鹿收嫉绞鹿士倲?shù)的60%以上，具體原因[10]可分析如下。

1)由于密封不良或漏氣，使潮氣或水分侵入，造成金屬氧化物避雷器受潮。

2)金屬氧化物避雷器額定電壓Ur和持續(xù)運(yùn)行電壓Uc的取值偏低。

3)金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，如：瓷套的干閃、濕閃電壓太低；閥片方波通流容量??；固定閥片的支架絕緣性能不良等。

4)不考慮系統(tǒng)的接地方式，盲目選擇金屬氧化物造成的損壞。

5)配電系統(tǒng)的工作電壓波動(dòng)范圍較寬。

6)運(yùn)行操作不當(dāng)，如，將中性點(diǎn)接地系統(tǒng)變?yōu)榫植坎唤拥叵到y(tǒng)，使施加到金屬氧化物避雷器兩端的電壓大大超過其持續(xù)運(yùn)行電壓Uc。

7)由于閥片質(zhì)量差等造成金屬氧化物避雷器的加速老化。

3.3 對策建議

1)提高產(chǎn)品質(zhì)量。高度重視金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、密封、總裝環(huán)境等決定質(zhì)量的因素。

2)正確選擇金屬氧化物避雷器。正確選擇金屬氧化物避雷器是保證其可靠運(yùn)行的重要因素，系統(tǒng)的接地方式及產(chǎn)生的工頻過電壓是選擇避雷器額定電壓的主要依據(jù)。

3)加強(qiáng)避雷器驗(yàn)收試驗(yàn)和定期預(yù)防性試驗(yàn)。金屬氧化物避雷器的試驗(yàn)項(xiàng)目主要有測量絕緣電阻(初步了解內(nèi)部是否受潮、內(nèi)部熔絲是否斷掉)、測量臨界動(dòng)作電壓(檢查閥片是否受潮、確定其動(dòng)作性能是否符合要求)、測量直流電壓下的泄漏電流(檢測長期允許工作電流是否符合規(guī)定)、測量交流電壓下交流泄漏電流(現(xiàn)場監(jiān)測閥片是否老化、內(nèi)部絕緣部件是否受損)。

4 結(jié)束語

1)無間隙金屬氧化物避雷器結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)性能好、保護(hù)效果佳，但承受瞬時(shí)過電壓的能力較弱，長期反復(fù)連續(xù)動(dòng)作容易加速老化、影響壽命，且選擇復(fù)雜，主要適用于110kV及以上的高電壓系統(tǒng)。

2)帶串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器由于增加了間隙，不僅可避免電阻片直接承受電網(wǎng)電壓及瞬時(shí)過電壓，有效延長了使用壽命，而且可減少電阻片數(shù)量，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。它選擇簡便，殘壓值低，更適宜中壓系統(tǒng)采用。

3)在實(shí)際的工程應(yīng)用中，應(yīng)注意正確選擇金屬氧化物避雷器的額定電壓和持續(xù)運(yùn)行電壓，并校驗(yàn)工頻電壓耐受時(shí)間特性曲線，驗(yàn)證避雷器耐受諧振過電壓和弧光接地過電壓的能力；同時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)避雷器的保護(hù)水平和絕緣配合，確保對電氣設(shè)備的過電壓絕緣的有效保護(hù)。對于中壓系統(tǒng)，更應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)及系統(tǒng)的實(shí)際情況、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行確定。

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[3]全國避雷器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．GB 11032—2010 交流無間隙金屬氧化物避雷器[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

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