三相組合式過電壓保護(hù)器在大用電企業(yè)的應(yīng)用

【摘要】對在大用電企業(yè)應(yīng)用了近20年的三相組合式過電壓保護(hù)器的運行現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出這類“四星形”接法的組合式過電壓保護(hù)器事故率高，運行風(fēng)險大，火花間隙的引入導(dǎo)致保護(hù)性能惡化和監(jiān)測檢驗困難，不宜繼續(xù)在配電網(wǎng)中運行。

【關(guān)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(yè)的大量使用，用于保護(hù)真空斷路器操作過電壓的一種新產(chǎn)品，“四星形”結(jié)構(gòu)的三相組合式過電壓保護(hù)器也被高調(diào)推薦給用戶。近20年來的運行結(jié)果表明，這類產(chǎn)品事故率遠(yuǎn)高于單相的無間隙金屬氧化物避雷器，且事故后果嚴(yán)重，給用戶造成很大損失。從2005年左右開始，各地電力系統(tǒng)或行業(yè)如內(nèi)蒙、湖南、四川、云南、河南、福建等紛紛下文禁用這類產(chǎn)品。2008年，在強制性國家標(biāo)準(zhǔn)GB/50227-2008《并聯(lián)電容器裝置設(shè)計規(guī)范》第4.2.8條中明確規(guī)定不得采用這種“四星形”結(jié)構(gòu)的組合式過電壓保護(hù)器。

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

2.保護(hù)效果驗證

20世紀(jì)70年代后期開始使用的無間隙金屬氧化物避雷器（MOA）是現(xiàn)代電力系統(tǒng)過電壓保護(hù)的主導(dǎo)產(chǎn)品，已經(jīng)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(hù)水平不再是一個統(tǒng)計參數(shù)，而是可以精確給出。

三相組合式過電壓保護(hù)器重新引入了火花間隙，并假設(shè)了一個前提：認(rèn)為間隙的沖擊系數(shù)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(shè)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(jù)普閥式避雷器幾十年的設(shè)計制造經(jīng)驗，間隙的沖擊系數(shù)大于1.1，具體數(shù)字和不同的間隙結(jié)構(gòu)、照射條件相關(guān)。假設(shè)這么一個沖擊系數(shù)為1的前提是為了這類產(chǎn)品設(shè)計時的絕緣配合計算，反過來說，這類產(chǎn)品在這么一個不成立的假設(shè)前提下進(jìn)行的絕緣配合設(shè)計也是不成立的。在這類產(chǎn)品的參數(shù)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(chǎn)品，標(biāo)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(shù)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(shè)計只是一個文字游戲，是不科學(xué)的。

用8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波對這類產(chǎn)品進(jìn)行整體測試以驗證其保護(hù)水平。圖1為對某35kV產(chǎn)品相間保護(hù)水平進(jìn)行的試驗結(jié)果。

圖1 35kV組合式過電壓保護(hù)器相間保護(hù)水平試驗

從試驗波形和結(jié)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(dá)8%，沖擊系數(shù)在1.2～1.35。同時可以看到，決定這類產(chǎn)品的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)要求的134kV。

相對而言，這類產(chǎn)品分類中的電站型產(chǎn)品保護(hù)水平基本能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，電機型產(chǎn)品保護(hù)水平合格的極少，而真正出現(xiàn)相間操作過電壓的正是投切這些感性負(fù)載。圖2是兩臺10kV的電機型產(chǎn)品的試驗波形，8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電波2.5kA下保護(hù)水平為45kV、44kV，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的小于31kV，推算到操作保護(hù)水平，也遠(yuǎn)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(hù)器保護(hù)水平試驗

3.事故原因分析

國外對于相間過電壓的保護(hù)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(gòu)成完整的相—地和相—相過電壓保護(hù)，“四星形”結(jié)構(gòu)的三相組合式過電壓保護(hù)器在國外并不見有應(yīng)用的報導(dǎo)。而國內(nèi)則對這種由6只避雷器變形后的“四星形”結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的研究都限于保護(hù)器的保護(hù)效果的仿真計算、分析和研究性應(yīng)用，并未進(jìn)行產(chǎn)品化工作，大量應(yīng)用和運行則是在1995年以后。

6只避雷器結(jié)構(gòu)和“四星形”結(jié)構(gòu)的區(qū)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(xù)運行電壓技術(shù)參數(shù)問題”[2]一文中早有描述。這兩類結(jié)構(gòu)的根本區(qū)別是在發(fā)生單相接地時，“四星形”結(jié)構(gòu)的四個元件構(gòu)成不對稱的容性系統(tǒng)，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(fù)荷加重，整體產(chǎn)品暫時過電壓耐受能力（TOV）降低。要保證“四星形”結(jié)構(gòu)與6只避雷器結(jié)構(gòu)有相同的TOV耐受能力或額定電壓，“四星形”結(jié)構(gòu)的保護(hù)水平將高出30%以上。換言之，保證“四星形”結(jié)構(gòu)的保護(hù)水平，則產(chǎn)品的運行可靠性將遠(yuǎn)低于6只單獨避雷器的結(jié)構(gòu)。對這種區(qū)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(jié)構(gòu)的“分壓效應(yīng)”。

圖3 “四星形”結(jié)構(gòu)在單相（C相）接地故障下的“分壓效應(yīng)”

“分壓效應(yīng)”正是這種“四星形”結(jié)構(gòu)產(chǎn)品事故率高的根本原因，是結(jié)構(gòu)和原理上的缺陷。帶火花間隙的“四星形”產(chǎn)品也避免不了這種分壓效應(yīng)的影響，單相接地時相元件間隙因分壓高將提前導(dǎo)通然后地相間隙導(dǎo)通。間隙的反復(fù)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(hù)性能惡化，絕緣配合無法實現(xiàn)。

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

而火花間隙的引入帶來的另一個個嚴(yán)重問題，是檢驗和監(jiān)測的困難。

4.檢驗和監(jiān)測

所有這類帶間隙產(chǎn)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(xiàn)位移或嚴(yán)重?zé)g工頻放電值才會出現(xiàn)明顯變化，而內(nèi)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(chǎn)品進(jìn)行定期試驗合格后，對產(chǎn)品進(jìn)行解剖檢驗，很多已經(jīng)出現(xiàn)明顯的受潮現(xiàn)象，間隙電極銹蝕嚴(yán)重，表面有厚厚的銅綠。試驗室進(jìn)行受潮試驗，讓試品逐步人為受潮，直到內(nèi)腔表面出現(xiàn)明顯凝露情況，工頻放電值仍在合格范圍之內(nèi)。

這與傳統(tǒng)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(chǎn)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(jié)構(gòu)的帶串聯(lián)間隙三相組合式過電壓保護(hù)器幾乎都沒有進(jìn)行專門的密封設(shè)計，出廠試驗也沒有密封試驗項目，因此大量的運行中的產(chǎn)品都有受潮的可能，給電網(wǎng)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(chǎn)品只有在出現(xiàn)熱崩潰時才能判斷其壽命終結(jié)，為時已晚。

由于離線檢驗都很困難，所有這類產(chǎn)品的在線監(jiān)測只是動作計數(shù)器，不具備狀態(tài)監(jiān)測功能，也很難具備狀態(tài)監(jiān)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(jié)構(gòu)不存在“四星形”結(jié)構(gòu)所帶來的運行可靠性降低、保護(hù)性能惡化及檢驗監(jiān)測困難的問題，完全保持了無間隙金屬氧化物避雷器的優(yōu)異特性，要解決的只是小型化以便于安裝。目前市場上已經(jīng)有這種產(chǎn)品的應(yīng)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(shù)的限制，無間隙金屬氧化物避雷器保護(hù)弱絕緣類設(shè)備特別是保護(hù)旋轉(zhuǎn)電機的操作過電壓時，保護(hù)裕度較小。這里介紹一種俄羅斯99年新運行導(dǎo)則里推薦的方法：將MOA并聯(lián)在真空斷路器觸頭之間。MOA并聯(lián)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(fù)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(dāng)然這個方法的實施需要斷路器生產(chǎn)廠家和保護(hù)器生產(chǎn)廠家的配合。

6.結(jié)束語

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

用戶系統(tǒng)操作過電壓的保護(hù)，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(lián)金屬氧化物避雷器。

參考文獻(xiàn)

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