基于不同結構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.西華大學電氣信息學院，四川 成都 610039；2.中國石油工程設計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高電阻，流過避雷器的電流僅為μA級的泄漏電流；當遭受過電壓時，其優異的非線性伏安特性發揮作用，呈低電阻導通狀態，使流過避雷器的電流瞬間增大到數千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備的侵害。與傳統碳化硅避雷器相比，金屬氧化物避雷器改變了避雷器的伏安特性，提高了過電壓時的通流能力，使避雷器的性能發生了根本性的變化。

金屬氧化物避雷器按其結構特征主要分為無間隙、帶串聯間隙和帶并聯間隙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間隙2種類型金屬氧化物避雷器的電氣特性進行分析；以10 kV配電系統為例，對其主要性能指標進行參數測算并逐一對比，通過選擇應用闡明其主要技術特征與應用范圍；結合測算結果與實際案例，分析事故原因并提出合理化建議，以促進金屬氧化物避雷器的正確使用，進一步提高其對電氣設備過電壓保護的有效利用率。

1 電氣特性

除環境條件、使用場合及機械強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還主要包括額定電壓Ur、持續運行電壓Uc、標稱放電電流In、保護水平與絕緣配合這4方面[2-4]。

持續運行電壓、額定電壓與系統中性點接地方式密切相關。我國中壓系統主要采用非直接接地系統，但隨著經濟社會的發展，具體接地方式已由過去單一的不接地方式發展為多種接地方式并存的現狀。低電阻接地方式要求單相接地故障在10 s及以內切除；而當采用不接地、消弧線圈及高電阻接地方式時，單相接地故障可在10 s以上切除，且按規定允許在單相接地故障下持續運行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，是表明避雷器運行特性的一個重要參數，可理解為避雷器動作的啟動電壓。

對于無間隙避雷器，只要過電壓超過額定電壓，保護作用就開始，在經受多數暫時過電壓作用仍能正常運行，因此其額定電壓值較傳統串聯間隙避雷器額定值要高。

1)低電阻接地時

Ur≥1.1Um。

(1)

2)不接地/高電阻接地時

Ur≥(1.25～1.3)1.1Um。

(2)

3)經消弧線圈接地時

Ur≥(1.25～1.3)Um。

(3)

式中Um為系統最高工作線電壓。

對于帶串聯間隙避雷器，由于間隙作用，在多數暫時過電壓時可不動作，因此新國標GB/T 28182—2011《額定電壓52 kV及以下帶串聯間隙避雷器》仍沿用了傳統帶串聯間隙碳化硅避雷器額定值，即等于系統單相接地時，系統非故障相出現的最高電壓值。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]。

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

Ur≥1.1Um。

(4)

1.2 持續運行電壓

持續運行電壓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運行電壓，電阻片存在劣化和熱穩定的問題。為保證使用壽命，長期作用在避雷器上的電壓不應超過持續運行電壓。

1)低電阻接地時

(5)

2)不接地/高電阻接地時

Uc≥1.1Um。

(6)

3)經消弧線圈接地時

Uc≥Um。

(7)

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

Uc≥0.8Ur。

(8)

1.3 標稱放電電流

標稱放電電流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個等級。35 kV及其以下系統有一定的設備絕緣損壞率是可以接受的。按照避雷器類型的使用條件，標稱放電電流可選用5、2.5和1.5 kA這3個等級。無間隙與帶串聯間隙金屬氧化物避雷器按標稱放電電流分類的額定電壓有效值對比如表1所示。

表1 金屬避雷器按標稱放電電流分類的額定電壓對比

1.4 保護水平與絕緣配合

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

1.4.1 雷電過電壓保護水平

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

帶串聯間隙避雷器的保護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項數值中的最高者：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 操作過電壓保護水平

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

1.4.3 配合系數

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

2 電氣特性參數的測算與應用

本文以10 kV配電系統為例，除標稱放電電流In通常選擇5 kA外[7]，主要進行額定電壓Ur、持續運行電壓Uc、保護水平與絕緣配合的選擇及校驗，并結合典型推薦參數進行無間隙與帶串聯間隙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，額定電壓、持續運行電壓理論計算值參見式(1)和(5)；不接地或高電阻接地時，持續運行電壓、額定電壓理論計算值參見式(2)和(6)；經消弧線圈接地時，持續運行電壓、額定電壓理論計算值參見式(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算值與典型推薦值相差較大，主要依據是DL/T 620—1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》。參見式(9)和(10)，低電阻接地時額定電壓與持續運行電壓分別為12 kV和9.6 kV[8]。在DL/T 804—2002《交流電力系統金屬氧化物避雷器使用導則》中給出的低電阻接地時額定電壓建議值為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的10 kV開關設備雷電沖擊耐受電壓75 kV、短時工頻耐受電壓42 kV，并根據式(11)和(12)分別計算無間隙金屬氧化物避雷器雷電過電壓配合系數、操作過電壓配合系數。由計算結果可知，雷電過電壓配合系數滿足絕緣配合要求，而操作過電壓的保護裕度不大。相比而言，額定電壓為12 kV和15 kV避雷器的配合系數均滿足要求，保護裕度較大，實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為

(11)

2) 操作過電壓配合系數為

(12)

2.2 帶串聯間隙避雷器

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

表4 帶串聯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 帶串聯間隙避雷器典型殘壓值

根據表5所列的典型殘壓值、對應的10 kV開關設備雷電沖擊耐受電壓75 kV，計算帶串聯間隙金屬氧化物避雷器的雷電過電壓配合系數，為

(13)

可見，其結果是滿足絕緣配合要求的。

3 實際案例分析與對策建議

3.1 工程案例

以某工業項目為例進行分析，該項目位于我國中部地區，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雷擊及地質災害頻發。項目中，10 kV電源來自公網不接地系統，開關柜內設置有帶串聯間隙金屬氧化物避雷器。

項目建成后至2011年7月期間，共連續3次出現避雷器爆炸事故，3次事故均為C相爆裂：第1次事故同時引燃高壓進線電纜終端；第2次事故經上級供電部門確認，線路前端出現缺相故障；第3次事故經上級供電部門確認，線路前端發生單相接地故障。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諧振過電壓，同時因避雷器內部故障或者放電電流能力偏小，造成事故發生。事故后，開關柜內改用無間隙金屬氧化物避雷器，至今未再發生爆裂事故。由于無法測算判斷實際動作電壓及放電電流等相關參數，事故原因至今尚無明確結論。

3.2 事故分析

根據實際工程經驗與相關資料統計分析表明，由于制造質量、運行及選型不當等造成的金屬氧化物避雷器爆炸事故占到事故總數的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和持續運行電壓Uc的取值偏低。

3)金屬氧化物避雷器結構設計不合理，如：瓷套的干閃、濕閃電壓太低；閥片方波通流容量小；固定閥片的支架絕緣性能不良等。

4)不考慮系統的接地方式，盲目選擇金屬氧化物造成的損壞。

5)配電系統的工作電壓波動范圍較寬。

6)運行操作不當，如，將中性點接地系統變為局部不接地系統，使施加到金屬氧化物避雷器兩端的電壓大大超過其持續運行電壓Uc。

7)由于閥片質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)提高產品質量。高度重視金屬氧化物避雷器的結構設計、密封、總裝環境等決定質量的因素。

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行的重要因素，系統的接地方式及產生的工頻過電壓是選擇避雷器額定電壓的主要依據。

3)加強避雷器驗收試驗和定期預防性試驗。金屬氧化物避雷器的試驗項目主要有測量絕緣電阻(初步了解內部是否受潮、內部熔絲是否斷掉)、測量臨界動作電壓(檢查閥片是否受潮、確定其動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定)、測量交流電壓下交流泄漏電流(現場監測閥片是否老化、內部絕緣部件是否受損)。

4 結束語

1)無間隙金屬氧化物避雷器結構簡單、保護性能好、保護效果佳，但承受瞬時過電壓的能力較弱，長期反復連續動作容易加速老化、影響壽命，且選擇復雜，主要適用于110kV及以上的高電壓系統。

2)帶串聯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電壓及瞬時過電壓，有效延長了使用壽命，而且可減少電阻片數量，具有良好的技術經濟性能。它選擇簡便，殘壓值低，更適宜中壓系統采用。

3)在實際的工程應用中，應注意正確選擇金屬氧化物避雷器的額定電壓和持續運行電壓，并校驗工頻電壓耐受時間特性曲線，驗證避雷器耐受諧振過電壓和弧光接地過電壓的能力；同時，應校驗避雷器的保護水平和絕緣配合，確保對電氣設備的過電壓絕緣的有效保護。對于中壓系統，更應結合電網及系統的實際情況、運行經驗等進行確定。

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