過電壓保護器安全隱患分析及改造

劉曉峰

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦，山西 晉城 048000）

引言

過電壓保護器又稱組合式避雷器，是近十多年出現的專用于35kV 以下成套柜內，就近與真空開關配套的過電壓限制設備，主要用于防止由真空開關產生的操作過電壓對電力設備的侵害，同時兼有防雷的功能。可有效地保護母線、真空開關、電動機、發電機、電容器組等電力設備的絕緣不受損害，對相間和相地的過電壓均起到可靠的限制作用。從原理上講1臺三相組合式過電壓保護器可起到6臺普通避雷器的作用。義安礦業部分變電站高壓開關柜裝有“四星形”接線的過電壓保護器，每年雷雨季節來臨前都對各變電站避雷器做一次預防性試驗，試驗合格的投入運行，不合格的進行更換。但從近幾年實際運行中發現，當系統出現單相接地引起故障時，幾乎都是這類組合式產品發生過崩潰，而單只氧化鋅避雷器完好。這也驗證了許穎教授在《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》一文中的描述，換言之，也就是在“四星形”接線中，4個元件的額定電壓為0.5倍標準單只避雷器的額定電壓，要保證“四星形”接線組合式過電壓保護器可靠運行［1］，4個元件的額定電壓要提高到0.662倍標準單只避雷器的額定電壓，保護水平提高到1.324倍，但TOV 耐受能力與保護水平形成了固有的矛盾，所以兩者不能兩全，難以滿足正常絕緣配合的需求［2］。

1 有間隙過電壓保護器存在的問題

1）有間隙過電壓保護器電氣原理如下頁圖1所示，從原理圖可看出，這類產品為四柱式結構，采用“四星形”接法，兩個單元分擔運行電壓，當一只單元損壞時會導致其他單元迅速損壞，這種連鎖反應最終會導致相間短路使得事故擴大。對于無間隙“四星形”接線中，閥片的荷電率較高，老化較嚴重，若簡單沿用GB11032 參數來設計“四星形”過電壓保護器，出現單相接地故障時，組合式產品的TOV 耐受能力將比單只氧化鋅避雷器降低1／3，如果氧化鋅避雷器按3.5p.u值來設計，則組合式產品只能達到2.3p.u。顯然，在中性點不接地系統中（一般最大過電壓不超過3.5p.u），出現2.3p.u過電壓的機率要比3.5p.u高，這是組合式過電壓保護器事故率遠高于單只氧化鋅避雷器的主要原因，這也從實際運行中驗證了這一點；對于帶串聯間隙“四星形”接線中，加入火花間隙對氧化鋅閥片單元進行了保護，使氧化鋅電阻的荷電率為零，雖然提高了產品的使用壽命，但由于間隙的存在很難做到穩定且存在沖擊系數，所以對高頻的操作過電壓起不到很好的限制作用。由于產品穩定性得不到保證，間隙放電分散性大，所以產品在實際運行中故障率偏高，并容易造成事故擴大。

圖1 有間隙過電壓保護器電氣原理

2）加入間隙的固有缺陷。過電壓保護器由于火花間隙的加入，保護特性不再由氧化鋅電阻的非線性特性決定，而是由間隙的放電特性所決定，這導致過電壓保護器相應速度遠低于無間隙氧化鋅避雷器，絕緣配合非常困難，大大降低了產品的保護性能。由于有間隙的存在，在正常狀態下氧化鋅閥片無法形成監測回路，無法測試氧化鋅閥片是否受潮或老化，只能等發生事故后退出運行，給用戶帶來隱患。

3）制造工藝復雜，產品穩定性得不到保證。制造帶間隙的組合式過電壓保護器均采用套筒結構，間隙與閥片安置在環氧套筒里或塑料底盒里。這類產品的生產廠家簡單使用密封膠把間隙周圍進行密封，沒有做專門的密封設計，由于內部間隙有空氣存在，過電壓保護器動作時放電膨脹會產生“呼吸”現象，導致間隙與閥片受潮，時間一長就會造成閥片老化，從而引發間隙和閥片被擊穿，發生事故，產品運行中密封失效已成為這類產品事故率高的另一個原因。

4）大部分用戶單位未配置放電計數器或在線監測儀，運行中是否作用于戶單位不清楚。如果配置了這些附件，動作次數也只能反映間隙的壽命，但是無法得知氧化鋅閥片的老化及損壞情況。

3 過電壓保護器與避雷器的預防比較（見表1）

從表1中可以看出，過電壓保護器加入間隙后，只能做絕緣電阻與工頻放電試驗，嚴禁做直流1mA 參考電壓及0.75參考電壓（1mA）下的泄漏電流試驗，即無法判別氧化鋅閥片的好壞。過電壓保護器做工頻放電試驗原理是取三次放電電壓的平均值與出廠安裝使用說明書的技術參數值進行比較，在合格范圍內就判定正常。但是該項試驗的本質就是做了間隙的動作電壓，與氧化鋅閥片的泄漏電流無任何聯系。假設過電壓保護器氧化鋅閥片已經受潮或老化，但放電間隙正常，做工頻放電試驗也會合格，此時的過電壓保護器就像被貼了合格證的定時炸彈在高壓開關柜中運行，一旦發生過電壓時就會使過電壓保護器出現熱崩潰甚至爆炸事故。由于放電間隙的存在，目前還沒有任何試驗手段對過電壓保護器氧化鋅閥片進行檢測，也無法預知過電壓保護器何時發生事故。

表1 有間隙過電壓保護器與單只無間隙氧化鋅避雷器的預防試驗項目

4 改造措施

根據考察、調研、查閱相關資料，并借鑒國內外多年來的實踐經驗，義安礦業引進一種新型的六柱全相雙安全保護裝置，如下頁圖2所示，該產品為無間隙“六元件”結構，采用“Y－△”接線，相地3只接成Y形接法，保護相地過電壓，相間3只接成△形接法，保護相間過電壓，6只氧化鋅避雷器的參數選擇與標準單只氧化鋅避雷器的參數完全一致，3只相對地氧化鋅避雷器就是標準氧化鋅避雷器的運行工況，3只相間氧化鋅避雷器不承受接地故障時過電壓的作用，這使得相間氧化鋅避雷器比相對地氧化鋅避雷器有著更高的運行安全性和可靠性［4］。這種新的組合方式完全保持了無間隙氧化鋅避雷器的優異特性，即時響應快，相間和相地為獨立的氧化鋅閥片單元組件，所有氧化鋅閥片單元獨立運行，不會引起四柱式結構中的連鎖效應；并通過環氧樹脂真空澆注工藝解決了產品的密封問題；沒有了間隙的固有缺陷，不存在間隙放電電壓受內外環境影響的問題；結構緊湊、運行可靠，外形及安裝尺寸與“四星形”結構完全一樣，易于實現在線監測及預防性試驗，保證產品的運行安全性和可靠性。義安礦業從2012 年開始對部分變電站改造更換為一特六柱全相雙安全保護裝置，到目前運行狀況平穩，沒有出現任何異常現象。

圖2 六柱全相雙安全保護裝置

5 結論

1）目前市場上的主流產品為采用“四星形”接法的帶間隙組合式過電壓保護器，即“采用三臺避雷器星形連接后經第四臺避雷器接地的接線方式”，其保護效果差，事故率高。

2）“四星形”接法的組合式過電壓保護器，無論是否有間隙，在單相接地故障時，過電壓耐受能力較差，難以滿足正常絕緣配合的需求［5］。

［1］許穎.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［J］.電網技術.1996（6）：35－39.

［2］艾建紅，康定增，王學葵，等.組合式過電壓保護器發展動態［J］.電力設備.2012，15（10）：24－27.

［3］閻中華.帶串聯間隙金屬氧化物避雷器的研究與開發［J］.電瓷避雷器.1990（1）：1－8.

［4］李學思.三相組合式氧化鋅避雷器［J］.電瓷避雷器.1989（1）：11－17.