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三相組合式氧化鋅避雷器的安全使用

文檔作者：劉雯文檔來源：馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一能源總廠		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月10日
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16
冶 金 動 力
METALLURGICAL POWER 2011年第1期
總第143期
三相組合式氧化鋅避雷器的安全使用
劉雯
(馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一能源總廠，安徽馬鞍山243000)
【摘要】探討了三相組合式過電壓保護器(即氧化鋅避雷器)的結構特點，各類型保護器的接線原理、
選用、投運前的檢測及運行中的監(jiān)測等問題，為安全使用該避雷器提供了借鑒。
【關鍵詞】過電壓；氧化鋅；避雷器；應用
【中圖分類號】TM862 【文獻標識碼】B 【文章編號】1006—6764(2011)01—0016—04
Safety Use of Three-phase Combined-type Zinc Oxide Arrester
LIU Wen
(No．J Energy Plant of肘∞m m Iron＆ Steel Co．，Ltd．， ∞s^∞，Anhui 243000,China)
【Abstract】The structures and features of three—phase combined overvohage protector fi．e．
zinc oxide arrestor)are discussed．The wiring principle，selection，testing before commissioning
an d monitor in operation of various protectors are presented．It gives a reference to safe using
this arrestor．
【Key words】overvoltage；zinc oxide；arrestor；application
1 概述
三相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35 kV及以下電力系統(tǒng)中，防
止操作或故障激發(fā)的過電壓能量所產(chǎn)生的暫態(tài)電壓
升高，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。隨著真空
斷路器的廣泛應用，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
更為慎重。我公司2009年6月發(fā)生2起保護器自身
的兩相短路故障，引起系統(tǒng)電壓下降，導致諸多設備
停機，對公司生產(chǎn)影響較大。本文主要探討三相組合
式過電壓保護器(組合式氧化鋅避雷器)的安全使
用問題。
2 三相組合式過電壓保護器間隙結構和特
占
， Il’
組合式過電壓保護器分無間隙和有帶串聯(lián)間隙
兩種，本文主要探討帶串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器。由于
增加了串聯(lián)間隙，MOA可以用數(shù)量較少的ZnO電
阻片，這時殘壓可以做得很低，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同
時又不致因為泄漏電流阻性分量大帶來劣化現(xiàn)象和
功率損耗問題。有串聯(lián)間隙的MOA與無間隙MOA
相比，具有較高的耐受系統(tǒng)暫態(tài)過電壓能力，可在系
統(tǒng)發(fā)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
接地系統(tǒng)使用。
近幾年來我國已研制開發(fā)了多種三相組合式有
串聯(lián)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。三相組合式過電壓
保護器因采用復合絕緣結構，本身結構簡單體積小，
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。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(jù)生產(chǎn)廠家技術方
案的不同，間隙結構也不同，間隙主要有四間隙、三
間隙、單間隙等，同時間隙上有并聯(lián)電阻和無并聯(lián)電
阻兩種。間隙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
由四個完全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1所示。
2011年第1期
總第143期
冶 金 動 力
METAI．LURG1CAL POWER 17
CG
FR
圖1 四間隙星形接法接線原理
在該保護器中采用ZnO和放電間隙相結合使
兩者互為保護。放電間隙使ZnO的荷電率為零，ZnO
的優(yōu)異的非線性又使放電間隙動作后立即熄弧、無
截流、無續(xù)流，放電間隙不再承擔滅弧任務，沖擊系
數(shù)可以達到1，放電電壓值不隨放電波形變化而變
化，因而使用壽命得到提高。該接線方式可將相間過
電壓大幅度降低，與常規(guī)的MOA相比，相間過電壓
下降60％ 70％。在單相接地、間隙性弧光接地和諧
振過電壓下可長期安全運行。由于相相、相地都是雙
間隙，每個間隙承擔l／2工頻放電電壓，在正常情況
下中心點電位是“零”，則由相問隙承擔工頻電壓，
同時對地存在寄生電容，寄生電容的存在會使實際
放電值出現(xiàn)不穩(wěn)定。
(2)三間隙星形接法組合式過電壓保護器
由3個問隙和4個單元組成或3個間隙和3個
單元組成過電壓保護器，其接線原理圖見圖2(a)、
(b)所示。
C
F
CG
FR
A B C
(a) (b)
圖2 三間隙星形接法接線原理
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。相對相過電壓時由相間保護單元
和接地保護單元共同完成，相對相過電壓也是由兩
個間隙來承擔。通過接地保護單元的調(diào)整可以使相
相、相地工頻放電電壓做成一樣。
(3)單間隙星形接法組合
其接線原理圖見圖3所示。
C
c三
圖3 單間隙星形接法接線原理
(4)間隙并聯(lián)高壓電阻
間隙上并聯(lián)了一個高電阻，在工頻時，間隙的容
抗遠大于并聯(lián)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(lián)電阻的影響。并聯(lián)高阻后
可以安裝實時監(jiān)控裝置，即泄漏電流指示器。這樣將
有效地發(fā)現(xiàn)保護裝置及保護設備的過電壓發(fā)生情
況，達到分析異常動作原因，預防事故發(fā)生。
3 組合式過電壓保護器的選用
在選用組合式過電壓保護器時，首先要了解被
選產(chǎn)品結構特點、ZnO電阻片和間隙的產(chǎn)品質量、整
體的絕緣性能和密封性能，因為產(chǎn)品的制造質量是
至關重要的。同時必須了解其各性能指標必須全部
符合國家及行業(yè)的規(guī)定和標準的要求。
選擇MOA的重要技術參數(shù)是額定電壓、最大
持續(xù)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3 35 kV系統(tǒng)串聯(lián)間隙金屬氧
化鋅避雷器選擇進行闡述。
(1)避雷器電氣性能的選擇
由于3—35 kV系統(tǒng)多為中性點不接地系統(tǒng)，出
現(xiàn)單相接地以后，相對地電壓上升為線電壓 (
為系統(tǒng)最高工作電壓)，屬暫時過電壓，故障持續(xù)時
c
B
A
全II
D
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總第143期
間較長，故3—35 kV避雷器持續(xù)運行電壓的選擇為
大于標稱電壓。其主要參數(shù)：①工頻放電電壓；②
1．2／50沖擊放電電壓；③波前沖擊放電電壓；④標稱
放電電流下的殘壓。
避雷器的標稱放電電流L是波形為8／20 s用
以劃分其等級的重要參數(shù)，有1．5、2．5、5、10、20 kA
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
3-35 kV系統(tǒng)選擇5 kA。
(2)電阻片方波電流和沖擊電流耐受
避雷器的電阻片應分別耐受2000 gs方波電流
l8次及8／20沖擊電流2O次而不損壞(無擊穿、閃
絡、破碎或其他明顯損傷的痕跡)，試驗前后標稱放
電電流殘壓變化應不大于5％。
(3)大電流沖擊耐受
避雷器應耐受兩次大電流沖擊試驗，波形為
4／10。試驗后電阻片不應有擊穿、閃絡等損壞，試驗
前后間隙的工頻放電電壓平均值的變化不大于
2O％ 。
三相組合式復合外套避雷器的密封性能用戶無
法進行檢測，產(chǎn)品密封的質量好壞完全在于生產(chǎn)廠
家的工藝控制，因此在選用產(chǎn)品時須注意對生產(chǎn)廠
家工藝控制程度的了解，才能最大限度保證設備不
因受潮出現(xiàn)故障。目前有的產(chǎn)品在間隙前串聯(lián)故障
脫離裝置，以保證避雷器本身有故障時與系統(tǒng)隔離，
使保護器自身得到保護，減少事故發(fā)生，避免了保護
器爆炸而引發(fā)相問短路事故。
另外，還要考慮復合外套爬電距等因素，使之達
到交接試驗要求。
4 投運前的檢測
評價金屬氧化物避雷器運行質量狀況好壞的一
個重要參數(shù)就是漏電流的大小。金屬氧化物避雷器
的漏電流，x(簡稱全電流)由阻性電流分量 (簡稱
阻性電流)和容性電流分量 (簡稱容性電流)兩部
分組成。阻性電流，r的基波相位與電壓 同相，，c相
位超前電壓 90o，其相量圖如圖4所示。
全電流基波相位取決于，r與 分量的大小，因
此，可以采用直接測量泄漏全電流及阻性電流的大
小來監(jiān)測避雷器性能是否正常。性能正常的避雷器
的漏電流，電阻片的漏電流(全電流 是主要的部
分，避雷器劣化或存在隱患時全電流，I將增大。全
電流，I由電阻性分量，r和電容性分量 組成，避雷
器內(nèi)部受潮或電阻片性能劣化時，，r反應最靈敏。
為防止有意外因素對產(chǎn)品的損壞，在避雷器投
圖4 電流相量圖
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(shù)為三次，求其
平均值。每二次試驗的時間間隙不小于10 S，放電
后子0．2 S內(nèi)切斷工頻電源。試驗時可在試驗變壓
器旁邊串聯(lián)一只1O A以上的電流表，觀察電流值，
當電流發(fā)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(xiàn)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(guī)檢測。
根據(jù)電力設備預防性試驗規(guī)程規(guī)定：35 kV及
以下的MOA避雷器用2500 V兆歐表測量，其絕緣
電阻不低于1000 MQ。
對無間隙MOA避雷器還要測量1 mA(直流)時
的臨界動作電壓 和75％U1 直流下的泄漏電
流，測量的 。 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。 實測值與初始值或
制造值相比，其變化不應大于5％，U1 過高使保護
電氣設備的絕緣裕度降低， 過低會使MOA避
雷器在各種操作和故障的瞬態(tài)過電壓下發(fā)生爆炸，
測量75％Ul以下的直流泄漏電流，主要檢測長期允
許工作電流的變化情況。規(guī)程規(guī)定，75％Ul 下的泄
漏電流不大于5O A。
5 運行中注意監(jiān)測
對于運行中的過電壓避雷器，要注意觀察泄流
指示器的電流變化是否正常。沒有安裝泄流指示器
的，可以利用紅外測溫儀測出的避雷器的表面各部
分的溫度進行相間、上下元件間和同類設備間的相
互比較，或用紅外熱像儀對避雷器的熱像圖譜進行
分析，如果根據(jù)上述熱像特征發(fā)現(xiàn)有不正常的發(fā)熱
或不正常的溫度分布，可判斷為避雷器存有受潮缺
陷，應引起注意和加強監(jiān)測。氧化鋅避雷器受潮主要
是密封系統(tǒng)不良引起的。氧化鋅避雷器受潮會大大
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冶 金 動 力
METALLURGICAL POWER 19
增加本身的電導性能，阻性電流明顯增大，此外氧化
鋅避雷器的體積較其他型式小，內(nèi)部受潮后容易造
成沿瓷套內(nèi)壁或閥片側面的沿面爬電，引起局部輕
度發(fā)熱，嚴重時會產(chǎn)生閃絡擊穿。對于多元件串聯(lián)結
構的氧化鋅避雷器，當輕度受潮時，通常因氧化鋅閥
片電容較大而只導致受潮元件本身阻性電流增加并
發(fā)熱，當受潮嚴重時，阻性電流可能接近或超過容性
電流，在受潮元件溫升增加的同時，非受潮元件的功
率損耗和發(fā)熱開始明顯，甚至超過受潮元件的相應
值。氧化鋅避雷器受潮時的熱像特征：對于單元件結
構表現(xiàn)為整體明顯發(fā)熱；對于多元件結構，受潮初期
表現(xiàn)為故障元件自身發(fā)熱增加，受潮嚴重后，可引起
非故障元件發(fā)熱超過故障元件，當受潮故障進一步
惡化時，還會伴有局部溫升高于整體溫升的現(xiàn)象。因
此運行中要進行跟蹤監(jiān)測，以免故障進一步惡化而
引發(fā)事故。
收稿日期：2010-01-29
作者簡介：劉雯(1961一)，女，本科學歷，電氣工程師，現(xiàn)從事檔案管
理工作。
(上接第15頁)非接地一端的銅帶成為非接地狀
態(tài)，將在該銅帶上感應出高電壓。
經(jīng)綜合分析認為故障原因可能是：上次制作電
纜中間頭時，屏蔽層編織帶與電纜本體銅屏蔽層搭
接處寬度不夠、又加上焊接不牢造成屏蔽層斷裂，
“銅帶上感應出的高電壓”導致斷裂部位發(fā)生放電，
引起絕緣破壞，從而導致C相弧光接地，瞬間產(chǎn)生
可達3．5倍的弧光接地過電壓。
運行人員聽到的類似蒸汽機車放氣的聲音，可能
是C相弧光接地瞬間通過電纜溝傳出的變異的聲音。
(2)A相故障
45 m處A相故障點，電纜本體絕緣被燒穿出
一近20 mm2的孑L洞，銅芯有明顯過熱退火痕跡，但
未燒斷(這與“導通試驗判定的三相電纜未發(fā)生斷
線”結果相吻合)。
進行現(xiàn)場解剖檢查發(fā)現(xiàn)：其主絕緣和絕緣屏蔽
層無明顯制造質量問題，但發(fā)現(xiàn)線芯屏蔽層厚薄明
顯不均，經(jīng)測定其最厚處約為1．3 l mm，最薄處約為
0．76 mm，碳黑分散較均勻。
經(jīng)分析及綜合判斷認為：A相故障的內(nèi)因是電
纜本體線芯屏蔽層薄厚不均，外因是C相弧光接地
產(chǎn)生的弧光接地過電壓。
線芯屏蔽層的主要作用是：均勻線芯表面電場、
防止氣隙、提高電纜局部放電電壓、屏蔽線芯毛刺、
抑制樹枝引發(fā)和樹枝狀放電，另外還起熱屏障作用。
因此它直接影響電纜的安全運行和使用壽命。較薄
的屏蔽層不足以屏蔽線芯毛刺或銅屑引起的尖端放
電，又加上弧光接地瞬間過電壓的推波助瀾，導致電
纜主絕緣迅速崩潰，最終導致電擊穿。
運行人員聽到的類似蒸汽機車放氣的聲音，也
有可能是A相絕緣擊穿通過電纜溝傳出的變異的
聲音。具體如何，無法作出準確判斷，留待以后探討。
對查出的故障點相應作了密封、絕緣處理，經(jīng)絕
緣電阻測試和低頻交流耐壓試驗均通過，但由于電
纜本身有質量問題，故向主管科室打報告建議更換。
3．3 “TCR同步信號畸形”問題
SVC的重要組成部分一TCR控制系統(tǒng)通過檢測
系統(tǒng)電壓、電流和TCR的電流，計算出可控硅的觸發(fā)
角，控制相控電抗器電納值，達到無功補償?shù)哪康摹?
由于精煉爐為不對稱負荷，故TCR應用分相調(diào)
節(jié)，分相調(diào)節(jié)的理論基礎為STEINMETZ理論，此理
論的前提是系統(tǒng)電壓為平衡對稱。因此，TCR控制
系統(tǒng)工作時必檢測系統(tǒng)三相電壓是否平衡，若不平
衡則報“TCR同步信號畸形”，TCR控制系統(tǒng)則“休
息”。因為西3311電力電纜C相弧光接地瞬間產(chǎn)生
的弧光接地過電壓，導致三相電壓不再平衡，因此才
報出該告警信號。
綜上所述，“C相弧光接地”是禍根，因此采用
“響應時間更迅速、相間過電壓限制更可靠”的消弧
及過電壓保護裝置迫在眉睫。
4 結束語
通過該故障的分析及處理，確保了SVC的安全
可靠進行，為相關設備的維護管理工作提供了寶貴
的經(jīng)驗，積累了有價值的技術資料。也為加速采用高
質量、高性能的設備提供了依據(jù)。
[參考文獻】
【l】江日洪主編．交聯(lián)聚乙烯電力電纜【M】．北京：中國電力出版社，
1997．
【2】徐丙垠等．電力電纜故障探測技術【M】．北京：機械工業(yè)出版社，
1999．
【3】閻士琦．常用電氣設備故障診斷技術手冊[M】．北京：中國電力
出版社，2002．
收稿日期：2010—08—02
作者簡介：王德民(1963一)，男，畢業(yè)于西安電子科技大學，高級工程
師，現(xiàn)從事動力介質的生產(chǎn)和管理工作。

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