發布時間：2021-05-18　　　

　　1、 避雷器的發展

　　我國避雷器產品的發展，主要經歷了普閥SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金屬氧化物避雷器（MOA）和三相組合式過電壓保護器四代，基本上每二十年就會有一次較大的技術改革。

　　九十年代以前，電力系統一般采用少油斷路器等作為開斷裝置，開斷速度較慢，操作過電壓發生的幾率較小，對設備的破壞主要來自雷電侵入波過電壓，對這類過電壓的防護措施多采用碳化硅避雷器以及氧化鋅避雷器（MOA），相對而言，氧化鋅具有動作快、伏安特性平坦、殘壓低、性能穩定等優點，已經為人們所接受。

　　隨著真空開關的廣泛應用，操作過電壓的危害已經越來越受到人們的重視，操作過電壓主要表現為相間過電壓，而傳統的避雷器是按照防止雷電過電壓即相對地過電壓而設計的，對操作過電壓基本沒有防護作用，為了避免相間過電壓對設備的破壞，提高保護的全面性，組合式過電壓保護器開始被大量使用。

　　相對于單柱式的SiC避雷器和MOA，組合式保護器一般采用三相四柱式結構，如圖2所示，由四個保護單元兩兩組合成六只避雷器，分別保護三相對地過電壓和相間過電壓，使保護的全面性大大提高。其內部結構雖然多

　　種多樣，但按照工作原理可以劃分為以下三種：無間隙結構、串間隙結構、分級保護結構。雖然在近幾年的發展過程中，組合式保護器不斷地得到完善，每種結構投運也不少，但總體說來其制造與運行兩方面的經驗尚顯不足，對設備的保護性能與自身的安全性能往往不能實現較好的統一，產品質量良莠不齊。為了提高電網運行的安全性以及供電的可靠性，了解過電壓保護器的研制與發展狀況，并對其性能作一全面的對比就顯得尤為重要。

　　2、無間隙組合式過電壓保護器

　　無間隙組合式過電壓保護器結構如圖2所示，采用三相四單元結構，每個保護單元由氧化鋅非線性電阻閥片組成，直接與三相電源連接。如此設計，ZnO閥片良好的非線性可以得到充分發揮，在過電壓未達到U1mA之前，ZnO電阻呈高阻狀態，ZnO電阻的電容性及阻尼性可以緩和過電壓的波頭陡度并減緩振蕩頻率。當過電壓超過U1mA時，ZnO電阻呈低阻狀態，利用其非線性對系統過電壓實現限制，其非線性伏安特性見圖1。

　　其缺點在于，用來表征ZnO非線性電阻保護性能的參數殘壓比K1=U殘/U1mA是固定的，目前避雷器所使用的ZnO電阻殘壓比一般為1.3左右。要可靠的保護電氣設備，ZnO電阻的殘壓U殘必須小于被保護設備的絕緣承受能力。為了擴大保護裕度，必須盡量降低操作電流下的殘壓值U殘，這樣ZnO電阻的U1mA也降低了。表征ZnO電阻的壽命指標荷電率K2=Ue/U1mA，在系統電壓不變的情況下，U1mA降低，荷電率必然增大，使避雷器產生不必要的頻繁動作，泄流漏電流增大，影響避雷器的使用壽命，使保護器的自身安全性降低。因此，在保護弱絕緣設備如電動機時，其殘壓值U殘的設計受到了限制。

　　根據IEC標準，當荷電率小于0.75時，ZnO電阻可以長期安全地運行。按照此標準，可以計算出無間隙組合式保護器的最低殘壓設計值。

　　以6kV系統為例，組合式結構對電壓的承受是由四個單元兩兩組合承擔的，在正常工況下，三相電源對稱，M點為零電位，施加在每相單元氧化鋅閥片上的電壓峰值為：

　　Ue =UAM = ×6.9/ =5.63kV。

　　荷電率K2=Ue /U1mA （1）

　　將Ue =5.63，K2=0.75代入可得：

　　U1mA=7.5kV

　　殘壓比K1=U殘/U1mA （2）

　　將U1mA=7.5，K1=1.3代入可得：

　　U殘=9.75kV

　　U相間=2×9.75kV=19.5kV

　　所以，在保證保護器能夠長期安全運行的前提下，無間隙組合式過電壓保護器可以將相間過電壓最低限制到19.5kV，此值即為該結構保護器的安全下限，如果進一步降低ZnO電阻的操作沖擊殘壓U殘，則無法保證保

　　護器自身的安全。按照國標規定，6kV變壓器的絕緣耐受能力為25.6kV，而6kV電動機的絕緣耐受能力國內比較統一的計算方法為15.9kV，與保護器的安全下限19.5kV相比較可知，該結構的保護器能夠實現對變壓器的可靠保護，對電動機的保護作用比較勉強。

　　3、串間隙組合式過電壓保護器

　　串間隙組合式過電壓保護器有四間隙和三間隙兩種基本結構，如圖3所示，引入放電間隙的主要目的是為了在正常工況下，通過間隙來隔離電網電壓，降低避雷器中ZnO閥片的荷電率，從而降低保護器動作值。因為在電網正常運行時，M點的電位基本為零，所以，在接地相中串聯放電間隙完全沒有必要，反而會增加系統的對地雜散電容，同時增加了放電的分散度，使工頻電壓分布不均勻，造成試驗和安裝上的難度。所以，本文僅以三間隙結構為例對其性能進行分析。

　　放電間隙有絕緣間隙和電阻間隙兩種。對于絕緣間隙，在保護器不動作時，工作電壓與ZnO電阻完全隔離開來，為了起到保護ZnO電阻的目的，其沖擊放電值必須高于ZnO的U1mA。在間隙放電之前，ZnO良好的非線性特性無法發揮，起不到緩和過電壓波頭陡度和降低振蕩頻率的作用，當過電壓波頭陡度大時，將會使設備的匝間絕緣擊穿。另外，其保護水平是由沖擊放電電壓和ZnO殘壓共同確定的，由于間隙的截斷比和分散度較大，二者之間的配合有一定的難度，沖擊放電電壓高，則保護裕度小，危及設備安全；沖擊放電電壓低，則起不到保護ZnO的目的。再者，隨著放電次數的增加，絕緣間隙的阻值必然下降，形成和ZnO電阻的分壓，導致沖擊放電值上升幅度很大，有時可以達到30%以上，因此，經過數次放電后，其保護值會有較大幅度的上升，使保護裕度減小，起不到保護設備的目的。

　　為了解決絕緣間隙的某些問題，有些保護器采用線性電阻間隙，每相的等效電路如圖4所示，間隙電阻值一般在6-15MΩ，如此設計，克服了絕緣間隙在放電時的一些缺點，但是，在持續運行工況下，ZnO呈高阻狀態，阻值在5000～10000 MΩ，與間隙電阻形成分壓，系統電壓基本全部施加在ZnO電阻上，間隙起不到隔離電網電壓的作用，串聯間隙毫無意義。

　　綜上分析，引入放電間隙來提高保護器的保護性能，無法實現被保護設備的可靠性與保護器自身安全性的和諧統一。相反會帶來許多保護器自身的安全問題。

　　4、分級保護組合式過電壓保護器

　　分級保護的組合式過電壓保護器原理圖見圖5，每個保護單元的ZnO電阻由1、2兩級組成，第2級為ZnO電阻與火花電極XG的組合。

　　在正常工況下，系統電壓由兩部分共同承擔，其荷電率為：K2=Ue/（U1mA′+ U1mA″），通過調整第2級的U1mA″，可以使荷電率滿足要求，保證ZnO電阻長期、安全地運行。同時，在這個保護階段保護器保留了無間隙結構的優點。

　　當過電壓超過（U1mA′+ U1mA″）并達到一定值時，火花電極XG放電，將第2級ZnO電阻短接，標稱放電電流下的殘壓值U殘僅為第1級ZnO的殘壓，通過調整第1級的U1mA′，可以實現保護水平與設備絕緣耐受能力的配合，滿足對弱絕緣設備如電動機的保護。由于放電電極XG的工放值遠低于ZnO電阻的U1mA′，電極的分散性不會對保護水平構成影響，其保護水平仍然相當于無間隙結構。

　　分級保護方案融合了無間隙結構和串間隙結構的優點，既能夠使ZnO電阻的非線性特性得到充分發揮，又將保護范圍擴大到對弱絕緣設備的可靠保護，同時避免了串聯放電間隙而帶來的對設備保護不穩定和不可靠因素。對設備保護的全面性、可靠性與保護器自身的安全性達到了較好的統一。

　　5、結語

　　1） 單柱式的SiC避雷器和MOA主要針對雷電產生的相對地過電壓而設計，對相間過電壓基本起不到防護作用。組合式保護器大大提高了保護的全面性，它必將成為一種新的發展方向。

　　2） 無間隙組合式過電壓保護器在保護變壓器等強絕緣設備時，具有一定的優勢，而對電動機等弱絕緣設備，保護作用比較勉強。

　　3） 串間隙組合式保護器雖然在保護弱絕緣設備時能夠解決ZnO的荷電率問題，但是存在著與ZnO難以配合，以及自身截斷比、分散度大等問題，使保護的可靠性與穩定性大大下降。

　　4） 分級保護的組合式保護器保留了無間隙結構的優點，同時，降低了ZnO的殘壓比，提高了保護裕度，能夠實現保護的全面性、可靠性與安全性的統一。

　　參考文獻：

　　[1] 李學思.三相組合式過電壓保護器.電磁避雷器.1989（1）。