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1、三相组合式金属氧化物避雷器的运行安全问题 【摘要】：在开关柜内直接使用三相组合式金属氧化物避雷器是不安全的，因系统 内总是会存在谐振过电压，势必导致组合式避雷器特性的快速蜕变，最终发生内部 热击穿，进而引发柜内相间短路事故。因此，必须采取脱离手段，将发生热击穿的 组合式避雷器从系统上解列，避免已热击穿的组合式避雷器引发柜内相间短路事 故，以保证系统的安全运行。【关键词】：组合式避雷器，过电压保护，谐振过电压，过电压能量，热击穿，相 间短路，脱离，安全1. 过电压保护的实质过电压保护从本质上来说，是人为地在系统中制造的一系列绝缘薄弱点，让所有的 过电压能量从这些薄弱点释放，使系统设备免受过电压的
2、侵害，实现过电压保护。目前针对三相组合式避雷器已颁布了行业标准，名称为： 交流三相组合式有串联间 隙金属氧化物避雷器，标准号为： JB/T10609-2006。2. 系统存在的主要过电压比较过电压种类过电压倍数持续时间等级过电压能量等级发生几率操作过电压大于 3.0 倍s级焦耳级频繁大气过电压大于 3.5 倍s级焦耳级较少谐振过电压2.0倍以内mss级百焦级以上较多2.02.5mss级百焦级以上较少2.5以上ms级十千焦级以上偶尔解释：2.1. 根据“过电压倍数 ”栏目可以看出，系统内存在过电压，必须采用过电压保护措 施加以限制；而过电压保护产品主要针对过电压能量较小的 “操作过电压 ”和“大
3、气 过电压 ”进行保护；2.2. 根据“持续时间等级 ”和“能量等级 ”栏目可以看出，系统内的谐振过电压能量比 操作过电压和雷电过电压大得多，可达到百倍乃至千倍以上，虽然发生几率较低， 但该过电压能量对过电压保护产品将造成致命的伤害。3. 三相组合式避雷器的一种理解3.1. 保护原理实质 当真空断路器分断时，由于真空断路器的截流效应，会产生较大的电流变化率，在 感性负载的绕组上产生幅值极高的瞬时过电压，这种过电压作用在固体绝缘上，有 积累效应，会造成不可恢复的绝缘伤害，最终造成设备绝缘击穿；组合式避雷器主要采用氧化锌非线性氧化锌阀片作为主要保护元件，以并联的方式 跨接在被保护设备进线上，当过电
4、压出现后，立即响应导通，流过电流，并将过电 压钳制在一定的电压范围内，以保证设备的绝缘不受伤害；简单的比喻，避雷器实 质上就是一种大功率稳压管，过电压保护过程就是避雷器在相对恒定的电压下以较 大的通过电流的形式消耗过电压能量的过程，也是氧化锌阀片发热的过程。3.2. 氧化锌阀片的能量极限 一般氧化锌避雷器的热容量大小在同一制造工艺下与其体积成正比，理论上说，热 容量越大，其承受过电压的寿命越长。在能量极小的操作过电压下，阀片的体积增 加一倍也就是热容量增加一倍，其操作过电压限制的寿命可以延长10 倍，一般的避雷器的操作过电压下的寿命能达到 10 万次左右；而在极限热容量的冲击下，寿 命急剧减少
5、到 2 次左右。氧化锌阀片的能量耐受能力与其内部陶瓷晶界结构有关，因为其特殊的晶界结构， 而表现出半导体伏安特性，小能量的冲击，造成阀片的温升小，对其晶界结构几乎 没有影响，可以瞬时恢复成原来半导体特性，而大能量的冲击，会破坏其内部晶界 结构，使其丧失半导体特性，趋向导体特性，这就是所说的特性蜕变。普通结构的避雷器的热容量耐受以 2ms·400A的通流能力来衡量，一般 10kv 系统 的避雷器百毫秒级（即基本达到热平衡态）热容量极限为 100KJ 以内，因为热量 扩散的原因，通流时间越短，其热容量极限越小。4. 使用三相组合式避雷器面临的严重问题4.1. 不可避免的系统谐振过电压4.
6、1.1. 系统在很多情形下会发生谐振，如空母线投切、大负荷的变化、线路分布电 容电感的变化、 PT 饱和、一点弧光接地等；4.1.2. 目前的消谐器并不能及时起到消谐作用，消谐器为了判断电源中的谐振分量 的频谱和幅值，必须采集足够 5 个工频周期左右的数据量才能通过快速傅立叶变换 （FFT）处理出结果，而避雷器早在过电压出现的瞬间就投入了保护，将过电压成 分限制成平顶，而这样的波形在消谐器中已无法正确分析，即使能分析，也是等到 100ms以后，避雷器早就吸收了大部分能量。4.1.3. 谐振过电压出现是随机的，因而组合式避雷器发生热击穿也是随机的。4.2. 避雷器的热容量（相当于同流量）问题4.
7、2.1. 一台制造好的避雷器，其极限热容量就定下来了，也就是说，是个有限量， 而系统的谐振过电压是伴随着工频电压出现的，因其持续的时间和发生的几率，其 过电压能量远远超过避雷器的极限热容量，系统在出现一次或多次谐振后，就能彻 底破坏避雷器；4.2.2. 目前的阀片制造工艺可以在一定范围内提高避雷器的极限热容量，即通流量 可以达到 800A 左右，实际上相对于 400A 的通流量其热容量提高了 4倍，而这样 有限的提高相对于谐振过电压能量还远远不足，客观上只能稍稍延缓避雷器热击穿 的时间，并不能避免避雷器最终发生热击穿的后果。4.3. 避雷器热击穿后的特性和后果组合式金属氧化物避雷器，就是通常所
8、说的氧化锌避雷器，其击穿后呈短路特性， 必然会发生避雷器内部相间短路故障，短路电流急剧升高，会导致避雷器引线烧断 或由于其温度的急剧升高造成结构破裂，形成飞弧，引发柜内相间短路事故。5. 解决方案设想根据上述结果，对于随机出现的谐振过电压，在开关柜内直接使用三相组合式金属 氧化物避雷器是不安全的，任何预防性测量手段都无法预测下一个谐振在何时出 现，因此必须采取有效的脱离手段，将发生热击穿的避雷器从系统上解列，避免已 损坏的避雷器引发柜内相间短路事故，以保证系统的安全运行。5.1. 故障设备脱离手段的常规思路从我们熟悉的 PT、并联补偿电容器等设备来看，系统内总是存在一种或多种工况 或因其自身质
9、量问题会导致其发生损坏和崩溃的后果，我们早就接受了这种事实， 并且非常习惯地在它们前端加装熔断器组件，用来保证当它们崩溃后不至于造成事 故扩大，这已成为设计、成套、运行等环节安全保障的一种熟悉的定式，或者是强 制措施；可是，从相同的角度来看，组合式避雷器与它们的情况完全一样，系统的 某些工况或因其自身质量问题同样是必然导致组合式避雷器发生崩溃，而且其崩溃会引发更大的事故，按正常逻辑推理，我们也应该习惯组合式避雷器在系统上会出 现崩溃的后果，同时也应有组合式避雷器前端加装相应的熔断器组件的预防手段， 这才是专业行为。5.2. 现有的避雷器配套的安全手段5.2.1. 避雷器的脱离手段对照表热爆式脱
10、离器利用热量积累的原理，引爆内 置爆炸点将避雷器引线炸断弹 出，达到脱离的目的大空间，大、小电流通用户外多采用安全手段基本原理适用范围环境要求跌落式脱扣器利用小电流热量积累原理，利 用脱扣器自重或弹簧储能，在 避雷器还未造成贯穿性热击穿 前将性能严重蜕变的避雷器脱 离小电流脱离大空间，户外多采用热熔式脱离器利用常规的熔断器原理，将发 生热击穿出现短路电流的避雷 器脱离大电流脱离大空间，户外和部分户内5.2.2. 共同特点：以上有代表性的脱离手段都有一个共性：要求大空间！5.2.3. 必要性：既然是大空间，必然户外条件才能满足，而户外避雷器大都采用相 对地的保护，即使发生爆炸，也只是单相问题，加
11、上空间距离比较大，几乎不会出 现相间短路现象，因此不会造成事故扩大，一般不影响系统的正常运行，简单更换 避雷器即可，所以，没有一定要安装的必要性。5.2.4. 人们便形成了这样的习惯：避雷器在线路上（针对相对地保护）爆炸是一件 正常的现象（因为避雷器老化、线路谐振等原因，且概率低），而且爆炸后果不严 重（发生一点接地，并可自动回复，一般不发生相间短路），因此，一般避雷器没 必要采取相应的脱离手段。5.3. 柜内组合式避雷器的配套安全措施5.3.1. 必要性事故级别高 ：组合式避雷器除了能限制相对地过电压，同时也可以限制相间过电 压，因此，当它一旦发生崩溃，必然会引发柜内相间短路事故，而且，后果
12、非常严 重，会导致设备损坏、停电停产，事故级别较高，直接影响企业安全生产指标； 事故损失大 ：从经济损失来看，且不谈柜内断路器等元器件损坏的损失，单说造 成系统跳闸甚至越级跳闸所带来的间接损失，有时是无法估量的。事故率逐年升高 ：虽然说目前柜内发生组合式避雷器相间短路事故的几率较低， 约 50 起 /年左右，随着组合式避雷器数量和运行的时间的继续增加，该事故率会呈 上涨趋势；5.3.2. 需解决的问题 脱离器件体积在保证柜内绝缘要求的前提下必须适应目前开关柜内的所能提供的最 小安装空间，与其相关的问题如下：问题一：脱离器件应是静态的；问题二：脱离器件应具备较宽的短路电流分断能力； 问题三：脱离器件应能有足够的短路能量吸收能力； 问题四：脱离器件应有足够的耐爬电和绝缘恢复能力； 问题五：脱离器件应有动作信号输出。因此，在安全生产的要求越来越高的大形势下，组合式避雷器单独运行在开关柜 内，其风险越来越大，一种能可靠脱离故障组合式避雷器的脱离器件将逐渐成为像 PT保险、高压电容器保险一样的通用标准配置。