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避雷器在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的問題分析

摘要：文中闡述了避雷器自身防護(hù)問題及其對(duì)電力系統(tǒng)的影響，簡(jiǎn)單的論述了避雷器的保護(hù)特性，分析了氧化鋅避雷器在應(yīng)用中的問題及解決問題的技術(shù)措施，探討了防雷界的熱點(diǎn)問題。

關(guān)鍵詞：避雷器 特性 應(yīng)用 問題分析 技術(shù)措施

1.應(yīng)用中的問題探討

1.1避雷器自身過電壓防護(hù)問題

避雷器是過電壓保護(hù)電器，其自身仍存在過電壓防護(hù)問題。對(duì)于能量有限的過電壓如雷電過電壓和操作過電壓，避雷器泄流能起限壓保護(hù)作用。對(duì)能量是無限（有補(bǔ)充能源）的過電壓，如暫態(tài)過電壓（工頻過電壓和諧振過電壓的總稱），其頻率或?yàn)楣ゎl或?yàn)楣ゎl的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍，與工頻電源頻率總有合拍的時(shí)候，如因某些原因而激發(fā)暫態(tài)過電壓，工頻電源能自動(dòng)補(bǔ)充過電壓能量，即使避雷器泄流過電壓幅值不衰減或只弱衰減，暫態(tài)過電壓如果進(jìn)入避雷器保護(hù)動(dòng)作區(qū)，勢(shì)必長(zhǎng)時(shí)反復(fù)動(dòng)作直至熱崩潰，避雷器損壞爆炸，因此暫態(tài)過電壓對(duì)避雷器有致命危害。如果已將全部暫態(tài)過電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi)不受其危害的避雷器，稱之為暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng)，反之稱暫態(tài)過電壓承受能力差。碳化硅避雷器暫態(tài)過電壓承受能力強(qiáng)，但由于運(yùn)行中動(dòng)作特性穩(wěn)定性差，常因沖擊放電電壓（保護(hù)動(dòng)作區(qū)起始電壓）值下降，仍可能遭受暫態(tài)過電壓危害。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點(diǎn)電壓（可近似地把參考電壓當(dāng)作拐點(diǎn)電壓）偏低，僅2.21～2.56Uxg（最大相電壓），而有些暫態(tài)過電壓最大值達(dá)2.5～3.5Uxg，故有暫態(tài)過電壓承受能差的缺點(diǎn)。對(duì)暫態(tài)過電壓危害有效防護(hù)辦法是加結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定的串聯(lián)間隙將全部暫態(tài)過電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi)，使避雷器免受其危害。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器有此獨(dú)具優(yōu)點(diǎn)。

1.2避雷器自身對(duì)電力系統(tǒng)不安全影響

保護(hù)間隙和管型避雷器在間隙擊穿后，保護(hù)回路再也沒有限流元件，保護(hù)動(dòng)作都要造成接地故障或相間短路故障，保護(hù)作用增多電力系統(tǒng)故障率，影響電力系統(tǒng)的正常、安全運(yùn)行。應(yīng)用氧化鋅避雷器，從根本上避免保護(hù)作用產(chǎn)生接地故障或相間短路故障，且不用自動(dòng)重合閘裝置就能減少線路雷害停電事故。

1.3避雷器其連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力

有時(shí)高壓電力裝置可能遭受連續(xù)雷電沖擊，連續(xù)雷電沖擊是指兩次雷電入侵波間隔時(shí)間僅數(shù)百μs至數(shù)千μs，間隔時(shí)間極短。碳化硅避雷器保護(hù)動(dòng)作既泄放雷電流也泄放工頻續(xù)流，切斷續(xù)流時(shí)耗最大達(dá)10000μs，一次保護(hù)循環(huán)時(shí)間要遠(yuǎn)大于10000μs才能恢復(fù)到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力，故碳化硅避雷器沒有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力。氧化鋅避雷器保護(hù)動(dòng)作只泄放雷電流，雷電流泄放（小于100μs）完畢，立即恢復(fù)到可進(jìn)行再次動(dòng)作能力，故氧化鋅避雷器具有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力，這對(duì)于多雷區(qū)或雷電活動(dòng)特殊強(qiáng)烈地區(qū)的防雷保護(hù)尤為重要。

1.4工頻能源的浪費(fèi)

只關(guān)注防雷器件泄放雷電流的限（降）壓保護(hù)作用，輕視或忽視有些器件同時(shí)泄放工頻電流浪費(fèi)能源作用。保護(hù)間隙或管型避雷器保護(hù)動(dòng)作可能伴隨短路電流（幾kA至幾十kA）對(duì)地放電，碳化硅避雷器保護(hù)動(dòng)作有工頻續(xù)流（避雷器FS型為50A，F(xiàn)Z型為80A，F(xiàn)CD型為250A）對(duì)地放電，而造成能源浪費(fèi)，使用氧化鋅避雷器可徹底避免保護(hù)作用帶來的工頻能源浪費(fèi)。

2.避雷器保護(hù)特性

2.1避雷器的保護(hù)特性參數(shù)

各種型號(hào)的避雷器在同用途同電壓級(jí)時(shí)，其雷電殘壓參數(shù)相同或接近，這是因?yàn)楦魃�產(chǎn)廠都是按國標(biāo)規(guī)定決定殘壓值的。有人認(rèn)為既然雷電殘壓值一樣，它們的保護(hù)作用和效果也應(yīng)是一樣的，隨意選用哪種型號(hào)都可以。這是一種偏見，因?yàn)槌�雷電殘壓外，還有其它保護(hù)參數(shù)，如工頻放電電壓值，沖擊放電電壓值，是考察避雷器暫態(tài)過電壓承受能力，保證其長(zhǎng)期正常運(yùn)行的參數(shù)；又如是否有雷電陡波殘壓值，是標(biāo)示避雷器防雷保護(hù)功能完全的重要參數(shù)。綜合來看，只有串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器齊備上述保護(hù)特性參數(shù)，也就是說它有齊全的防護(hù)功能。

2.2避雷器動(dòng)作特性運(yùn)行穩(wěn)定性

碳化硅避雷器保護(hù)動(dòng)作要泄放雷電流和工頻續(xù)流，動(dòng)作負(fù)載重，經(jīng)計(jì)算每次動(dòng)作泄放雷電流為0.04～0.07 C電荷量，工頻續(xù)流為0.5～2.5 C電荷量，后者與前者相比一般為11～17倍，且其間隙數(shù)量多隙距，常因動(dòng)作負(fù)載重使部分間隙燒毛燒損，另外瓷套外殼臟污潮濕也會(huì)影響內(nèi)間隙電容分布，這些都可能使部分間隙失效而降低沖擊放電電壓值，即動(dòng)作特性穩(wěn)定性差，可能增加保護(hù)動(dòng)作頻度，或遭受暫態(tài)過電壓危害，而加速損壞。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器保護(hù)動(dòng)作只泄放雷電流而無續(xù)流，動(dòng)作負(fù)載輕，間隙不需具有滅弧及切斷續(xù)流能力，故間隙數(shù)量特少，3～ 10kV避雷器僅一個(gè)間隙，35kV避雷器為3個(gè)間隙串聯(lián)，間隙的工頻放電電壓值與碳化硅避雷器相同，符合GB7327規(guī)定，故間隙隙距大，動(dòng)作特性可保持長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定。

2.3串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

碳化硅避雷器因其間隙結(jié)構(gòu)（隙距小，數(shù)量多）帶來一些缺點(diǎn)：如沒有雷電陡波保護(hù)功能；沒有連續(xù)雷電沖擊保護(hù)能力；動(dòng)作特性穩(wěn)定差可能遭受暫態(tài)過電壓危害；動(dòng)作負(fù)載重壽命短等。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點(diǎn)電壓較低，有暫態(tài)過電壓承受能力差，損壞爆炸率高和壽命短等缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器既有間隙又用ZnO閥片，其間隙結(jié)構(gòu)不同于碳化硅避雷器，因其間隙數(shù)量少，當(dāng)過電壓達(dá)到?jīng)_擊放電電壓時(shí)間隙無時(shí)延擊穿，同時(shí)因隙距大動(dòng)作特性穩(wěn)定，故它可避免碳化硅避雷器間隙帶來的一切缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙已將全部暫態(tài)過電壓限定在保護(hù)死區(qū)內(nèi)免受其危害，故它可避免無間隙氧化鋅避雷器因拐點(diǎn)電壓偏低帶來一切缺點(diǎn)。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器仍有前兩種避雷器保護(hù)性能優(yōu)點(diǎn)，而避免它們的缺點(diǎn)。

2.4避雷器運(yùn)行工況監(jiān)測(cè)

避雷器失效的主要特征是泄漏電流增大，運(yùn)行中不易發(fā)現(xiàn)，有可能長(zhǎng)時(shí)帶病運(yùn)行，以致擴(kuò)大事故，故有必要監(jiān)察其運(yùn)行工況。碳化硅避雷缺乏監(jiān)察手段，靠每年定期普遍測(cè)試篩選淘汰這樣作事倍功半，還不能隨時(shí)剔除失效品。氧化鋅避雷器可附帶脫離器，當(dāng)其失效損壞時(shí)，脫離器自動(dòng)動(dòng)作（30mA時(shí)不大于8min）退出運(yùn)行，以免造成更大損失和事故，提高運(yùn)行安全可靠性。

3.避雷器應(yīng)用

3.1避雷器外形尺寸

制造避雷器均按戶內(nèi)外兩用條件決定其瓷套絕緣強(qiáng)度，其外形尺寸與閥片材料有關(guān)。當(dāng)其用于架空線路或戶外變配電設(shè)備時(shí)，因其相間距大，避雷器外形尺寸不會(huì)帶來不良影響。戶內(nèi)手車式開關(guān)柜因其體積尺寸較小，避雷器外形尺寸大時(shí)會(huì)帶來不良影響。碳化硅避雷器的SiC閥片其單位通流容量?jī)H為ZnO閥片的1/4，在相同通流能力（5kA）條件下，SiC閥片直徑較大，避雷器外徑也大；在相同額定電壓和殘壓條件下，碳化硅避雷器高度比氧化鋅避雷器大。尤以35kV級(jí)的更為顯著。如JYN1－35型手車柜的112方案，原用FYZ1－35型無間隙氧化鋅避雷器，高僅650mm，裝在柜后部隔室內(nèi)簡(jiǎn)易手車上，上部有隔離插頭，因該產(chǎn)品已停產(chǎn)，工程設(shè)計(jì)堅(jiān)持改用FZ3－35型碳化硅避雷器，高 1500mm，隔室高度不夠，只得將母線室與隔室間隔板取消，避雷器直接與主母線相聯(lián)，這樣避雷器的測(cè)試或更換必需在整段主母線斷電下進(jìn)行，運(yùn)行維護(hù)困難，而避雷器外徑較大，相間空氣凈距不夠，加裝的相間絕緣隔板，有老化受潮絕緣事故隱患。氧化鋅避雷器外徑和高度相對(duì)較小，35kV級(jí)還可作成懸掛式，如Y5CZz－42/110L型串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器，高度僅640mm。小型化避雷器更有利于手車柜內(nèi)安裝使用。

3.2避雷器性能價(jià)格比

無間隙氧化鋅避雷器的閥片運(yùn)行中長(zhǎng)期承受電網(wǎng)電壓，工作條件嚴(yán)酷，產(chǎn)品制造時(shí)要對(duì)閥片嚴(yán)格測(cè)試篩選，合格率低成本高，故價(jià)格也高；因它有暫態(tài)過電壓承受能力差的致命弱點(diǎn)，不適于在我國3～35kV電網(wǎng)中推廣使用。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器因有間隙，大大改善閥片長(zhǎng)期工作條件，產(chǎn)品制造時(shí)對(duì)閥片測(cè)試篩選要求相對(duì)低些，合格率高成本低，價(jià)格也就便宜，串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器價(jià)格比無間隙氧化鋅避雷器普遍便宜，有時(shí)也比碳化硅避雷器（如3～10kV的FZ型）便宜，同時(shí)它對(duì)其它防雷器件都有揚(yáng)長(zhǎng)避短作用，實(shí)為當(dāng)代最先進(jìn)防雷電器，具有高的性能價(jià)格比，是避雷器更新?lián)Q代的普及和推廣產(chǎn)品。

3.3避雷器使用壽命問題

避雷器使用壽命與許多因素有關(guān)，除制造質(zhì)量，密封失效受潮及其它外界因素外，避雷器閥片的老化速度是影響壽命的關(guān)鍵因素。碳化硅避雷器因其動(dòng)作和負(fù)載重，續(xù)流大，動(dòng)作特性穩(wěn)定差，可能遭受暫態(tài)過電壓危害等原因，加速閥片老化，壽命不長(zhǎng)，一般7～10年，甚致有僅3～5年的。無間隙氧化鋅避雷器的閥片長(zhǎng)期承受電網(wǎng)電壓，工作條件嚴(yán)酷，拐點(diǎn)電壓低，動(dòng)作頻度大，還可能遭受暫態(tài)過電壓危害，溫度熱損傷等原因，迅速加快閥片老化，壽命較短，有的比碳化硅避雷器還短。串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器的間隙可保證閥片只在過電壓保護(hù)動(dòng)作過程承受高電壓，時(shí)間極短（100μs內(nèi)），在其它情況下閥片對(duì)于電網(wǎng)電壓，或處于隔離狀態(tài)（純間隙時(shí)），或處于低電位狀態(tài)（復(fù)合間隙電阻分壓），大大改善閥片長(zhǎng)期工作條件，還可免受暫態(tài)過電壓危害和溫度熱損傷，保證閥片溫度不超過55℃，從而保證避雷器壽命達(dá) 20年以上。

4.氧化鋅避雷器運(yùn)行中的問題分析

我公司應(yīng)用氧化鋅避雷器始于80年代，運(yùn)行至今在110KV母線上共發(fā)生6起事故，均為氧化鋅避雷器本體爆炸，其運(yùn)行壽命最長(zhǎng)達(dá)110個(gè)月，最短的僅有11個(gè)月�煴�1為我公司110KVⅢ段母線避雷器爆炸統(tǒng)計(jì)表。

從運(yùn)行時(shí)間上、安裝的環(huán)境、氣候、及生產(chǎn)廠，對(duì)損壞的氧化鋅避雷器進(jìn)行技術(shù)分析，造成氧化鋅避雷器運(yùn)行中爆炸的原因可歸納如下幾項(xiàng)：

4.1 氧化鋅避雷器的密封問題

氧化鋅避雷器密封老化問題，主要是生產(chǎn)廠采用的密封技術(shù)不完善，或采用的密封材料抗老化性能不穩(wěn)定，在溫差變化較大時(shí)或運(yùn)行時(shí)間接近產(chǎn)品壽命后期，造成其密封不良而后使潮氣浸入，造成內(nèi)部絕緣損壞，加速了電阻片的劣化而引起爆炸。

4.2電阻片抗老化性能差

在氧化鋅避雷器運(yùn)行在其產(chǎn)品壽命的后期，電阻片劣化造成泄漏電流上升，甚至造成與瓷套內(nèi)部放電，放電嚴(yán)重時(shí)避雷器內(nèi)部氣體壓力和溫度急劇增高，而引起氧化鋅避雷器本體爆炸，內(nèi)部放電不太嚴(yán)重時(shí)可引起系統(tǒng)單相接地。

4.3瓷套污染

由于工作在室外的氧化鋅避雷器，瓷套受到環(huán)境粉塵的污染，特別是設(shè)置在冶金廠區(qū)內(nèi)變電所，由于粉塵中金屬粉塵的比例較大，故給瓷套造成嚴(yán)重的污染而引起污閃或因污穢在瓷套表面的不均勻，而使沿瓷套表面電流也不均勻分布，勢(shì)必導(dǎo)致電阻片中電流IMOA的不均勻分布（或沿電阻片的電壓不均勻分布），使流過電阻片的電流較正常時(shí)大1—2個(gè)數(shù)量級(jí)，造成附加溫升，使吸收過電壓能力大為降低，也加速了電阻片的劣化。
4.4 高次諧波

冶金企業(yè)電網(wǎng)隨著大噸位電弧爐、大型整流、變頻設(shè)備的應(yīng)用及軋鋼生產(chǎn)的沖擊負(fù)荷等的影響，使電網(wǎng)上的高次諧波值嚴(yán)重超標(biāo)。由于電阻片的非線性，當(dāng)正弦電壓作用時(shí)，還有一系列的奇次諧波，而在高次諧波作用時(shí)就更加速了電阻片的劣化速度。

4.5抗沖擊能力差

氧化鋅避雷器多在操作過電壓或雷電條件下發(fā)生事故，其原因是因電阻片在制造工藝過程中，由于其各工藝質(zhì)量控制點(diǎn)控制不嚴(yán)，而使電阻片的耐受方波沖擊能力不強(qiáng)，在頻繁吸收過電壓能量過程中，加速了電阻片的劣化而損壞，失去了自身的技術(shù)性能。

5.技術(shù)措施

針對(duì)冶金電網(wǎng)的特點(diǎn)及氧化鋅避雷器幾次事故分析的結(jié)論，要保證氧化鋅避雷器在網(wǎng)上安全可靠運(yùn)行，應(yīng)采取以下措施：

5.1設(shè)計(jì)選型

在設(shè)計(jì)選型上，應(yīng)首選有多年穩(wěn)定運(yùn)行實(shí)踐的產(chǎn)品，在選擇生產(chǎn)廠時(shí)，應(yīng)選擇有先進(jìn)的工藝設(shè)備和完善的檢測(cè)手段的生產(chǎn)廠，才能保證所選用的氧化鋅避雷器具有高的抗老化、耐沖擊性能，以使在產(chǎn)品的壽命周期內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

5.2在線監(jiān)測(cè)

增設(shè)氧化鋅避雷器的在線監(jiān)測(cè)儀，并加強(qiáng)對(duì)在線監(jiān)測(cè)儀的巡檢力度，特別是在雷雨后和易發(fā)生故障的部位（有電弧爐負(fù)荷的母線段、氧化鋅避雷器壽命已到后期）增加巡次數(shù)。定期給氧化鋅避雷器進(jìn)行各項(xiàng)電氣性能測(cè)試及在線監(jiān)測(cè)儀的校驗(yàn)。

5.3防污措施

采用必要的避雷器瓷套的防污措施，如定期清掃或涂以防污閃硅油，在氧化鋅避雷器選型上選用防污瓷套型的氧化鋅避雷器。

5.4諧波治理

加強(qiáng)電網(wǎng)諧波的治理力度，在有諧波源的母線段增設(shè)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和濾波裝置，以使電網(wǎng)的高次諧波值控制在國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)。

5.5技術(shù)管理

加強(qiáng)對(duì)氧化鋅避雷器的技術(shù)管理工作，即對(duì)運(yùn)行在網(wǎng)上的每一只氧化鋅避雷器建立技術(shù)檔案，對(duì)出廠報(bào)告、定期測(cè)試報(bào)告及在線監(jiān)測(cè)儀的運(yùn)行記錄均要存入技術(shù)檔案，直至該避雷器退出運(yùn)行。

據(jù)國外有關(guān)技術(shù)資料統(tǒng)計(jì)，氧化鋅避雷器損壞的原因有雷電和操作過電壓，受潮、污閃、系統(tǒng)條件、本身故障等，但仍有一定比例損壞的原因不詳，故仍有其在運(yùn)行中對(duì)事故原因不明確的問題。又因氧化鋅避雷器的劣化速度的離散性，及雷電、操作過電壓、諧波、運(yùn)行環(huán)境等的隨機(jī)性，都決定著氧化鋅避雷器的安全運(yùn)行的可靠性，故需在今后的工作實(shí)踐中去研究、實(shí)驗(yàn)、探索和總結(jié)，以使得其在運(yùn)行中的不安全因素可得以預(yù)防和完善。