发布时间：2021-05-18　　　

　　1、 避雷器的发展

　　我国避雷器产品的发展，主要经历了普阀SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金属氧化物避雷器（MOA）和三相组合式过电压保护器四代，基本上每二十年就会有一次较大的技术改革。

　　九十年代以前，电力系统一般采用少油断路器等作为开断装置，开断速度较慢，操作过电压发生的几率较小，对设备的破坏主要来自雷电侵入波过电压，对这类过电压的防护措施多采用碳化硅避雷器以及氧化锌避雷器（MOA），相对而言，氧化锌具有动作快、伏安特性平坦、残压低、性能稳定等优点，已经为人们所接受。

　　随着真空开关的广泛应用，操作过电压的危害已经越来越受到人们的重视，操作过电压主要表现为相间过电压，而传统的避雷器是按照防止雷电过电压即相对地过电压而设计的，对操作过电压基本没有防护作用，为了避免相间过电压对设备的破坏，提高保护的全面性，组合式过电压保护器开始被大量使用。

　　相对于单柱式的SiC避雷器和MOA，组合式保护器一般采用三相四柱式结构，如图2所示，由四个保护单元两两组合成六只避雷器，分别保护三相对地过电压和相间过电压，使保护的全面性大大提高。其内部结构虽然多

　　种多样，但按照工作原理可以划分为以下三种：无间隙结构、串间隙结构、分级保护结构。虽然在近几年的发展过程中，组合式保护器不断地得到完善，每种结构投运也不少，但总体说来其制造与运行两方面的经验尚显不足，对设备的保护性能与自身的安全性能往往不能实现较好的统一，产品质量良莠不齐。为了提高电网运行的安全性以及供电的可靠性，了解过电压保护器的研制与发展状况，并对其性能作一全面的对比就显得尤为重要。

　　2、无间隙组合式过电压保护器

　　无间隙组合式过电压保护器结构如图2所示，采用三相四单元结构，每个保护单元由氧化锌非线性电阻阀片组成，直接与三相电源连接。如此设计，ZnO阀片良好的非线性可以得到充分发挥，在过电压未达到U1mA之前，ZnO电阻呈高阻状态，ZnO电阻的电容性及阻尼性可以缓和过电压的波头陡度并减缓振荡频率。当过电压超过U1mA时，ZnO电阻呈低阻状态，利用其非线性对系统过电压实现限制，其非线性伏安特性见图1。

　　其缺点在于，用来表征ZnO非线性电阻保护性能的参数残压比K1=U残/U1mA是固定的，目前避雷器所使用的ZnO电阻残压比一般为1.3左右。要可靠的保护电气设备，ZnO电阻的残压U残必须小于被保护设备的绝缘承受能力。为了扩大保护裕度，必须尽量降低操作电流下的残压值U残，这样ZnO电阻的U1mA也降低了。表征ZnO电阻的寿命指标荷电率K2=Ue/U1mA，在系统电压不变的情况下，U1mA降低，荷电率必然增大，使避雷器产生不必要的频繁动作，泄流漏电流增大，影响避雷器的使用寿命，使保护器的自身安全性降低。因此，在保护弱绝缘设备如电动机时，其残压值U残的设计受到了限制。

　　根据IEC标准，当荷电率小于0.75时，ZnO电阻可以长期安全地运行。按照此标准，可以计算出无间隙组合式保护器的最低残压设计值。

　　以6kV系统为例，组合式结构对电压的承受是由四个单元两两组合承担的，在正常工况下，三相电源对称，M点为零电位，施加在每相单元氧化锌阀片上的电压峰值为：

　　Ue =UAM = ×6.9/ =5.63kV。

　　荷电率K2=Ue /U1mA （1）

　　将Ue =5.63，K2=0.75代入可得：

　　U1mA=7.5kV

　　残压比K1=U残/U1mA （2）

　　将U1mA=7.5，K1=1.3代入可得：

　　U残=9.75kV

　　U相间=2×9.75kV=19.5kV

　　所以，在保证保护器能够长期安全运行的前提下，无间隙组合式过电压保护器可以将相间过电压最低限制到19.5kV，此值即为该结构保护器的安全下限，如果进一步降低ZnO电阻的操作冲击残压U残，则无法保证保

　　护器自身的安全。按照国标规定，6kV变压器的绝缘耐受能力为25.6kV，而6kV电动机的绝缘耐受能力国内比较统一的计算方法为15.9kV，与保护器的安全下限19.5kV相比较可知，该结构的保护器能够实现对变压器的可靠保护，对电动机的保护作用比较勉强。

　　3、串间隙组合式过电压保护器

　　串间隙组合式过电压保护器有四间隙和三间隙两种基本结构，如图3所示，引入放电间隙的主要目的是为了在正常工况下，通过间隙来隔离电网电压，降低避雷器中ZnO阀片的荷电率，从而降低保护器动作值。因为在电网正常运行时，M点的电位基本为零，所以，在接地相中串联放电间隙完全没有必要，反而会增加系统的对地杂散电容，同时增加了放电的分散度，使工频电压分布不均匀，造成试验和安装上的难度。所以，本文仅以三间隙结构为例对其性能进行分析。

　　放电间隙有绝缘间隙和电阻间隙两种。对于绝缘间隙，在保护器不动作时，工作电压与ZnO电阻完全隔离开来，为了起到保护ZnO电阻的目的，其冲击放电值必须高于ZnO的U1mA。在间隙放电之前，ZnO良好的非线性特性无法发挥，起不到缓和过电压波头陡度和降低振荡频率的作用，当过电压波头陡度大时，将会使设备的匝间绝缘击穿。另外，其保护水平是由冲击放电电压和ZnO残压共同确定的，由于间隙的截断比和分散度较大，二者之间的配合有一定的难度，冲击放电电压高，则保护裕度小，危及设备安全；冲击放电电压低，则起不到保护ZnO的目的。再者，随着放电次数的增加，绝缘间隙的阻值必然下降，形成和ZnO电阻的分压，导致冲击放电值上升幅度很大，有时可以达到30%以上，因此，经过数次放电后，其保护值会有较大幅度的上升，使保护裕度减小，起不到保护设备的目的。

　　为了解决绝缘间隙的某些问题，有些保护器采用线性电阻间隙，每相的等效电路如图4所示，间隙电阻值一般在6-15MΩ，如此设计，克服了绝缘间隙在放电时的一些缺点，但是，在持续运行工况下，ZnO呈高阻状态，阻值在5000～10000 MΩ，与间隙电阻形成分压，系统电压基本全部施加在ZnO电阻上，间隙起不到隔离电网电压的作用，串联间隙毫无意义。

　　综上分析，引入放电间隙来提高保护器的保护性能，无法实现被保护设备的可靠性与保护器自身安全性的和谐统一。相反会带来许多保护器自身的安全问题。

　　4、分级保护组合式过电压保护器

　　分级保护的组合式过电压保护器原理图见图5，每个保护单元的ZnO电阻由1、2两级组成，第2级为ZnO电阻与火花电极XG的组合。

　　在正常工况下，系统电压由两部分共同承担，其荷电率为：K2=Ue/（U1mA′+ U1mA″），通过调整第2级的U1mA″，可以使荷电率满足要求，保证ZnO电阻长期、安全地运行。同时，在这个保护阶段保护器保留了无间隙结构的优点。

　　当过电压超过（U1mA′+ U1mA″）并达到一定值时，火花电极XG放电，将第2级ZnO电阻短接，标称放电电流下的残压值U残仅为第1级ZnO的残压，通过调整第1级的U1mA′，可以实现保护水平与设备绝缘耐受能力的配合，满足对弱绝缘设备如电动机的保护。由于放电电极XG的工放值远低于ZnO电阻的U1mA′，电极的分散性不会对保护水平构成影响，其保护水平仍然相当于无间隙结构。

　　分级保护方案融合了无间隙结构和串间隙结构的优点，既能够使ZnO电阻的非线性特性得到充分发挥，又将保护范围扩大到对弱绝缘设备的可靠保护，同时避免了串联放电间隙而带来的对设备保护不稳定和不可靠因素。对设备保护的全面性、可靠性与保护器自身的安全性达到了较好的统一。

　　5、结语

　　1） 单柱式的SiC避雷器和MOA主要针对雷电产生的相对地过电压而设计，对相间过电压基本起不到防护作用。组合式保护器大大提高了保护的全面性，它必将成为一种新的发展方向。

　　2） 无间隙组合式过电压保护器在保护变压器等强绝缘设备时，具有一定的优势，而对电动机等弱绝缘设备，保护作用比较勉强。

　　3） 串间隙组合式保护器虽然在保护弱绝缘设备时能够解决ZnO的荷电率问题，但是存在着与ZnO难以配合，以及自身截断比、分散度大等问题，使保护的可靠性与稳定性大大下降。

　　4） 分级保护的组合式保护器保留了无间隙结构的优点，同时，降低了ZnO的残压比，提高了保护裕度，能够实现保护的全面性、可靠性与安全性的统一。

　　参考文献：

　　[1] 李学思.三相组合式过电压保护器.电磁避雷器.1989（1）。