避雷器在電力系統應用中的問題分析
作者：admin 來源：本站原創 更新時間：2015年09月28日 瀏覽：
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避雷器在電力系統應用中的問題分析
摘要：文中闡述了避雷器自身防護問題及其對電力系統的影響，簡單的論述了避雷器的保護特性，分析了氧化鋅避雷器在應用中的問題及解決問題的技術措施，探討了防雷界的熱點問題。
關鍵詞：避雷器 特性 應用 問題分析 技術措施
1.應用中的問題探討
1.1避雷器自身過電壓防護問題
避雷器是過電壓保護電器，其自身仍存在過電壓防護問題。對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作用。對能量是無限（有補充能源）的過電壓，如暫態過電壓（工頻過電壓和諧振過電壓的總稱），其頻率或為工頻或為工頻的整數倍或分數倍，與工頻電源頻率總有合拍的時候，如因某些原因而激發暫態過電壓，工頻電源能自動補充過電壓能量，即使避雷器泄流過電壓幅值不衰減或只弱衰減，暫態過電壓如果進入避雷器保護動作區，勢必長時反復動作直至熱崩潰，避雷器損壞爆炸，因此暫態過電壓對避雷器有致命危害。如果已將全部暫態過電壓限定在保護死區內不受其危害的避雷器，稱之為暫態過電壓承受能力強，反之稱暫態過電壓承受能力差。碳化硅避雷器暫態過電壓承受能力強，但由于運行中動作特性穩定性差，常因沖擊放電電壓（保護動作區起始電壓）值下降，仍可能遭受暫態過電壓危害。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點電壓（可近似地把參考電壓當作拐點電壓）偏低，僅2.21～2.56Uxg（最大相電壓），而有些暫態過電壓最大值達2.5～3.5Uxg，故有暫態過電壓承受能差的缺點。對暫態過電壓危害有效防護辦法是加結構性能穩定的串聯間隙將全部暫態過電壓限定在保護死區內，使避雷器免受其危害。串聯間隙氧化鋅避雷器有此獨具優點。
1.2避雷器自身對電力系統不安全影響
保護間隙和管型避雷器在間隙擊穿后，保護回路再也沒有限流元件，保護動作都要造成接地故障或相間短路故障，保護作用增多電力系統故障率，影響電力系統的正常、安全運行。應用氧化鋅避雷器，從根本上避免保護作用產生接地故障或相間短路故障，且不用自動重合閘裝置就能減少線路雷害停電事故。
1.3避雷器其連續雷電沖擊保護能力
有時高壓電力裝置可能遭受連續雷電沖擊，連續雷電沖擊是指兩次雷電入侵波間隔時間僅數百μs至數千μs，間隔時間極短。碳化硅避雷器保護動作既泄放雷電流也泄放工頻續流，切斷續流時耗最大達10000μs，一次保護循環時間要遠大于10000μs才能恢復到可進行再次動作能力，故碳化硅避雷器沒有連續雷電沖擊保護能力。氧化鋅避雷器保護動作只泄放雷電流，雷電流泄放（小于100μs）完畢，立即恢復到可進行再次動作能力，故氧化鋅避雷器具有連續雷電沖擊保護能力，這對于多雷區或雷電活動特殊強烈地區的防雷保護尤為重要。
1.4工頻能源的浪費
只關注防雷器件泄放雷電流的限（降）壓保護作用，輕視或忽視有些器件同時泄放工頻電流浪費能源作用。保護間隙或管型避雷器保護動作可能伴隨短路電流（幾kA至幾十kA）對地放電，碳化硅避雷器保護動作有工頻續流（避雷器FS型為50A，FZ型為80A，FCD型為250A）對地放電，而造成能源浪費，使用氧化鋅避雷器可徹底避免保護作用帶來的工頻能源浪費。
2.避雷器保護特性
2.1避雷器的保護特性參數
各種型號的避雷器在同用途同電壓級時，其雷電殘壓參數相同或接近，這是因為各生產廠都是按國標規定決定殘壓值的。有人認為既然雷電殘壓值一樣，它們的保護作用和效果也應是一樣的，隨意選用哪種型號都可以。這是一種偏見，因為除雷電殘壓外，還有其它保護參數，如工頻放電電壓值，沖擊放電電壓值，是考察避雷器暫態過電壓承受能力，保證其長期正常運行的參數；又如是否有雷電陡波殘壓值，是標示避雷器防雷保護功能完全的重要參數。綜合來看，只有串聯間隙氧化鋅避雷器齊備上述保護特性參數，也就是說它有齊全的防護功能。
2.2避雷器動作特性運行穩定性
碳化硅避雷器保護動作要泄放雷電流和工頻續流，動作負載重，經計算每次動作泄放雷電流為0.04～0.07 C電荷量，工頻續流為0.5～2.5 C電荷量，后者與前者相比一般為11～17倍，且其間隙數量多隙距，常因動作負載重使部分間隙燒毛燒損，另外瓷套外殼臟污潮濕也會影響內間隙電容分布，這些都可能使部分間隙失效而降低沖擊放電電壓值，即動作特性穩定性差，可能增加保護動作頻度，或遭受暫態過電壓危害，而加速損壞。串聯間隙氧化鋅避雷器保護動作只泄放雷電流而無續流，動作負載輕，間隙不需具有滅弧及切斷續流能力，故間隙數量特少，3～ 10kV避雷器僅一個間隙，35kV避雷器為3個間隙串聯，間隙的工頻放電電壓值與碳化硅避雷器相同，符合GB7327規定，故間隙隙距大，動作特性可保持長期運行穩定。
2.3串聯間隙氧化鋅避雷器
碳化硅避雷器因其間隙結構（隙距小，數量多）帶來一些缺點：如沒有雷電陡波保護功能；沒有連續雷電沖擊保護能力；動作特性穩定差可能遭受暫態過電壓危害；動作負載重壽命短等。無間隙氧化鋅避雷器因其拐點電壓較低，有暫態過電壓承受能力差，損壞爆炸率高和壽命短等缺點。串聯間隙氧化鋅避雷器既有間隙又用ZnO閥片，其間隙結構不同于碳化硅避雷器，因其間隙數量少，當過電壓達到沖擊放電電壓時間隙無時延擊穿，同時因隙距大動作特性穩定，故它可避免碳化硅避雷器間隙帶來的一切缺點。串聯間隙氧化鋅避雷器的間隙已將全部暫態過電壓限定在保護死區內免受其危害，故它可避免無間隙氧化鋅避雷器因拐點電壓偏低帶來一切缺點。串聯間隙氧化鋅避雷器仍有前兩種避雷器保護性能優點，而避免它們的缺點。
2.4避雷器運行工況監測
避雷器失效的主要特征是泄漏電流增大，運行中不易發現，有可能長時帶病運行，以致擴大事故，故有必要監察其運行工況。碳化硅避雷缺乏監察手段，靠每年定期普遍測試篩選淘汰這樣作事倍功半，還不能隨時剔除失效品。氧化鋅避雷器可附帶脫離器，當其失效損壞時，脫離器自動動作（30mA時不大于8min）退出運行，以免造成更大損失和事故，提高運行安全可靠性。
3.避雷器應用
3.1避雷器外形尺寸
制造避雷器均按戶內外兩用條件決定其瓷套絕緣強度，其外形尺寸與閥片材料有關。當其用于架空線路或戶外變配電設備時，因其相間距大，避雷器外形尺寸不會帶來不良影響。戶內手車式開關柜因其體積尺寸較小，避雷器外形尺寸大時會帶來不良影響。碳化硅避雷器的SiC閥片其單位通流容量僅為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，裝在柜后部隔室內簡易手車上，上部有隔離插頭，因該產品已停產，工程設計堅持改用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，這樣避雷器的測試或更換必需在整段主母線斷電下進行，運行維護困難，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較小，35kV級還可作成懸掛式，如Y5CZz－42/110L型串聯間隙氧化鋅避雷器，高度僅640mm。小型化避雷器更有利于手車柜內安裝使用。
3.2避雷器性能價格比
無間隙氧化鋅避雷器的閥片運行中長期承受電網電壓，工作條件嚴酷，產品制造時要對閥片嚴格測試篩選，合格率低成本高，故價格也高；因它有暫態過電壓承受能力差的致命弱點，不適于在我國3～35kV電網中推廣使用。串聯間隙氧化鋅避雷器因有間隙，大大改善閥片長期工作條件，產品制造時對閥片測試篩選要求相對低些，合格率高成本低，價格也就便宜，串聯間隙氧化鋅避雷器價格比無間隙氧化鋅避雷器普遍便宜，有時也比碳化硅避雷器（如3～10kV的FZ型）便宜，同時它對其它防雷器件都有揚長避短作用，實為當代最先進防雷電器，具有高的性能價格比，是避雷器更新換代的普及和推廣產品。
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，除制造質量，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鍵因素。碳化硅避雷器因其動作和負載重，續流大，動作特性穩定差，可能遭受暫態過電壓危害等原因，加速閥片老化，壽命不長，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期承受電網電壓，工作條件嚴酷，拐點電壓低，動作頻度大，還可能遭受暫態過電壓危害，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。串聯間隙氧化鋅避雷器的間隙可保證閥片只在過電壓保護動作過程承受高電壓，時間極短（100μs內），在其它情況下閥片對于電網電壓，或處于隔離狀態（純間隙時），或處于低電位狀態（復合間隙電阻分壓），大大改善閥片長期工作條件，還可免受暫態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 20年以上。
4.氧化鋅避雷器運行中的問題分析
我公司應用氧化鋅避雷器始于80年代，運行至今在110KV母線上共發生6起事故，均為氧化鋅避雷器本體爆炸，其運行壽命最長達110個月，最短的僅有11個月表1為我公司110KVⅢ段母線避雷器爆炸統計表。
從運行時間上、安裝的環境、氣候、及生產廠，對損壞的氧化鋅避雷器進行技術分析，造成氧化鋅避雷器運行中爆炸的原因可歸納如下幾項：
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，主要是生產廠采用的密封技術不完善，或采用的密封材料抗老化性能不穩定，在溫差變化較大時或運行時間接近產品壽命后期，造成其密封不良而后使潮氣浸入，造成內部絕緣損壞，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
在氧化鋅避雷器運行在其產品壽命的后期，電阻片劣化造成泄漏電流上升，甚至造成與瓷套內部放電，放電嚴重時避雷器內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，內部放電不太嚴重時可引起系統單相接地。
4.3瓷套污染
由于工作在室外的氧化鋅避雷器，瓷套受到環境粉塵的污染，特別是設置在冶金廠區內變電所，由于粉塵中金屬粉塵的比例較大，故給瓷套造成嚴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，勢必導致電阻片中電流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大1—2個數量級，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
冶金企業電網隨著大噸位電弧爐、大型整流、變頻設備的應用及軋鋼生產的沖擊負荷等的影響，使電網上的高次諧波值嚴重超標。由于電阻片的非線性，當正弦電壓作用時，還有一系列的奇次諧波，而在高次諧波作用時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，由于其各工藝質量控制點控制不嚴，而使電阻片的耐受方波沖擊能力不強，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，失去了自身的技術性能。
5.技術措施
針對冶金電網的特點及氧化鋅避雷器幾次事故分析的結論，要保證氧化鋅避雷器在網上安全可靠運行，應采取以下措施：
5.1設計選型
在設計選型上，應首選有多年穩定運行實踐的產品，在選擇生產廠時，應選擇有先進的工藝設備和完善的檢測手段的生產廠，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，以使在產品的壽命周期內穩定運行。
5.2在線監測
增設氧化鋅避雷器的在線監測儀，并加強對在線監測儀的巡檢力度，特別是在雷雨后和易發生故障的部位（有電弧爐負荷的母線段、氧化鋅避雷器壽命已到后期）增加巡次數。定期給氧化鋅避雷器進行各項電氣性能測試及在線監測儀的校驗。
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
加強電網諧波的治理力度，在有諧波源的母線段增設動態無功補償和濾波裝置，以使電網的高次諧波值控制在國家標準允許范圍內。
5.5技術管理
加強對氧化鋅避雷器的技術管理工作，即對運行在網上的每一只氧化鋅避雷器建立技術檔案，對出廠報告、定期測試報告及在線監測儀的運行記錄均要存入技術檔案，直至該避雷器退出運行。
據國外有關技術資料統計，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，故仍有其在運行中對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、運行環境等的隨機性，都決定著氧化鋅避雷器的安全運行的可靠性，故需在今后的工作實踐中去研究、實驗、探索和總結，以使得其在運行中的不安全因素可得以預防和完善。
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