組合式過電壓保護器的維護和故障預防

田俊，吳勇，袁軍芳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一能源總廠，安徽馬鞍山243000）

組合式過電壓保護器的維護和故障預防

田俊，吳勇，袁軍芳

（馬鞍山鋼鐵股份有限公司第一能源總廠，安徽馬鞍山243000）

總結(jié)了馬鋼供電系統(tǒng)運行組合式過電壓保護器的運行情況與經(jīng)驗，提出了運行中過電壓保護器的維護和故障預防的措施和方法。

組合式過電壓保護器；運行維護；故障預防

1 引言

隨著冶金供電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，對斷路器的性能要求也越來越高。由于真空斷路器具有結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、維護工作量小、運行費用低等許多優(yōu)點，在冶金供電系統(tǒng)中被廣泛應用。但真空斷路器滅弧能力極強，在關合、開斷電動機和變壓器等感性負載時，容易產(chǎn)生截流過電壓、多次重燃過電壓以及三相同時斷開過電壓，從而造成系統(tǒng)中運行設備的損壞。為確保真空斷路器操作時電氣設備安全運行，必須安裝操作過電壓保護裝置。

組合式過電壓保護器在馬鋼主要應用于6～10 kV供電網(wǎng)絡中，用來限制真空斷路器操作過電壓和供電系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的其他暫態(tài)過電壓，有效地保護系統(tǒng)中運行的電動機、變壓器和電纜等電力設備絕緣不受損害，對相間和相對地的過電壓起到可靠的限制作用，同時兼有防雷功能。

2 組合式過電壓保護器的工作原理

馬鋼供電系統(tǒng)中應用多種有串聯(lián)間隙和無間隙組合式過電壓保護器，它們在相間和相地之間都連接有氧化鋅閥片或帶有間隙，這種組合式過電壓保護裝置對相間過電壓有較好的保護作用，特別適用于保護相間絕緣水平較低的旋轉(zhuǎn)電機設備。組合式過電壓保護器由于采用復合絕緣結(jié)構(gòu)，整體小巧緊湊，特別適合中壓開關柜配套使用，因此在馬鋼得到廣泛應用。

2.1 帶串聯(lián)間隙組合式過電壓保護器結(jié)構(gòu)及其特點

帶串聯(lián)間隙組合式過電壓保護器由特殊間隙體和氧化鋅閥片組成，制造廠家的設計方案不同，采用的間隙結(jié)構(gòu)也不同，間隙主要有四間隙、三間隙等，同時間隙又分為有并聯(lián)電阻和無并聯(lián)電阻兩種，目前運行的主流產(chǎn)品為無并聯(lián)電阻的內(nèi)部串聯(lián)間隙組合式過電壓保護器，約占總量的95%以上。串聯(lián)的間隙不同其技術特點也不一樣。

2.1.1四間隙星形接法組合式過電壓保護器

由四個完全相同的保護單元組成過電壓保護器，每個單元都有放電間隙和氧化鋅電阻片串聯(lián)構(gòu)成，俗稱三叉戟式過電壓保護器。其原理接線圖如圖1所示。

圖1 星形接法四間隙過電壓保護器

四間隙接法組合式過電壓保護器采用氧化鋅和放電間隙相結(jié)合的方式使氧化鋅閥片得到保護。放電間隙使氧化鋅閥片的荷電率為零，氧化鋅閥片優(yōu)異的非線性又使放電間隙動作后立即熄弧、無截流、無續(xù)流，放電間隙不再承擔滅弧任務，沖擊系數(shù)可以達到1，放電電壓值不隨放電波形變化而變化，因而使用壽命得到提高。該接線方式可將相間過電壓大幅度降低，與常規(guī)的MOA相比，相間過電壓下降60%～70%。在單相接地、間隙性弧光接地和諧振過電壓下可長期安全運行。由于相相、相地都是雙間隙，每個間隙承擔1/2工頻放電電壓，在正常情況下中心點電位是“零”，但由于對地存在寄生電容，寄生電容的存在會使實際放電值出現(xiàn)不穩(wěn)定。

2.1.2三間隙星形接法組合式過電壓保護器

由三個間隙和四個單元組成過電壓保護器，其接線原理圖見圖2所示。

其結(jié)構(gòu)與四間隙不同點主要是取消了接地保護單元間隙，相地保護采用單間隙，接地保護單元由純電阻性材料組成，在中心點受寄生電容和雜散電容等外界因素影響相對較小。相相過電壓時由相間保護單元和接地保護單元共同完成，相相過電壓也是由兩個間隙來承擔。通過接地保護單元的調(diào)整可以使相相、相地工頻放電電壓做成一樣。

圖2 三間隙星形接法過電壓保護器

2.2 無間隙組合式過電壓保護器結(jié)構(gòu)及其特點

三相組合式無間隙過電壓保護器是由性能優(yōu)越的非線性氧化鋅為主的電阻片經(jīng)特殊工藝封裝于硅膠套內(nèi)而組成。由于氧化鋅電阻片具有良好的非線性伏安特性，當系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時氧化鋅電阻片呈現(xiàn)低電阻，使保護器殘壓被限制在設備允許值下，從而有效地保護了供電系統(tǒng)設備。而保護器在系統(tǒng)正常運行電壓下它呈現(xiàn)高電阻，幾乎接近絕緣狀態(tài)，使系統(tǒng)與地絕緣。

無間隙氧化鋅組合式過電壓保護器是一種較先進的過電壓保護設備，與傳統(tǒng)的碳化硅避雷器相比，在保護特性、通斷能力和抗污穢等方面均有優(yōu)異的特性，其氧化鋅電阻片的非線性性能極其優(yōu)異，使其在正常工作下接近絕緣狀態(tài)。

缺點是它保護殘壓較高，無法滿足在操作過電壓下頻繁動作的要求，存在工頻老化和承受荷電率和熱平衡條件的限制，這對于保護絕緣耐壓水平較低的電動機類設備來說還存在不足。

3 馬鋼組合式過電壓保護器運行現(xiàn)狀

由于組合式過電壓保護器非線性伏安特性、低殘壓、無工頻續(xù)流、反應速度快等優(yōu)點，在馬鋼供電系統(tǒng)各種電壓等級得到了廣泛的應用。但組合式過電壓保護器要長期工作在運行電壓下,并多次承受各種過電壓的沖擊,以及長期運行過程中因組合式過電壓保護器閥片受潮、老化等原因使整體性能逐漸下降,從而造成高故障率也是不爭的事實。馬鋼自2000年開始大量使用組合式過電壓保護器，使用的組合式過電壓保護器生產(chǎn)廠家眾多，近年來由于產(chǎn)品質(zhì)量和使用維護等原因，每年都有因為組合式過電壓保護器故障造成電網(wǎng)停電事故的發(fā)生，因此,為保證組合式過電壓保護器在良好的狀態(tài)性能下工作,確保電網(wǎng)安全運行，對其進行故障預測也顯得格外重要。

通過對組合式過電壓保護器故障的分析，造成事故的主要原因有以下幾個方面：

（1）組合式過電壓保護器本身質(zhì)量原因

主要是設計不合理，制造存在缺陷，內(nèi)部絕緣部件爬距不夠，構(gòu)架耐壓和散熱性能不能滿足要求，氧化鋅閥片材質(zhì)不良或方波通流容量小，運行中工頻續(xù)流逐漸增大，長時間通過續(xù)流燒毀引起。

（2）氧化鋅電阻片的質(zhì)量問題

氧化鋅電阻片是組合式過電壓保護器的核心元件，其性能直接影響到組合式過電壓保護器的水平。目前國內(nèi)生產(chǎn)氧化鋅電阻片的廠家多，產(chǎn)量大，但是部分產(chǎn)品檔次低，生產(chǎn)工藝落后，檢驗手段不全，閥片個體之間的性能差異大，直接表現(xiàn)在閥片通流容量小，動、靜老化快，運行幾年后，泄漏電流明顯增大，氧化鋅閥片溫度升高，一旦產(chǎn)生惡性循環(huán)，氧化鋅閥片將會發(fā)生熱崩潰而炸裂。

（3）組合式過電壓保護器密封問題

組合式過電壓保護器密封不好，主要是生產(chǎn)廠采用的密封技術不完善.或采用的密封材料抗老化性能差，經(jīng)常長時間運行后出現(xiàn)密封老化導致。在溫差變化較大、運行環(huán)境潮濕和運行時間達到6～8年后，由于其密封不良而使潮氣浸入，引起泄漏電流增大，造成內(nèi)部絕緣降低，加速了氧化鋅閥片的劣化而引起爆炸。

（4）75%直流參考電壓下的泄漏電流大或直流l mA的參考電壓降低

平時預防性試驗中，部分組合式過電壓保護器在工頻放電和耐壓試驗后絕緣電阻下降明顯，這主要是閥片受潮，絕緣爬距不夠或材質(zhì)不良，表面污穢嚴重等原因。這也是造成故障的主要原因。

（5）系統(tǒng)接地時過電壓的影響

在中性點不接地系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，非故障相對地電壓升高到線電壓，此時過電壓保護器所承受的電壓雖小于工頻放電電壓，但在持續(xù)時間較長的過電壓作用下，一旦出現(xiàn)間隙性弧光接地過電壓和諧振過電壓超過保護器熱平衡能量，是過電壓保護器發(fā)生熱崩潰，并產(chǎn)生高能量，導致過電壓保護器發(fā)生爆炸，進而引起系統(tǒng)故障范圍擴大。

（6）使用維護的影響

過電壓保護器表面在現(xiàn)場安裝中被磕碰，手提引線導致引線松動，使泄漏電流增大出現(xiàn)發(fā)熱等原因引起。并且引線松動還會使部分組合式過電壓保護器失去防護功能。

4 組合式過電壓保護器的維護和故障預防

4.1 組合式過電壓保護器的預防性試驗

按照電力設備預防性試驗規(guī)程的要求，在組合式過電壓保護器投運之前，應進行試驗及定期檢測。試驗進行3次，在“相對相”間及“相對地”間進行，并求其平均值。每兩次試驗的時間間隙不小于10 s。試驗時可在試驗變壓器旁邊串聯(lián)一只10 A以上的電流表，觀察電流值，當電流發(fā)生突變時，表明試品已放電，此刻的電壓值即為工頻放電電壓值。若現(xiàn)場有條件，可通過高壓測試儀直接讀取脈沖電壓值。每年應做一次工頻放電試驗的常規(guī)檢測。

學校作為精神文明建設的主陣地、應以課堂教學為載體，積極構(gòu)建和諧師生關系，努力提高全體學生的思想道德素質(zhì)。有效的課堂管理更是小學教師義不容辭的責任。

電力設備預防性試驗規(guī)程規(guī)定：35 kV及以下的MOA避雷器用2500 V兆歐表測量，其絕緣電阻不低于1000 MΩ。

對無間隙過電壓保護器還要測量1 mA(直流)時的臨界動作電壓U1mA和75%U1mA直流下的泄漏電流，測量的U1mA主要是檢查其閥片是否受潮，確定其動作性能是否符合要求。U1mA實測值與初始值或制造值相比，其變化不應大于5%，U1mA過高使保護電氣設備的絕緣裕度降低，U1mA過低使過電壓保護器在各種操作和故障的瞬態(tài)過電壓下發(fā)生爆炸，測量75%U1mA下的直流泄漏電流，主要檢測長期允許工作電流的變化情況。規(guī)程規(guī)定，75%U1mA下的泄漏電流不大于50 μA。

4.2 組合式過電壓保護器在線監(jiān)測

對于電力設備，紅外檢測與故障診斷的基本原理就是通過探測被診斷設備表面的紅外輻射信號，從而獲得設備的熱狀態(tài)特征，并根據(jù)這種熱狀態(tài)及適當?shù)呐袚?jù)，作出設備有無故障及故障屬性，以及出現(xiàn)位置和嚴重程度的診斷判別。

馬鋼供電系統(tǒng)在對某分廠運行的550余組過電壓保護器的紅外成像測試發(fā)現(xiàn)溫差過大的有40余組。以某變電所組合式過電壓保護器為例，通過紅外測溫拍得圖3，從圖3發(fā)現(xiàn),該組合式過電壓保護器受潮后的紅外成像圖相間及不同部位溫差較大，最大溫度38.9℃，平均溫度34.7℃，最小溫度28.8℃。

圖3 紅外測試有問題的過電壓保護器

由于發(fā)現(xiàn)及時,成功地避免了一次組合式過電壓保護器爆炸事故。通過更換下來的組合式過電壓保護器解剖證明了紅外成像的測試，見圖4和圖5。

圖4 解剖后受潮的氧化鋅閥片

圖5 解剖后受潮的間隙元件

5 預防過電壓保護器事故的措施

5.1 設計選型

在設計選型上，應首選有多年穩(wěn)定運行經(jīng)驗的產(chǎn)品，選擇有先進的工藝設備和完善的檢測手段的制造廠家產(chǎn)品，這樣才能保證所選用的組合式過電壓保護器產(chǎn)品本身具有高的抗老化、耐沖擊性能。在選用組合式過電壓保護器時，首先要了解被選產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點、氧化鋅電阻片和間隙的產(chǎn)品質(zhì)量、整體的絕緣性能和密封性能，特別是氧化鋅電阻片一定要選擇國內(nèi)知名品牌廠家，選擇的組合式過電壓保護器性能指標一定要符合ZBK49005-90《交流有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器》的規(guī)定，滿足DL/T620-1997《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》標準的要求。

組合式有間隙過電壓保護器由于引入串聯(lián)間隙，進一步降低了保護殘壓，提高了工作性能，并解決了相極荷電率偏高問題，安全水平和保護性能均比較理想，但在日常維護和預防性試驗過程中，缺乏必要的手段檢測（預防性試驗時只能做間隙擊穿試驗），無法判斷氧化鋅閥片的好壞，給正常運行留下安全隱患。

5.2 加強在線監(jiān)測

優(yōu)先采用帶有在線監(jiān)測儀的組合式過電壓保護器，并定期對在線監(jiān)測儀進行檢查，特別是對雷雨后和易發(fā)生故障的部位（有電弧爐負荷的母線段、過電壓保護器壽命已到后期）增加巡檢次數(shù)。按照組合式過電壓保護器運行規(guī)程要求定期對過電壓保護器進行各項電氣性能試驗。

紅外成像技術檢測過電壓保護器為新型在線監(jiān)測手段，特別是對有間隙組合式過電壓保護器，在目前沒有檢測手段前提下是一種好的方法，但目前沒有具體判斷好壞的標準，需要積累經(jīng)驗、加以總結(jié)。為方便運行中進行紅外成像診斷，建議在開關柜后門加裝觀察窗。

5.3 諧波治理

由于諧波對組合式過電壓保護器的使用壽命影響較大，在供電網(wǎng)絡中要加強電網(wǎng)諧波的治理力度，要對諧波源進行綜合治理，在有諧波源的母線段增設濾波裝置，以使供電網(wǎng)絡的諧波值控制在國家標準允許范圍內(nèi)。

5.4 技術管理

加強對組合式過電壓保護器的技術管理工作，即對運行的每一只組合式過電壓保護器建立完善的技術檔案，對出廠報告、預防性試驗報告及在線監(jiān)測儀的運行記錄都要存入檔案，直至該組合式過電壓保護器退出運行。

由于組合式過電壓保護器出現(xiàn)故障時事故級別高，事故損失大，通過馬鋼供電系統(tǒng)長期運行經(jīng)驗，建議對運行時間超過8年以上的組合式過電壓保護器進行更換。

5.5 采用帶脫離器的過電壓保護器

針對組合式有間隙過電壓保護器不能預防性試驗的問題，建議采用帶脫離器的組合式過電壓保護器，自脫離式過電壓保護器為近幾年應用的新產(chǎn)品，其現(xiàn)場應用的好壞要靠時間來考驗。

馬鋼多年運行經(jīng)驗表明，組合式過電壓保護器損壞的原因有接地時暫態(tài)過電壓，受潮、污閃和本身質(zhì)量等，但仍有部分過電壓保護器損壞原因不明，又因組合式過電壓保護器劣化速度的離散性，及雷電、操作過電壓、諧波和運行環(huán)境等的隨機性，都決定著組合式過電壓保護器的運行質(zhì)量，所以要在長期的運行實踐中去研究、實驗、探索和總結(jié)，以使過電壓保護器的不安全因素能得到預防和完善。

6 結(jié)束語

組合式過電壓保護器采用復合絕緣結(jié)構(gòu)，相間殘壓水平較低，對相間、相地都有比較好的保護作用。特別是對開關柜內(nèi)受安裝尺寸影響的場所，相對單體式避雷器來說，結(jié)構(gòu)更為緊湊，其優(yōu)越性更為突出，非常適合中置式開關柜內(nèi)使用。目前使用的組合式過電壓保護器各生產(chǎn)廠家制造工藝水平存在差異，運行穩(wěn)定性還有待進一步完善，因此在選用時首先是注重產(chǎn)品質(zhì)量，然后根據(jù)使用的電壓等級，結(jié)構(gòu)特征，保護對象和使用場所來進行選擇，在運行過程中通過預防性試驗和紅外成像在線檢測的綜合使用來保證其在壽命周期內(nèi)安全運行。

Maintenance and Fault Prevention of Combined Overvoltage Protector

TIAN Jun，WU Yong，YUAN Junfang(No.1 Energy Sources Plant of Maanshan Iron&Steel Co.,Ltd.,Maanshan,Anhui 243000,China)

The operation and the experience of the combined overvoltage protector of Masteel’s power supply system are summarized.The measures and methods for maintenance and fault prevention of the overvoltage protector in operation are advanced.

combined overvoltage protector;operation maintenance;fault prevention

TM862

B

1006-6764(2013)07-0012-04

2013-05-20

田?。?961-），男，研究生學歷，高級工程師，現(xiàn)從事電氣管理工作。