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串联间隙氧化锌避雷器的应用与试验

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串联间隙氧化锌避雷器使用了间隙和ZnO阀片,两者互为保护。间隙使电荷率为零,解决了ZnO阀片老化问题;间隙在续流时易损坏,ZnO阀片优越的性能使其无续流。保护设备的绝缘免受雷电和操作等过电压的损坏起到良好的作用。优越性的逐步体现,使得串联间隙氧化锌避雷器将被越来越多的使用;其试验标准也将逐步完善和规范。 

 1. 避雷器应用的比较

       目前在电力系统中运行的避雷器主要有两种类型。一类是以串联火花间隙与碳化硅阀片为主要元件的传统阀型避雷器;另一类是以氧化锌电阻片为主要元件的金属氧化物避雷器。其主要元件的伏安特性如下所示。

        对于单个间隙而言当很大的雷电流流过非线性电阻时,非线性电阻将呈现很大的电导率,使避雷器上出现的残压U0不致过高。当雷电流过去后,加在阀片上的电压是系统电压Ux时,非线性电阻的电导率突然下降而将工频续流限制到很小的数值。事实上阀型避雷器的间隙由数个或数十个单间隙组成而形成的一个电容链。由于电极片对地和对高压端盖的部分电容的影响,电压在各间隙上分布是不均匀的。严重的是这种不均匀非常的不稳定,它受瓷套表面情况影响很大,使得避雷器的工频放电电压很不稳定。虽然可以通过在每个间隙或间隙组上并联一个分路电阻来解决,但分路电阻中将长期有电流流过(泄漏电流);且经长期运行非线性并联电阻会逐渐老化,表现为阻值增加,电导电流下降,影响避雷器性能。

        可以看到氧化锌电阻片在击穿区域具有较好的非线性,使得氧化锌避雷器在正常工作电压下电阻值很大,泄漏电流很小;在过电压情况下其电阻值又很小,过电压能量释放即恢复到高阻值状态,无工频续流,所以无间隙氧化锌避雷器得到了广泛应用。

        但是,作为过电压保护电器,针对其所释放的能量,其自身仍存在过电压防护问题。对于能量有限的过电压(如雷电过电压和操作过电压),避雷器泄流能起限压保护作用。对能量是无限(有补充能源)的过电压,如暂态过电压(工频过电压和谐振过电压的总称),其频率或为工频或为工频的整数倍或分数倍,与工频电源频率总有合拍的时候,如因某些原因而激发暂态过电压,工频电源能自动补充过电压能量,即使避雷器泄流过电压幅值不衰减或只弱衰减,暂态过电压如果进入避雷器保护动作区,势必长时反复动作直至热崩溃,避雷器损坏爆炸,因此暂态过电压对避雷器有致命危害。如果已将全部暂态过电压限定在保护死区内不受其危害的避雷器,称之为暂态过电压承受能力强,反之称暂态过电压承受能力差。碳化硅避雷器暂态过电压承受能力强,但由于运行中动作特性稳定性差,常因冲击放电电压(保护动作区起始电压)值下降,仍可能遭受暂态过电压危害,动作负载重寿命短。无间隙氧化锌避雷器因其拐点电压(可近似地把参考电压当作拐点电压)偏低,仅2.21~2.56Uxg(最大相电压),而有些暂态过电压最大值达2.5~3.5Uxg,故有暂态过电压承受能差,损坏爆炸率高和寿命短等缺点。

        对暂态过电压危害有效防护办法是加结构性能稳定的串联间隙将全部暂态过电压限定在保护死区内,使避雷器免受其危害。串联间隙氧化锌避雷器有此独具优点。结构上串联间隙氧化锌避雷器既有间隙又用氧化锌阀片,其间隙结构不同于碳化硅避雷器。其间隙数量少,当过电压达到冲击放电电压时,间隙无时延击穿,同时因隙距大动作特性稳定,可避免碳化硅避雷器间隙带来的缺点。串联间隙氧化锌避雷器的间隙已将全部暂态过电压限定在保护死区内免受其危害,故又可避免无间隙氧化锌避雷器因拐点电压偏低带来的缺点。

 2. 串联间隙氧化锌避雷器试验问题

       随着现代防雷技术的发展,在小电流接地系统中交流串联间隙氧化锌避雷器正逐步在变压器开关、母线、电动机、发电机、线路、电容器组等电气设备得到应用。作为电气设备本身,同样存在着阀片性能、参数设计、绝缘材质、装配不良、密封缺陷等问题;掌握其性能状况亦显得十分必要。对于中性点非直接接地的3—63KV电力系统中的氧化锌避雷器,我国电力行业标准DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》(以下简称《规程》)明确规定其试验项目为:1.绝缘电阻;2.直流1mA下的电压U1mA及75%U1mA下的电流。众所周知,该规程关于氧化锌避雷器的试验项目是源于《交流无间隙金属氧化物避雷器》(GB11032—89)的规定要求,是针对交流无间隙氧化锌避雷器的。《规程》规定的试验项目是否适用带串联间隙的氧化锌避雷器值得商榷。

       《规程》规定碳化硅避雷器FS系列的试验项目为1.绝缘电阻;2.工频放电。FCD系列试验项目为1.绝缘电阻;2.电导电流。结合无间隙氧化锌避雷器和有间隙碳化硅避雷器因结构不同而在试验上的不同,我们认为目前在小电流接地系统中广泛使用的带串联间隙的氧化锌避雷器试验项目应为1.绝缘电阻;2.工频放电。对于一些为了解决电压分布问题,而在间隙两侧并联电阻的串联间隙氧化锌避雷器还应做电导电流。

        由于采用ZnO阀片,其绝缘电阻测量同无间隙氧化锌避雷器。测量值决定于阀片外和内部绝缘部件和瓷套。测量使用2500V兆欧表,35kV及以下避雷器绝缘电阻值不低于1000MΩ;35kV以上避雷器不低于25000MΩ。

       由于存在间隙,直流1mA下的电压U1mA及75%U1mA下的电流试验项目是不适合有间隙氧化锌避雷器的。而工频放电试验是检验间隙避雷器电气性能的一个基本项目。虽然由于氧化锌电阻片具有在低电压下良好的高阻和限流的特点,可不考虑放电间隙的切断比;但是,其工频放电电压同样不能过高和过低。过高的工频放电电压就会使冲击放电电压升高,从而影响避雷器的性能。过低的工频放电电压就可能造成在被保护设备的绝缘能耐受而不需要保护的操作过电压下动作。所以,工频放电电压应根据避雷器保护对象有相应的放电电压范围。目前,由于《规程》的相对滞后,很难在有关规程中查到相应的试验标准。所以,预防性试验应参照出厂试验报告。

      现提供目前保护高压电动机常用的TBP系列A、B、C三型串联间隙氧化锌避雷器工频放电电压范围,供参考。

     工频放电电压测试数值标准 额定电压(kv)

    型号 3.156.310.5注意

    A型4.9--7.29.8--14.416.3--23.71、此标准为测3次的平均值;2、所测值为出厂值90%--120%视为合格;3、每次升压应均匀,时间控制在3.5--7S;4、每次间隔不小于10S;5、除TBP内部间隙放电,其它任何部位闪络视为不合格。6、接线同FS工频放电试验

   B型6.6--9.713.2--19.321.9--32.0

   C型7--10.213--20.123.1--33.6

  电导电流试验是检查避雷器内部是否受潮,并联电阻有无断裂、老化的一个重要指标。其试验接线与FCD系列试验接线一致;要求电导电流不大于50µA。

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