基于不同结构分类的金属氧化物避雷器电气特性对比分析

张 力，杨 焜，何丽梅

(1.西华大学电气信息学院，四川 成都 610039；2.中国石油工程设计有限公司西南分公司，四川 成都 610041)

金属氧化物避雷器的核心工作元件为具有非线性伏安特性的金属氧化物电阻片。它在正常工频电压下呈现高电阻，流过避雷器的电流仅为μA级的泄漏电流；当遭受过电压时，其优异的非线性伏安特性发挥作用，呈低电阻导通状态，使流过避雷器的电流瞬间增大到数千A以上，释放过电压能量，从而有效地限制过电压对输变电设备的侵害。与传统碳化硅避雷器相比，金属氧化物避雷器改变了避雷器的伏安特性，提高了过电压时的通流能力，使避雷器的性能发生了根本性的变化。

金属氧化物避雷器按其结构特征主要分为无间隙、带串联间隙和带并联间隙3种类型[1]。本文主要针对金属氧化物避雷器工作中所存在的安全隐患(如爆炸等)，选取无间隙与带串联间隙2种类型金属氧化物避雷器的电气特性进行分析；以10 kV配电系统为例，对其主要性能指标进行参数测算并逐一对比，通过选择应用阐明其主要技术特征与应用范围；结合测算结果与实际案例，分析事故原因并提出合理化建议，以促进金属氧化物避雷器的正确使用，进一步提高其对电气设备过电压保护的有效利用率。

1 电气特性

除环境条件、使用场合及机械强度等作为避雷器的基本使用条件外，对金属氧化物避雷器电气性能的考核指标还主要包括额定电压Ur、持续运行电压Uc、标称放电电流In、保护水平与绝缘配合这4方面[2-4]。

持续运行电压、额定电压与系统中性点接地方式密切相关。我国中压系统主要采用非直接接地系统，但随着经济社会的发展，具体接地方式已由过去单一的不接地方式发展为多种接地方式并存的现状。低电阻接地方式要求单相接地故障在10 s及以内切除；而当采用不接地、消弧线圈及高电阻接地方式时，单相接地故障可在10 s以上切除，且按规定允许在单相接地故障下持续运行2 h。

1.1 额定电压

额定电压Ur是指施加到避雷器端子间的最大允许工频电压有效值，是表明避雷器运行特性的一个重要参数，可理解为避雷器动作的启动电压。

对于无间隙避雷器，只要过电压超过额定电压，保护作用就开始，在经受多数暂时过电压作用仍能正常运行，因此其额定电压值较传统串联间隙避雷器额定值要高。

1)低电阻接地时

Ur≥1.1Um。

(1)

2)不接地/高电阻接地时

Ur≥(1.25～1.3)1.1Um。

(2)

3)经消弧线圈接地时

Ur≥(1.25～1.3)Um。

(3)

式中Um为系统最高工作线电压。

对于带串联间隙避雷器，由于间隙作用，在多数暂时过电压时可不动作，因此新国标GB/T 28182—2011《额定电压52 kV及以下带串联间隙避雷器》仍沿用了传统带串联间隙碳化硅避雷器额定值，即等于系统单相接地时，系统非故障相出现的最高电压值。需要指出的是该额定电压仅特指金属氧化物电阻片之间的额定电压值，通常小于无间隙避雷器额定电压值[5]。

我国中压系统传统接地方式主要为不接地系统，单相接地非故障相的电压可达到最高线电压的1.1倍，因此在沿用带串联间隙碳化硅避雷器的额定电压时，不再区分具体接地方式。

Ur≥1.1Um。

(4)

1.2 持续运行电压

持续运行电压Uc是指允许持久施加在避雷器端子间的工频电压有效值。

无间隙避雷器长期承受电网运行电压，电阻片存在劣化和热稳定的问题。为保证使用寿命，长期作用在避雷器上的电压不应超过持续运行电压。

1)低电阻接地时

(5)

2)不接地/高电阻接地时

Uc≥1.1Um。

(6)

3)经消弧线圈接地时

Uc≥Um。

(7)

带串联间隙避雷器通过间隙使电阻片与带电导体隔离，因此未将持续运行电压作为主要指标，制造厂的技术资料中通常也不标注该参数。新国标GB/T 28182—2011《额定电压52 kV及以下带串联间隙避雷器》明确要求将持续运电压作为避雷器标志之一，且通常为额定电压的0.8倍，与具体接地方式无关。通过大量试验结果来看，取值合理[5]。

Uc≥0.8Ur。

(8)

1.3 标称放电电流

标称放电电流In也称为雷电冲击电流，是指冲击波形为8/20 μs的雷电冲击电流峰值，分为20、10、5、2.5、1.5 kA这5个等级。35 kV及其以下系统有一定的设备绝缘损坏率是可以接受的。按照避雷器类型的使用条件，标称放电电流可选用5、2.5和1.5 kA这3个等级。无间隙与带串联间隙金属氧化物避雷器按标称放电电流分类的额定电压有效值对比如表1所示。

表1 金属避雷器按标称放电电流分类的额定电压对比

1.4 保护水平与绝缘配合

避雷器的保护水平是指避雷器动作后的残压或放电电压不应高于被保护设备的绝缘水平，且两者间应有一定裕度。避雷器的额定电压高，则残压也相应增加，同样的设备绝缘水平下，保护裕度就会降低。通常只要满足保护配合的绝缘系数，避雷器的额定电压可选得高一些。各制造厂的避雷器保护水平存在一定差异，因此选择与使用过程中需进行绝缘配合的校验。

1.4.1 雷电过电压保护水平

无间隙避雷器的保护水平是由金属氧化物电阻片的残压所决定，并取下列2项数值中的最高者：1)1/20 μs陡波冲击电流下最大残压除以1.15；2)8/20 μs标称放电电流下最大残压。

带串联间隙避雷器的保护水平不仅由电阻片的残压决定，而且还要由其间隙的放电电压决定，并取下列4项数值中的最高者：1)1/20 μs陡波冲击电流下最大残压除以1.15；2)8/20 μs标称放电电流下最大残压；3)雷电冲击放电电压；4)波前冲击放电电压除以1.15。

1.4.2 操作过电压保护水平

无间隙避雷器操作过电压保护水平是指波头时间为30～100 μs的操作冲击电流下最大残压。带串联间隙避雷器中，对标称放电电流为10 kA以下的避雷器未做要求。

1.4.3 配合系数

无间隙与带串联间隙避雷器的配合系数Ks均是指被保护设备的绝缘水平除以避雷器的保护水平[6]，且不低于下列数值：1)雷电过电压配合系数，1.4；2)操作过电压配合系数，1.15。

2 电气特性参数的测算与应用

本文以10 kV配电系统为例，除标称放电电流In通常选择5 kA外[7]，主要进行额定电压Ur、持续运行电压Uc、保护水平与绝缘配合的选择及校验，并结合典型推荐参数进行无间隙与带串联间隙2种类型金属氧化物避雷器的对比分析。

2.1 无间隙避雷器

对于无间隙金属氧化物避雷器，低电阻接地时，额定电压、持续运行电压理论计算值参见式(1)和(5)；不接地或高电阻接地时，持续运行电压、额定电压理论计算值参见式(2)和(6)；经消弧线圈接地时，持续运行电压、额定电压理论计算值参见式(3)和(7)。理论值与典型推荐值如表2所示。

表2 无间隙避雷器理论值与推荐值对比

表3中，低电阻接地的理论计算值与典型推荐值相差较大，主要依据是DL/T 620—1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》。参见式(9)和(10)，低电阻接地时额定电压与持续运行电压分别为12 kV和9.6 kV[8]。在DL/T 804—2002《交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则》中给出的低电阻接地时额定电压建议值为13 kV，两者之间是满足3～30 kV避雷器额定电压级差1 kV要求的[9]。

Ur≥Um；

(9)

Uc≥0.8Um。

(10)

表3 无间隙避雷器典型残压值

由表2可知，额定电压为17 kV的避雷器残压值最高。由表4所列的典型残压值及对应的10 kV开关设备雷电冲击耐受电压75 kV、短时工频耐受电压42 kV，并根据式(11)和(12)分别计算无间隙金属氧化物避雷器雷电过电压配合系数、操作过电压配合系数。由计算结果可知，雷电过电压配合系数满足绝缘配合要求，而操作过电压的保护裕度不大。相比而言，额定电压为12 kV和15 kV避雷器的配合系数均满足要求，保护裕度较大，实际使用中可综合考虑提高额定电压水平，延长避雷器使用寿命。

1) 雷电过电压配合系数为

(11)

2) 操作过电压配合系数为

(12)

2.2 带串联间隙避雷器

对于带串联间隙金属氧化物避雷器，各种接地方式的额定电压与持续运行电压是一致的，参见式(4)和(8)进行计算，理论值与典型推荐值如表4所示。

表4 带串联间隙避雷器理论值与推荐值对比

表4中，额定电压的理论计算值与典型推荐值相差较大，但两者之间也是满足3～30 kV避雷器额定电压级差1 kV要求的。

表5 带串联间隙避雷器典型残压值

根据表5所列的典型残压值、对应的10 kV开关设备雷电冲击耐受电压75 kV，计算带串联间隙金属氧化物避雷器的雷电过电压配合系数，为

(13)

可见，其结果是满足绝缘配合要求的。

3 实际案例分析与对策建议

3.1 工程案例

以某工业项目为例进行分析，该项目位于我国中部地区，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，雷击及地质灾害频发。项目中，10 kV电源来自公网不接地系统，开关柜内设置有带串联间隙金属氧化物避雷器。

项目建成后至2011年7月期间，共连续3次出现避雷器爆炸事故，3次事故均为C相爆裂：第1次事故同时引燃高压进线电缆终端；第2次事故经上级供电部门确认，线路前端出现缺相故障；第3次事故经上级供电部门确认，线路前端发生单相接地故障。除第1次外，其余2次均有事故记录，其中第2次事故中记录的带电显示器测试端子电压为A、B相70 V，C相38 V；第3次事故中记录的非故障相电压为14 kV，初步判断为线路单线接地故障引发谐振过电压，同时因避雷器内部故障或者放电电流能力偏小，造成事故发生。事故后，开关柜内改用无间隙金属氧化物避雷器，至今未再发生爆裂事故。由于无法测算判断实际动作电压及放电电流等相关参数，事故原因至今尚无明确结论。

3.2 事故分析

根据实际工程经验与相关资料统计分析表明，由于制造质量、运行及选型不当等造成的金属氧化物避雷器爆炸事故占到事故总数的60%以上，具体原因[10]可分析如下。

1)由于密封不良或漏气，使潮气或水分侵入，造成金属氧化物避雷器受潮。

2)金属氧化物避雷器额定电压Ur和持续运行电压Uc的取值偏低。

3)金属氧化物避雷器结构设计不合理，如：瓷套的干闪、湿闪电压太低；阀片方波通流容量小；固定阀片的支架绝缘性能不良等。

4)不考虑系统的接地方式，盲目选择金属氧化物造成的损坏。

5)配电系统的工作电压波动范围较宽。

6)运行操作不当，如，将中性点接地系统变为局部不接地系统，使施加到金属氧化物避雷器两端的电压大大超过其持续运行电压Uc。

7)由于阀片质量差等造成金属氧化物避雷器的加速老化。

3.3 对策建议

1)提高产品质量。高度重视金属氧化物避雷器的结构设计、密封、总装环境等决定质量的因素。

2)正确选择金属氧化物避雷器。正确选择金属氧化物避雷器是保证其可靠运行的重要因素，系统的接地方式及产生的工频过电压是选择避雷器额定电压的主要依据。

3)加强避雷器验收试验和定期预防性试验。金属氧化物避雷器的试验项目主要有测量绝缘电阻(初步了解内部是否受潮、内部熔丝是否断掉)、测量临界动作电压(检查阀片是否受潮、确定其动作性能是否符合要求)、测量直流电压下的泄漏电流(检测长期允许工作电流是否符合规定)、测量交流电压下交流泄漏电流(现场监测阀片是否老化、内部绝缘部件是否受损)。

4 结束语

1)无间隙金属氧化物避雷器结构简单、保护性能好、保护效果佳，但承受瞬时过电压的能力较弱，长期反复连续动作容易加速老化、影响寿命，且选择复杂，主要适用于110kV及以上的高电压系统。

2)带串联间隙金属氧化物避雷器由于增加了间隙，不仅可避免电阻片直接承受电网电压及瞬时过电压，有效延长了使用寿命，而且可减少电阻片数量，具有良好的技术经济性能。它选择简便，残压值低，更适宜中压系统采用。

3)在实际的工程应用中，应注意正确选择金属氧化物避雷器的额定电压和持续运行电压，并校验工频电压耐受时间特性曲线，验证避雷器耐受谐振过电压和弧光接地过电压的能力；同时，应校验避雷器的保护水平和绝缘配合，确保对电气设备的过电压绝缘的有效保护。对于中压系统，更应结合电网及系统的实际情况、运行经验等进行确定。

[1]龙世清. 推广使用串联间隙氧化锌避雷器[J]. 电工技术, 1997(1): 10-16.

[2]电力行业避雷器标准化技术委员会．DL/T 804—2002 交流电力系统金属氧化物避雷器使用导则[S]．北京：中国电力出版社，2002.

[3]全国避雷器标准化技术委员会．GB 11032—2010 交流无间隙金属氧化物避雷器[S]．北京：中国标准出版社，2011.

[4]全国避雷器标准化技术委员会．GB/T 28182—2011 额定电压52kV及以下带串联间隙避雷器[S]．北京：中国标准出版社，2012.

[5]张益民，程文怡．额定电压52kV及以下有串联间隙避雷器若干问题的探讨[J]．电磁避雷器，2011(5): 55-59.

[6]于梅花．氧化锌避雷器技术性能和选择原则[J]．江苏电器，2007(3): 36-40.

[7]王树国．石化企业中无间隙氧化锌避雷器的应用[J]．石油化工设计，2008，25(2): 58-61.

[8]电力工业部绝缘配合标准化技术委员会．DL/T 620—1997 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合[S]．北京：中国电力出版社，1997.

[9]李力，杨廷武．10kV电力系统无间隙ZnO避雷器额定电压选择[J]．建筑电气，2009，28(4): 44-46.

[10]刘梅．金属氧化物避雷器爆炸原因及对策[J]．农村电气化， 2010(2): 23-24.