组合式过电压保护器的维护和故障预防

田俊，吴勇，袁军芳

（马鞍山钢铁股份有限公司第一能源总厂，安徽马鞍山243000）

组合式过电压保护器的维护和故障预防

田俊，吴勇，袁军芳

（马鞍山钢铁股份有限公司第一能源总厂，安徽马鞍山243000）

总结了马钢供电系统运行组合式过电压保护器的运行情况与经验，提出了运行中过电压保护器的维护和故障预防的措施和方法。

组合式过电压保护器；运行维护；故障预防

1 引言

随着冶金供电系统的不断发展，对断路器的性能要求也越来越高。由于真空断路器具有结构简单、寿命长、维护工作量小、运行费用低等许多优点，在冶金供电系统中被广泛应用。但真空断路器灭弧能力极强，在关合、开断电动机和变压器等感性负载时，容易产生截流过电压、多次重燃过电压以及三相同时断开过电压，从而造成系统中运行设备的损坏。为确保真空断路器操作时电气设备安全运行，必须安装操作过电压保护装置。

组合式过电压保护器在马钢主要应用于6～10 kV供电网络中，用来限制真空断路器操作过电压和供电系统中可能出现的其他暂态过电压，有效地保护系统中运行的电动机、变压器和电缆等电力设备绝缘不受损害，对相间和相对地的过电压起到可靠的限制作用，同时兼有防雷功能。

2 组合式过电压保护器的工作原理

马钢供电系统中应用多种有串联间隙和无间隙组合式过电压保护器，它们在相间和相地之间都连接有氧化锌阀片或带有间隙，这种组合式过电压保护装置对相间过电压有较好的保护作用，特别适用于保护相间绝缘水平较低的旋转电机设备。组合式过电压保护器由于采用复合绝缘结构，整体小巧紧凑，特别适合中压开关柜配套使用，因此在马钢得到广泛应用。

2.1 带串联间隙组合式过电压保护器结构及其特点

带串联间隙组合式过电压保护器由特殊间隙体和氧化锌阀片组成，制造厂家的设计方案不同，采用的间隙结构也不同，间隙主要有四间隙、三间隙等，同时间隙又分为有并联电阻和无并联电阻两种，目前运行的主流产品为无并联电阻的内部串联间隙组合式过电压保护器，约占总量的95%以上。串联的间隙不同其技术特点也不一样。

2.1.1四间隙星形接法组合式过电压保护器

由四个完全相同的保护单元组成过电压保护器，每个单元都有放电间隙和氧化锌电阻片串联构成，俗称三叉戟式过电压保护器。其原理接线图如图1所示。

图1 星形接法四间隙过电压保护器

四间隙接法组合式过电压保护器采用氧化锌和放电间隙相结合的方式使氧化锌阀片得到保护。放电间隙使氧化锌阀片的荷电率为零，氧化锌阀片优异的非线性又使放电间隙动作后立即熄弧、无截流、无续流，放电间隙不再承担灭弧任务，冲击系数可以达到1，放电电压值不随放电波形变化而变化，因而使用寿命得到提高。该接线方式可将相间过电压大幅度降低，与常规的MOA相比，相间过电压下降60%～70%。在单相接地、间隙性弧光接地和谐振过电压下可长期安全运行。由于相相、相地都是双间隙，每个间隙承担1/2工频放电电压，在正常情况下中心点电位是“零”，但由于对地存在寄生电容，寄生电容的存在会使实际放电值出现不稳定。

2.1.2三间隙星形接法组合式过电压保护器

由三个间隙和四个单元组成过电压保护器，其接线原理图见图2所示。

其结构与四间隙不同点主要是取消了接地保护单元间隙，相地保护采用单间隙，接地保护单元由纯电阻性材料组成，在中心点受寄生电容和杂散电容等外界因素影响相对较小。相相过电压时由相间保护单元和接地保护单元共同完成，相相过电压也是由两个间隙来承担。通过接地保护单元的调整可以使相相、相地工频放电电压做成一样。

图2 三间隙星形接法过电压保护器

2.2 无间隙组合式过电压保护器结构及其特点

三相组合式无间隙过电压保护器是由性能优越的非线性氧化锌为主的电阻片经特殊工艺封装于硅胶套内而组成。由于氧化锌电阻片具有良好的非线性伏安特性，当系统出现过电压时氧化锌电阻片呈现低电阻，使保护器残压被限制在设备允许值下，从而有效地保护了供电系统设备。而保护器在系统正常运行电压下它呈现高电阻，几乎接近绝缘状态，使系统与地绝缘。

无间隙氧化锌组合式过电压保护器是一种较先进的过电压保护设备，与传统的碳化硅避雷器相比，在保护特性、通断能力和抗污秽等方面均有优异的特性，其氧化锌电阻片的非线性性能极其优异，使其在正常工作下接近绝缘状态。

缺点是它保护残压较高，无法满足在操作过电压下频繁动作的要求，存在工频老化和承受荷电率和热平衡条件的限制，这对于保护绝缘耐压水平较低的电动机类设备来说还存在不足。

3 马钢组合式过电压保护器运行现状

由于组合式过电压保护器非线性伏安特性、低残压、无工频续流、反应速度快等优点，在马钢供电系统各种电压等级得到了广泛的应用。但组合式过电压保护器要长期工作在运行电压下,并多次承受各种过电压的冲击,以及长期运行过程中因组合式过电压保护器阀片受潮、老化等原因使整体性能逐渐下降,从而造成高故障率也是不争的事实。马钢自2000年开始大量使用组合式过电压保护器，使用的组合式过电压保护器生产厂家众多，近年来由于产品质量和使用维护等原因，每年都有因为组合式过电压保护器故障造成电网停电事故的发生，因此,为保证组合式过电压保护器在良好的状态性能下工作,确保电网安全运行，对其进行故障预测也显得格外重要。

通过对组合式过电压保护器故障的分析，造成事故的主要原因有以下几个方面：

（1）组合式过电压保护器本身质量原因

主要是设计不合理，制造存在缺陷，内部绝缘部件爬距不够，构架耐压和散热性能不能满足要求，氧化锌阀片材质不良或方波通流容量小，运行中工频续流逐渐增大，长时间通过续流烧毁引起。

（2）氧化锌电阻片的质量问题

氧化锌电阻片是组合式过电压保护器的核心元件，其性能直接影响到组合式过电压保护器的水平。目前国内生产氧化锌电阻片的厂家多，产量大，但是部分产品档次低，生产工艺落后，检验手段不全，阀片个体之间的性能差异大，直接表现在阀片通流容量小，动、静老化快，运行几年后，泄漏电流明显增大，氧化锌阀片温度升高，一旦产生恶性循环，氧化锌阀片将会发生热崩溃而炸裂。

（3）组合式过电压保护器密封问题

组合式过电压保护器密封不好，主要是生产厂采用的密封技术不完善.或采用的密封材料抗老化性能差，经常长时间运行后出现密封老化导致。在温差变化较大、运行环境潮湿和运行时间达到6～8年后，由于其密封不良而使潮气浸入，引起泄漏电流增大，造成内部绝缘降低，加速了氧化锌阀片的劣化而引起爆炸。

（4）75%直流参考电压下的泄漏电流大或直流l mA的参考电压降低

平时预防性试验中，部分组合式过电压保护器在工频放电和耐压试验后绝缘电阻下降明显，这主要是阀片受潮，绝缘爬距不够或材质不良，表面污秽严重等原因。这也是造成故障的主要原因。

（5）系统接地时过电压的影响

在中性点不接地系统中发生单相接地时，非故障相对地电压升高到线电压，此时过电压保护器所承受的电压虽小于工频放电电压，但在持续时间较长的过电压作用下，一旦出现间隙性弧光接地过电压和谐振过电压超过保护器热平衡能量，是过电压保护器发生热崩溃，并产生高能量，导致过电压保护器发生爆炸，进而引起系统故障范围扩大。

（6）使用维护的影响

过电压保护器表面在现场安装中被磕碰，手提引线导致引线松动，使泄漏电流增大出现发热等原因引起。并且引线松动还会使部分组合式过电压保护器失去防护功能。

4 组合式过电压保护器的维护和故障预防

4.1 组合式过电压保护器的预防性试验

按照电力设备预防性试验规程的要求，在组合式过电压保护器投运之前，应进行试验及定期检测。试验进行3次，在“相对相”间及“相对地”间进行，并求其平均值。每两次试验的时间间隙不小于10 s。试验时可在试验变压器旁边串联一只10 A以上的电流表，观察电流值，当电流发生突变时，表明试品已放电，此刻的电压值即为工频放电电压值。若现场有条件，可通过高压测试仪直接读取脉冲电压值。每年应做一次工频放电试验的常规检测。

学校作为精神文明建设的主阵地、应以课堂教学为载体，积极构建和谐师生关系，努力提高全体学生的思想道德素质。有效的课堂管理更是小学教师义不容辞的责任。

电力设备预防性试验规程规定：35 kV及以下的MOA避雷器用2500 V兆欧表测量，其绝缘电阻不低于1000 MΩ。

对无间隙过电压保护器还要测量1 mA(直流)时的临界动作电压U1mA和75%U1mA直流下的泄漏电流，测量的U1mA主要是检查其阀片是否受潮，确定其动作性能是否符合要求。U1mA实测值与初始值或制造值相比，其变化不应大于5%，U1mA过高使保护电气设备的绝缘裕度降低，U1mA过低使过电压保护器在各种操作和故障的瞬态过电压下发生爆炸，测量75%U1mA下的直流泄漏电流，主要检测长期允许工作电流的变化情况。规程规定，75%U1mA下的泄漏电流不大于50 μA。

4.2 组合式过电压保护器在线监测

对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，作出设备有无故障及故障属性，以及出现位置和严重程度的诊断判别。

马钢供电系统在对某分厂运行的550余组过电压保护器的红外成像测试发现温差过大的有40余组。以某变电所组合式过电压保护器为例，通过红外测温拍得图3，从图3发现,该组合式过电压保护器受潮后的红外成像图相间及不同部位温差较大，最大温度38.9℃，平均温度34.7℃，最小温度28.8℃。

图3 红外测试有问题的过电压保护器

由于发现及时,成功地避免了一次组合式过电压保护器爆炸事故。通过更换下来的组合式过电压保护器解剖证明了红外成像的测试，见图4和图5。

图4 解剖后受潮的氧化锌阀片

图5 解剖后受潮的间隙元件

5 预防过电压保护器事故的措施

5.1 设计选型

在设计选型上，应首选有多年稳定运行经验的产品，选择有先进的工艺设备和完善的检测手段的制造厂家产品，这样才能保证所选用的组合式过电压保护器产品本身具有高的抗老化、耐冲击性能。在选用组合式过电压保护器时，首先要了解被选产品结构特点、氧化锌电阻片和间隙的产品质量、整体的绝缘性能和密封性能，特别是氧化锌电阻片一定要选择国内知名品牌厂家，选择的组合式过电压保护器性能指标一定要符合ZBK49005-90《交流有串联间隙金属氧化物避雷器》的规定，满足DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准的要求。

组合式有间隙过电压保护器由于引入串联间隙，进一步降低了保护残压，提高了工作性能，并解决了相极荷电率偏高问题，安全水平和保护性能均比较理想，但在日常维护和预防性试验过程中，缺乏必要的手段检测（预防性试验时只能做间隙击穿试验），无法判断氧化锌阀片的好坏，给正常运行留下安全隐患。

5.2 加强在线监测

优先采用带有在线监测仪的组合式过电压保护器，并定期对在线监测仪进行检查，特别是对雷雨后和易发生故障的部位（有电弧炉负荷的母线段、过电压保护器寿命已到后期）增加巡检次数。按照组合式过电压保护器运行规程要求定期对过电压保护器进行各项电气性能试验。

红外成像技术检测过电压保护器为新型在线监测手段，特别是对有间隙组合式过电压保护器，在目前没有检测手段前提下是一种好的方法，但目前没有具体判断好坏的标准，需要积累经验、加以总结。为方便运行中进行红外成像诊断，建议在开关柜后门加装观察窗。

5.3 谐波治理

由于谐波对组合式过电压保护器的使用寿命影响较大，在供电网络中要加强电网谐波的治理力度，要对谐波源进行综合治理，在有谐波源的母线段增设滤波装置，以使供电网络的谐波值控制在国家标准允许范围内。

5.4 技术管理

加强对组合式过电压保护器的技术管理工作，即对运行的每一只组合式过电压保护器建立完善的技术档案，对出厂报告、预防性试验报告及在线监测仪的运行记录都要存入档案，直至该组合式过电压保护器退出运行。

由于组合式过电压保护器出现故障时事故级别高，事故损失大，通过马钢供电系统长期运行经验，建议对运行时间超过8年以上的组合式过电压保护器进行更换。

5.5 采用带脱离器的过电压保护器

针对组合式有间隙过电压保护器不能预防性试验的问题，建议采用带脱离器的组合式过电压保护器，自脱离式过电压保护器为近几年应用的新产品，其现场应用的好坏要靠时间来考验。

马钢多年运行经验表明，组合式过电压保护器损坏的原因有接地时暂态过电压，受潮、污闪和本身质量等，但仍有部分过电压保护器损坏原因不明，又因组合式过电压保护器劣化速度的离散性，及雷电、操作过电压、谐波和运行环境等的随机性，都决定着组合式过电压保护器的运行质量，所以要在长期的运行实践中去研究、实验、探索和总结，以使过电压保护器的不安全因素能得到预防和完善。

6 结束语

组合式过电压保护器采用复合绝缘结构，相间残压水平较低，对相间、相地都有比较好的保护作用。特别是对开关柜内受安装尺寸影响的场所，相对单体式避雷器来说，结构更为紧凑，其优越性更为突出，非常适合中置式开关柜内使用。目前使用的组合式过电压保护器各生产厂家制造工艺水平存在差异，运行稳定性还有待进一步完善，因此在选用时首先是注重产品质量，然后根据使用的电压等级，结构特征，保护对象和使用场所来进行选择，在运行过程中通过预防性试验和红外成像在线检测的综合使用来保证其在寿命周期内安全运行。

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

田俊（1961-），男，研究生学历，高级工程师，现从事电气管理工作。