在3~35kV 电力系统中
串联间隙金属氧化物避雷器的应用
刘晓强 刘慧洁
何晓风 王晓利
二00九年六月
在3~35kV 电力系统中串联间隙
金属氧化物避雷器的应用
刘晓强 刘慧洁 何晓风 王晓利
摘要：
本文从分析造成3~35kV 电力系统内部过电压的原因入手，讨论无间隙金属氧化物避雷器的局限性及串联间隙金属氧化物避雷器的可行性。
关键词：
过电压 金属氧化物避雷器 无间隙 串联间隙
引言
金属氧化物避雷器问世以来，被公认为是当代最理想的过电压保护装置。由于氧化锌材料具有十分有意的非线性伏安特性，因而可以设计成无间隙避雷器，这就使得这种避雷器的结构轻便、简捷，同时又避免了传统的碳化硅避雷器因为内部平板火花间隙而存在的放电电压分散性的弊病，因此，无间隙金属氧化物避雷器得到了迅速的推广。
通过了理论分析并经运行实践证明，在3~35kV 中性点非直接接地的电力系统中，无间隙金属氧化物避雷器的应用遇到了挑战，常因耐受不了内部过电压而发生运行事故，而在我国3~35kV 电力系统，基本上是中性点非直接接地的电力系统，为此，如何应对这一挑战就摆到我们的面前。
一、3~35kV 中性点非直接接地的电力系统内部过电压分析
1、线路投、切过电压
三相无载供电线路，在进行投入与切断操作中，由于三相断路器动、静触头的非同期性，可能造成系统中性点电位位移，而造成过电压。
2、系统单相接地过电压
在我国现行规程中允许中性点非直接接地系统出现单相接地时运行一段时间，此时，另两相（非接地相）的相电压，将升高至线电压（升高1.73倍）
3、线路甩负荷引起电压升高
当长线路断路器跳闸，由于线路电感与电容参数的效应，也可使线路工频电压升高。
4、弧光接地过电压
当线路发生单相弧光接地，出现对地的多次起弧或熄弧重复交替时，可引起另两相对地电容的振荡，导致弧光接地过电压。
5、谐振过电压
谐振过电压是中性点非接地系统出现最多的过电压。引起谐振过电压的因素也比较多，如铁磁谐振过电压，电容效应引起的线性谐振，又如激发、自保持、翻相、谐波等非线性谐振；断线谐振；参数谐振过电压等。
二、从无间隙金属氧化物避雷器参数分析验证其能否适应系统内部过电压的要求
以YH5WS-17/50型金属氧化物避雷器为例：
1、YH5WS-17/50型避雷器参数
避雷器额定电压 17kV（有效值）
避雷器持续运行电压 13.6kV（有效值）
直流参考电压（不小于） 25kV
操作冲击残压 42.5kV（峰值）
雷电冲击残压 50kV（峰值）
陡坡冲击残压 57.5 kV（峰值）
通流容量(2mS/18次） 100A
(4/10μ/S2次) 65kA
0.75U1mA 下泄露电流（不大于） 50μA
2、10KV 中性点非直接接地系统参数分析
系统标称电压（Ue ） 10kV
系统最高电压（Um ） Um=（1.1~1.2）Ue 11~12kV
系统最大运行电压（Uo ） Uo=（1.05~1.1）Ue 10.5~11kV
系统内部过电压：以发生比较频繁，过电压比较严峻的弧光接地过电压为例。 弧光接地过电压，非弧光接地相对地电压可达到相电压的3.5倍。
Ug=3.5×U0/1.73 Ug：22kV
3、从避雷器的参数分析看其对10kV 中性点非直接接地系统的适应性。
从系统安全运行的要求应保证避雷器的参数：
避雷器持续运行电压应满足：
Uc=1.1Um=13.2kV
而YH5WS-17/50型避雷器的持续运行电压为13.6kV 可以满足要求。
避雷器的额定电压应达到：
Ur=12.5Uc=1.25×1.1Um=16.5kV
YH5WS17/50型避雷器的额定电压为17kV 可以保证系统要求。
当系统发生单相接地事故时，避雷器仍能满足系统要求。YH5WS 型无间隙金属氧化物避雷器能够满足中性点非接地系统正常运行条件下，及按线电压选择的避雷器在单相接地事故时的参数要求。
但是，当系统中出现内部过电压事故时，如弧光接地事故等，则该避雷器满足不了系统要求。
因此在3~35kV 中性点直接接地的电力系统中，无间隙金属氧化物避雷器常因耐受不住电力系统中出现的诸如弧光接地等谐振过电压而致使其损坏。因而有人建议在3~35kV 中性点非直接接地系统不主张使用无间隙金属氧化物避雷器。
在此背景下，一个新型的避雷器产品便应运而生。
三、串联间隙金属氧化物避雷器
串联间隙金属氧化物避雷器，就是在一个无间隙金属氧化物避雷器本体上，再串联一个间隙而构成。这个串联间隙起什么作用呢？在传统的碳化硅避雷器中串联间隙有绝缘、放电和灭弧三个作用，而金属氧化物避雷器由于氧化锌材料具有优良的非线性伏安特性，可以合理的选择电阻片参数限制工频续流而不需要间隙灭弧，此时间隙具有两大作用：绝缘、放电。这两个作用决定了间隙结构的选择。
1、串联间隙的结构形成
采用外部单间隙结构，电极形状为球面，以空气为绝缘介质，以三支绝缘柱支撑间隙电极材质为低熔合金。
2、串联间隙避雷器主要参数
名称：自动脱离式有串联间隙金属氧化物避雷器
型号:YH5CSX-17/38型
避雷器额定电压： 17kV（有效值）
避雷器持续运行电压 13.6kV（有效值）
工频放电电压： 26~31kV （有效值）
1.2/50μs 冲击放电电压： 50kV（峰值）
106kV/μs 波前冲击放电电压： 53.1~55.7kV （峰值）
雷电冲击残压（8/20μs ）： ≤38kV （峰值）
冲击电流耐受（8/20μs 20次） 5kA
方波电流耐受（2ms 18次） 100A
大电流冲击耐受（4/10μs 2次） 65kA
泄漏电流（15kV ） ≤50μA
3、串联间隙金属氧化物避雷器的特点
3.1由于有串联间隙的存在，在系统正常工作电压下，间隙隔离了系统电压，阻止电流流过避雷器，无续流解决了电阻片老化问题，延长了避雷器的使用寿命，减少事故发生。
3.2当系统产生过电压并超过放电电压值时，间隙放电，电阻片呈现低阻状态，由于电阻片的参数选择比无间隙避雷器的残压低，所以保护性能好，增大了被保护范围。
3.3该避雷器的工频放电电压（26~31kV ）高于系统弧光接地时的过电压（22kV ），可以耐受该过电压，可以可靠的在中性点非直接接地系统工作。
3.4该避雷器间隙为低熔点合金制造，当避雷器一旦出现损坏情况时，该间隙可以安全、可靠的使避雷器与系统脱离，系统可照常安全运行。
3.5该大球面放电间隙可方便的调整避雷器的放电电压值，并且电极表面电位分布均匀合理。
3.6该避雷器在参数上可兼顾配电型与线路避雷器的要求可以做到多功能，在结构上可当支持绝缘子使用，可一物两用。
结语
根据上述分析，我们认为有串联间隙的金属氧化物避雷器是3~35kV （特别是 10kV ）中性点非直接接地系统中最理想的过电压保护电器。
作者简介
刘晓强：男，1973年6月出生，辽宁华隆电力科技有限公司总经理，本科文化，高级工程师，从事电器制造企业管理。
刘慧洁：女，1987年5月出生，辽宁华隆电力科技有限公司副总经理，大专文化，工程师，从事电器制造企业管理、设计。
何晓风：男，1976年3月出生，辽宁华隆电力科技有限公司经理，大专文化，从事电力设备销售管理和推广工作。
王晓利：男，1980年4月出生，辽宁华隆电力科技有限公司经理，大专文化，从事电力设备制造工作。
在3~35kV 电力系统中
串联间隙金属氧化物避雷器的应用
刘晓强 刘慧洁
何晓风 王晓利
二00九年六月
在3~35kV 电力系统中串联间隙
金属氧化物避雷器的应用
刘晓强 刘慧洁 何晓风 王晓利
摘要：
本文从分析造成3~35kV 电力系统内部过电压的原因入手，讨论无间隙金属氧化物避雷器的局限性及串联间隙金属氧化物避雷器的可行性。
关键词：
过电压 金属氧化物避雷器 无间隙 串联间隙
引言
金属氧化物避雷器问世以来，被公认为是当代最理想的过电压保护装置。由于氧化锌材料具有十分有意的非线性伏安特性，因而可以设计成无间隙避雷器，这就使得这种避雷器的结构轻便、简捷，同时又避免了传统的碳化硅避雷器因为内部平板火花间隙而存在的放电电压分散性的弊病，因此，无间隙金属氧化物避雷器得到了迅速的推广。
通过了理论分析并经运行实践证明，在3~35kV 中性点非直接接地的电力系统中，无间隙金属氧化物避雷器的应用遇到了挑战，常因耐受不了内部过电压而发生运行事故，而在我国3~35kV 电力系统，基本上是中性点非直接接地的电力系统，为此，如何应对这一挑战就摆到我们的面前。
一、3~35kV 中性点非直接接地的电力系统内部过电压分析
1、线路投、切过电压
三相无载供电线路，在进行投入与切断操作中，由于三相断路器动、静触头的非同期性，可能造成系统中性点电位位移，而造成过电压。
2、系统单相接地过电压
在我国现行规程中允许中性点非直接接地系统出现单相接地时运行一段时间，此时，另两相（非接地相）的相电压，将升高至线电压（升高1.73倍）
3、线路甩负荷引起电压升高
当长线路断路器跳闸，由于线路电感与电容参数的效应，也可使线路工频电压升高。
4、弧光接地过电压
当线路发生单相弧光接地，出现对地的多次起弧或熄弧重复交替时，可引起另两相对地电容的振荡，导致弧光接地过电压。
5、谐振过电压
谐振过电压是中性点非接地系统出现最多的过电压。引起谐振过电压的因素也比较多，如铁磁谐振过电压，电容效应引起的线性谐振，又如激发、自保持、翻相、谐波等非线性谐振；断线谐振；参数谐振过电压等。
二、从无间隙金属氧化物避雷器参数分析验证其能否适应系统内部过电压的要求
以YH5WS-17/50型金属氧化物避雷器为例：
1、YH5WS-17/50型避雷器参数
避雷器额定电压 17kV（有效值）
避雷器持续运行电压 13.6kV（有效值）
直流参考电压（不小于） 25kV
操作冲击残压 42.5kV（峰值）
雷电冲击残压 50kV（峰值）
陡坡冲击残压 57.5 kV（峰值）
通流容量(2mS/18次） 100A
(4/10μ/S2次) 65kA
0.75U1mA 下泄露电流（不大于） 50μA
2、10KV 中性点非直接接地系统参数分析
系统标称电压（Ue ） 10kV
系统最高电压（Um ） Um=（1.1~1.2）Ue 11~12kV
系统最大运行电压（Uo ） Uo=（1.05~1.1）Ue 10.5~11kV
系统内部过电压：以发生比较频繁，过电压比较严峻的弧光接地过电压为例。 弧光接地过电压，非弧光接地相对地电压可达到相电压的3.5倍。
Ug=3.5×U0/1.73 Ug：22kV
3、从避雷器的参数分析看其对10kV 中性点非直接接地系统的适应性。
从系统安全运行的要求应保证避雷器的参数：
避雷器持续运行电压应满足：
Uc=1.1Um=13.2kV
而YH5WS-17/50型避雷器的持续运行电压为13.6kV 可以满足要求。
避雷器的额定电压应达到：
Ur=12.5Uc=1.25×1.1Um=16.5kV
YH5WS17/50型避雷器的额定电压为17kV 可以保证系统要求。
当系统发生单相接地事故时，避雷器仍能满足系统要求。YH5WS 型无间隙金属氧化物避雷器能够满足中性点非接地系统正常运行条件下，及按线电压选择的避雷器在单相接地事故时的参数要求。
但是，当系统中出现内部过电压事故时，如弧光接地事故等，则该避雷器满足不了系统要求。
因此在3~35kV 中性点直接接地的电力系统中，无间隙金属氧化物避雷器常因耐受不住电力系统中出现的诸如弧光接地等谐振过电压而致使其损坏。因而有人建议在3~35kV 中性点非直接接地系统不主张使用无间隙金属氧化物避雷器。
在此背景下，一个新型的避雷器产品便应运而生。
三、串联间隙金属氧化物避雷器
串联间隙金属氧化物避雷器，就是在一个无间隙金属氧化物避雷器本体上，再串联一个间隙而构成。这个串联间隙起什么作用呢？在传统的碳化硅避雷器中串联间隙有绝缘、放电和灭弧三个作用，而金属氧化物避雷器由于氧化锌材料具有优良的非线性伏安特性，可以合理的选择电阻片参数限制工频续流而不需要间隙灭弧，此时间隙具有两大作用：绝缘、放电。这两个作用决定了间隙结构的选择。
1、串联间隙的结构形成
采用外部单间隙结构，电极形状为球面，以空气为绝缘介质，以三支绝缘柱支撑间隙电极材质为低熔合金。
2、串联间隙避雷器主要参数
名称：自动脱离式有串联间隙金属氧化物避雷器
型号:YH5CSX-17/38型
避雷器额定电压： 17kV（有效值）
避雷器持续运行电压 13.6kV（有效值）
工频放电电压： 26~31kV （有效值）
1.2/50μs 冲击放电电压： 50kV（峰值）
106kV/μs 波前冲击放电电压： 53.1~55.7kV （峰值）
雷电冲击残压（8/20μs ）： ≤38kV （峰值）
冲击电流耐受（8/20μs 20次） 5kA
方波电流耐受（2ms 18次） 100A
大电流冲击耐受（4/10μs 2次） 65kA
泄漏电流（15kV ） ≤50μA
3、串联间隙金属氧化物避雷器的特点
3.1由于有串联间隙的存在，在系统正常工作电压下，间隙隔离了系统电压，阻止电流流过避雷器，无续流解决了电阻片老化问题，延长了避雷器的使用寿命，减少事故发生。
3.2当系统产生过电压并超过放电电压值时，间隙放电，电阻片呈现低阻状态，由于电阻片的参数选择比无间隙避雷器的残压低，所以保护性能好，增大了被保护范围。
3.3该避雷器的工频放电电压（26~31kV ）高于系统弧光接地时的过电压（22kV ），可以耐受该过电压，可以可靠的在中性点非直接接地系统工作。
3.4该避雷器间隙为低熔点合金制造，当避雷器一旦出现损坏情况时，该间隙可以安全、可靠的使避雷器与系统脱离，系统可照常安全运行。
3.5该大球面放电间隙可方便的调整避雷器的放电电压值，并且电极表面电位分布均匀合理。
3.6该避雷器在参数上可兼顾配电型与线路避雷器的要求可以做到多功能，在结构上可当支持绝缘子使用，可一物两用。
结语
根据上述分析，我们认为有串联间隙的金属氧化物避雷器是3~35kV （特别是 10kV ）中性点非直接接地系统中最理想的过电压保护电器。
作者简介
刘晓强：男，1973年6月出生，辽宁华隆电力科技有限公司总经理，本科文化，高级工程师，从事电器制造企业管理。
刘慧洁：女，1987年5月出生，辽宁华隆电力科技有限公司副总经理，大专文化，工程师，从事电器制造企业管理、设计。
何晓风：男，1976年3月出生，辽宁华隆电力科技有限公司经理，大专文化，从事电力设备销售管理和推广工作。
王晓利：男，1980年4月出生，辽宁华隆电力科技有限公司经理，大专文化，从事电力设备制造工作。