三相組合式金屬氧化物避雷器的運行安全問題

三相組合式金屬氧化物避雷器的運行安全問題【摘要】：在開關柜內(nèi)直接使用三相組合式金屬氧化物避雷器是不安全的，因系統(tǒng)內(nèi)總是會存在諧振過電壓，勢必導致組合式避雷器特性的快速蛻變，最終發(fā)生內(nèi)部熱擊穿，進而引發(fā)柜內(nèi)相間短路事故。因此，必須采取脫離手段，將發(fā)生熱擊穿的組合式避雷器從系統(tǒng)上解列，避免已熱擊穿的組合式避雷器引發(fā)柜內(nèi)相間短路事故，以保證系統(tǒng)的安全\一/—邁仃?！娟P鍵詞】：組合式避雷器，過電壓保護，諧振過電壓，過電壓能量，熱擊穿，相間短路，脫離，安全過電壓保護的實質過電壓保護從本質上來說，是人為地在系統(tǒng)中制造的一系列絕緣薄弱點，讓所有的過電壓能量從這些薄弱點釋放，使系統(tǒng)設備免受過電壓的侵害，實現(xiàn)過電壓保護。目前針對三相組合式避雷器已頒布了行業(yè)標準，名稱為：《交流三相組合式有串聯(lián)間隙金屬氧化物避雷器》，標準號為：JB/T10609-2006o系統(tǒng)存在的主要過電壓比較過電壓種類過電壓倍數(shù)持續(xù)時間等級過電壓能量等級發(fā)生幾率操作過電壓大于3.0倍ys級焦耳級頻繁大氣過電壓大于3.5倍ys級焦耳級較少諧振過電壓20倍以內(nèi)ms~s級百焦級以上較多2.0-2.5mss級百焦級以上較少2.5以上ms級十千焦級以卜偶爾解釋：根據(jù)“過電壓倍數(shù)欄目可以看出，系統(tǒng)內(nèi)存在過電壓，必須米用過電壓保護措施加以限制；而過電壓保護產(chǎn)品主要針對過電壓能量較小的“操作過電壓〃和“大氣過電壓〃進行保護；根據(jù)“持續(xù)時間等級’‘和“能量等級〃欄目可以看出，系統(tǒng)內(nèi)的諧振過電壓能量比操作過電壓和雷電過電壓大得多，可達到百倍乃至千倍以上，雖然發(fā)生幾率較低，但該過電壓能量對過電壓保護產(chǎn)品將造成致命的傷害。三相組合式避雷器的一種理解保護原理實質當真空斷路器分斷時，由于真空斷路器的截流效應，會產(chǎn)生較大的電流變化率，在感性負載的繞組上產(chǎn)生幅值極高的瞬時過電壓，這種過電壓作用在固體絕緣上，有積累效應，會造成不可恢復的絕緣傷害，最終造成設備絕緣擊穿；組合式避雷器主要采用氧化鋅非線性氧化鋅閥片作為主要保護元件，以并聯(lián)的方式跨接在被保護設備進線上，當過電壓出現(xiàn)后，立即響應導通，流過電流，并將過電壓鉗制在一定的電壓范圍內(nèi)，以保證設備的絕緣不受傷害；簡單的比喻，避雷器實質上就是一種大功率穩(wěn)壓管，過電壓保護過程就是避雷器在相對恒定的電壓下以較大的通過電流的形式消耗過電壓能量的過程，也是氧化鋅閥片發(fā)熱的過程。氧化鋅閥片的能量極限一般氧化鋅避雷器的熱容量大小在同一制造工藝下與其體積成正比，理論上說，熱容量越大，其承受過電壓的壽命越長。在能量極小的操作過電壓下，閥片的體積增加一倍也就是熱容量增加一倍，其操作過電壓限制的壽命可以延長10倍，一般的避雷器的操作過電壓下的壽命能達到10萬次左右；而在極限熱容量的沖擊下，壽命急劇減少到2次左右。氧化鋅閥片的能量耐受能力與其內(nèi)部陶瓷晶界結構有關，因為其特殊的晶界結構，而表現(xiàn)出半導體伏安特性，小能量的沖擊，造成閥片的溫升小，對其晶界結構幾乎沒有影響，可以瞬時恢復成原來半導體特性，而大能量的沖擊，會破壞其內(nèi)部晶界結構，使其喪失半導體特性，趨向導體特性，這就是所說的特性蛻變。普通結構的避雷器的熱容量耐受以2ms-400A的通流能力來衡量，一般10kv系統(tǒng)的避雷器百毫秒級（即基本達到熱平衡態(tài)）熱容量極限為100KJ以內(nèi)，因為熱量擴散的原因，通流時間越短，其熱容量極限越小。使用三相組合式避雷器面臨的嚴重問題不可避免的系統(tǒng)諧振過電壓爾紉m氏歹'啟形i、^見土i白j/ix,xu工馬多宓團、/邛口丫又|七、多止廿刀布」七容電感的變化、PT飽和、一點弧光接地等；目前的消諧器并不能及時起到消諧作用，消諧器為了判斷電源中的諧振分量的頻譜和幅值，必須采集足夠5個工頻周期左右的數(shù)據(jù)量才能通過快速傅立葉變換（FFT）處理出結果，而避雷器早在過電壓出現(xiàn)的瞬間就投入了保護，將過電壓成分限制成平頂，而這樣的波形在消諧器中已無法正確分析，即使能分析，也是等到100ms以后，避雷器早就吸收了大部分能量。諧振過電壓出現(xiàn)是隨機的，因而組合式避雷器發(fā)生熱擊穿也是隨機的。42避雷器的熱容量（相當于同流量）問題一臺制造好的避雷器，其極限熱容量就定下來了，也就是說，是個有限量，而系統(tǒng)的諧振過電壓是伴隨著工頻電壓出現(xiàn)的，因其持續(xù)的時間和發(fā)生的幾率，其過電壓能量遠遠超過避雷器的極限熱容量，系統(tǒng)在出現(xiàn)一次或多次諧振后，就能徹底破壞避雷器；目前的閥片制造工藝可以在一定范圍內(nèi)提高避雷器的極限熱容量，即通流量可以達到800A左右，實際上相對于400A的通流量其熱容量提高了4倍，而這樣有限的提高相對于諧振過電壓能量還遠遠不足，客觀上只能稍稍延緩避雷器熱擊穿的時間，并不能避免避雷器最終發(fā)生熱擊穿的后果。43避雷器熱擊穿后的特性和后果組合式金屬氧化物避雷器，就是通常所說的氧化鋅避雷器，其擊穿后呈短路特性，必然會發(fā)生避雷器內(nèi)部相間短路故障，短路電流急劇升高，會導致避雷器引線燒斷或由于其溫度的急劇升高造成結構破裂，形成飛弧，引發(fā)柜內(nèi)相間短路事故。解決方案設想根據(jù)上述結果，對于隨機出現(xiàn)的諧振過電壓，在開關柜內(nèi)直接使用三相組合式金屬氧化物避雷器是不安全的，任何預防性測量手段都無法預測下一個諧振在何時出現(xiàn)，因此必須采取有效的脫離手段，將發(fā)生熱擊穿的避雷器從系統(tǒng)上解列，避免已損壞的避雷器引發(fā)柜內(nèi)相間短路事故，以保證系統(tǒng)的安全運行。5.1.故障設備脫離手段的常規(guī)思路從我們熟悉的PT、并聯(lián)補償電容器等設備來看，系統(tǒng)內(nèi)總是存在一種或多種工況或因其自身質量問題會導致其發(fā)生損壞和崩潰的后果，我們早就接受了這種事實，并且非常習慣地在它們前端加裝熔斷器組件，用來保證當它們崩潰后不至于造成事故擴大，這已成為設計、成套、運行等環(huán)節(jié)安全保障的一種熟悉的定式，或者是強制措施；可是，從相同的角度來看，組合式避雷器與它們的情況完全一樣，系統(tǒng)的某些工況或因其自身質量問題同樣是必然導致組合式避雷器發(fā)生崩

會引發(fā)更大的事故，按止吊邏輯推埋，我們也應該習慣組合式避雷器在系統(tǒng)上會出現(xiàn)崩潰的后果，同時也應有組合式避雷器前端加裝相應的熔斷器組件的預防手段，這才是專業(yè)行為。現(xiàn)有的避雷器配套的安全手段5.2.1.避雷器的脫離手段對照表熱爆式利用熱量積累的原理，引爆內(nèi)置爆炸點將避雷器引線炸斷彈出，達到脫離的安全手段 基本原理大空間，熱爆式利用熱量積累的原理，引爆內(nèi)置爆炸點將避雷器引線炸斷彈出，達到脫離的安全手段 基本原理大空間，大、小電流通用口外務菜適用范圍 環(huán)境要求利用小電流熱量積累原理，大空間，戶外多采用大空間，戶外多采用能，在避雷器還未造成貫穿小電流脫離脫扣器 性熱擊穿前將性能嚴重蛻變的避雷器脫離大空間，熱熔式 利用常規(guī)的熔斷器原理，將發(fā)生熱擊穿出現(xiàn)短路電流的 戶外和部分戶脫離器 避雷器脫離 大電流脫離內(nèi)、共同特點：以上有代表性的脫離手段都有一個共性：要求大空間！必要性：既然是大空間，必然戶外條件才能滿足，而戶外避雷器大都采用相對地的保護，即使發(fā)生爆炸，也只是單相問題，加上空間距離比較大，幾乎不會出現(xiàn)相間短路現(xiàn)象，因此不會造成事故擴大，一般不影響系統(tǒng)的正常運行，簡單更換避雷器即可，所以，沒有一定要安裝的必要性。人們便形成了這樣的習慣：避雷器在線路上（針對相對地保護）爆炸是一件正常的現(xiàn)象（因為避雷器老化、線路諧振等原因，且概率低），而且爆炸后果不嚴重（發(fā)生一點接地，并可自動回復，一般不發(fā)生相間短路），因此，一般避雷器沒必要采取相應的脫離手段。5.3.柜內(nèi)組合式避雷器的配套安全措施5.3.1.必要性事故級力I」高：組合式避雷器除了能P限制相對地過電壓，同時也可以P限制化間過電壓，因此，當它一旦發(fā)生崩潰，必然會引發(fā)柜內(nèi)相間短路事故，而且，后果非常嚴重，會導致設備損壞、停電停產(chǎn)，事故級別較高，直接影響企業(yè)安全生產(chǎn)指標；事故損失大:從經(jīng)濟損失來看，且不談柜內(nèi)斷路器等元器件損壞的損失，單說造成系統(tǒng)跳閘甚至越級跳閘所帶來的間接損失，有時是無法估量的。事故率逐年升高:雖然說目前柜內(nèi)發(fā)生組合式避雷器相間短路事故的幾率較低，約50起/年左右，隨著組合式避雷器數(shù)量和運行的時間的繼續(xù)增加，該事故率會呈上漲趨勢；需解決的問題脫離器件體積在保證柜內(nèi)絕緣要求的前提下必須適應目前開關柜內(nèi)的所能提供的最小安裝空間，與其相關的問題如下：問題一：脫離器件應是靜態(tài)的