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【摘要】对在大用电企业应用了近20年的三相组合式过电压保护器的运行现状进行了分析，指出这类“四星形”接法的组合式过电压保护器事故率高，运行风险大，火花间隙的引入导致保护性能恶化和监测检验困难，不宜继续在配电网中运行。
【关键词】过电压;断路器;间隙
1.概述
随着真空断路器在用电企业的大量使用，用于保护真空断路器操作过电压的一种新产品，“四星形”结构的三相组合式过电压保护器也被高调推荐给用户。近20年来的运行结果表明，这类产品事故率远高于单相的无间隙金属氧化物避雷器，且事故后果严重，给用户造成很大损失。从2005年左右开始，各地电力系统或行业如内蒙、湖南、四川、云南、河南、福建等纷纷下文禁用这类产品。2008年，在强制性国家标准GB/50227-2008《并联电容器装置设计规范》第4.2.8条中明确规定不得采用这种“四星形”结构的组合式过电压保护器。
本文对在实际运行中的这类产品的保护效果进行了试验验证，并对其事故率高的原因进行分析，提出对操作过电压保护的一些新思路。
2.保护效果验证
20世纪70年代后期开始使用的无间隙金属氧化物避雷器（MOA）是现代电力系统过电压保护的主导产品，已经被证明能够解决有间隙碳化硅避雷器所不能解决的问题，避雷器的保护水平不再是一个统计参数，而是可以精确给出。
三相组合式过电压保护器重新引入了火花间隙，并假设了一个前提：认为间隙的冲击系数为1，也就是很多文章上所说的“上升前沿为1.2?s的冲击电压放电值和上升前沿为5ms的工频电压放电值一致”。我们知道间隙放电过程是需要时间来完成的，所以这个假设不能成立。即使对无间隙金属氧化物避雷器而言，波头为1.2?s的冲击波和波头为8?s的冲击波下其残压也相差5～10%;根据普阀式避雷器几十年的设计制造经验，间隙的冲击系数大于1.1，具体数字和不同的间隙结构、照射条件相关。假设这么一个冲击系数为1的前提是为了这类产品设计时的绝缘配合计算，反过来说，这类产品在这么一个不成立的假设前提下进行的绝缘配合设计也是不成立的。在这类产品的参数表中，我们大量看到的是工频放电峰值等于冲击放电峰值的理想配合，例如某一型号的产品，标示的工频放电峰值大于18.1kV（有效值），操作冲击放电值小于25.6kV峰值，换算成峰值，冲击系数正好为1。至于工艺控制的分散性，间隙放电的分散性，均不考虑，显然这种设计只是一个文字游戏，是不科学的。
用8/20?s标准雷电波对这类产品进行整体测试以验证其保护水平。图1为对某35kV产品相间保护水平进行的试验结果。
图1 35kV组合式过电压保护器相间保护水平试验
从试验波形和结果可以看出，间隙放电分散性较大，分别为148kV、163kV、172kV，相对分散性达8%，冲击系数在1.2～1.35。同时可以看到，决定这类产品的保护水平的不是氧化锌非线性电阻片的残压，而是间隙的冲击放电电压，其值均大于标准要求的134kV。
相对而言，这类产品分类中的电站型产品保护水平基本能满足国家标准的要求，电机型产品保护水平合格的极少，而真正出现相间操作过电压的正是投切这些感性负载。图2是两台10kV的电机型产品的试验波形，8/20?s标准雷电波2.5kA下保护水平为45kV、44kV，远高于标准要求的小于31kV，推算到操作保护水平，也远高于电机的操作绝缘耐受。
图2 典型的电机型组合式过电压保护器保护水平试验
3.事故原因分析
国外对于相间过电压的保护措施是安装3只相间避雷器，和3只相地避雷器共6只独立的避雷器构成完整的相—地和相—相过电压保护，“四星形”结构的三相组合式过电压保护器在国外并不见有应用的报导。而国内则对这种由6只避雷器变形后的“四星形”结构研究较多，1987年以前就开始在钢厂有试验和试用[1]。对这种“四星形”结构的研究都限于保护器的保护效果的仿真计算、分析和研究性应用，并未进行产品化工作，大量应用和运行则是在1995年以后。
6只避雷器结构和“四星形”结构的区别，许颖教授1996年在“3～66kV交流无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压技术参数问题”[2]一文中早有描述。这两类结构的根本区别是在发生单相接地时，“四星形”结构的四个元件构成不对称的容性系统，健全相相元件承受约2/3的运行电压而不是1/2，这使得相元件的运行负荷加重，整体产品暂时过电压耐受能力（TOV）降低。要保证“四星形”结构与6只避雷器结构有相同的TOV耐受能力或额定电压，“四星形”结构的保护水平将高出30%以上。换言之，保证“四星形”结构的保护水平，则产品的运行可靠性将远低于6只单独避雷器的结构。对这种区别我们可以用一个简单的图示如图3来表述单相接地下“四星形”结构的“分压效应”。
图3 “四星形”结构在单相（C相）接地故障下的“分压效应”
“分压效应”正是这种“四星形”结构产品事故率高的根本原因，是结构和原理上的缺陷。带火花间隙的“四星形”产品也避免不了这种分压效应的影响，单相接地时相元件间隙因分压高将提前导通然后地相间隙导通。间隙的反复通断会造成更多的事故隐患，而间隙的放电分散性使得保护性能恶化，绝缘配合无法实现。
火花间隙的引入本意是保护电阻片，但从运行结果来看，并没有提高这类保护器的运行可靠性，相反由于间隙引入带来的制造工艺复杂使得这类产品事故率更高。大量的事故分析中，受潮是这类产品事故率高的另一个主要原因，几乎所有带间隙的事故产品都有不同程度的受潮现象。
而火花间隙的引入带来的另一个个严重问题，是检验和监测的困难。
4.检验和监测
所有这类带间隙产品出厂试验、验收试验和运行后的定期试验都只有工频放电试验一项。由于间隙的隔离作用，工频放电试验只是针对间隙，如果间隙出现位移或严重烧蚀工频放电值才会出现明显变化，而内部受潮对工频放电值的影响甚小，厂家给出的工频放电值合格范围也很大，–10～+20%。运行中的产品进行定期试验合格后，对产品进行解剖检验，很多已经出现明显的受潮现象，间隙电极锈蚀严重，表面有厚厚的铜绿。试验室进行受潮试验，让试品逐步人为受潮，直到内腔表面出现明显凝露情况，工频放电值仍在合格范围之内。
这与传统的带间隙碳化硅避雷器运行情况相似。碳化硅避雷器在近百年的运行中，85%以上的产品事故由受潮引起，而工频放电试验检验不出受潮情况。
“四星形”结构的带串联间隙三相组合式过电压保护器几乎都没有进行专门的密封设计，出厂试验也没有密封试验项目，因此大量的运行中的产品都有受潮的可能，给电网运行留下安全隐患。而由于没有有效的检验受潮的手段，这类产品只有在出现热崩溃时才能判断其寿命终结，为时已晚。
由于离线检验都很困难，所有这类产品的在线监测只是动作计数器，不具备状态监测功能，也很难具备状态监测功能。
5.解决问题的新思路
显然，用6只独立的无间隙金属氧化物避雷器结构不存在“四星形”结构所带来的运行可靠性降低、保护性能恶化及检验监测困难的问题，完全保持了无间隙金属氧化物避雷器的优异特性，要解决的只是小型化以便于安装。目前市场上已经有这种产品的应用，运行效果很好，典型型号是EAT六相避雷器。由于氧化锌非线性电阻片制造技术的限制，无间隙金属氧化物避雷器保护弱绝缘类设备特别是保护旋转电机的操作过电压时，保护裕度较小。这里介绍一种俄罗斯99年新运行导则里推荐的方法：将MOA并联在真空断路器触头之间。MOA并联安装在真空断路器触头之间保证了最直接限制操作过电压，而MOA本身负载也减轻，额定电压可降低10%以上，其残压也可降低10%，可同电机绝缘允许值更好配合，MOA的通流能力也可降低要求。当然这个方法的实施需要断路器生产厂家和保护器生产厂家的配合。
6.结束语
带串联间隙的三相组合式过电压保护器只是作为一种概念产品，在用户不具备检验和判断能力的情况下推进市场的，许多技术问题并没有解决。这类产品在电网大量运行近20年，事故率高，保护效果差，给用户造成很大损失，不宜继续在用户配电网中运行。
用户系统操作过电压的保护，可通过直接加装相间避雷器来完成，或在真空断路器触头之间直接并联金属氧化物避雷器。
参考文献
[1]李学思.三相组合式氧化锌避雷器[J].电瓷避雷器. 1989（1）：1-7.
【关键词】过电压;断路器;间隙
1.概述
随着真空断路器在用电企业的大量使用，用于保护真空断路器操作过电压的一种新产品，“四星形”结构的三相组合式过电压保护器也被高调推荐给用户。近20年来的运行结果表明，这类产品事故率远高于单相的无间隙金属氧化物避雷器，且事故后果严重，给用户造成很大损失。从2005年左右开始，各地电力系统或行业如内蒙、湖南、四川、云南、河南、福建等纷纷下文禁用这类产品。2008年，在强制性国家标准GB/50227-2008《并联电容器装置设计规范》第4.2.8条中明确规定不得采用这种“四星形”结构的组合式过电压保护器。
本文对在实际运行中的这类产品的保护效果进行了试验验证，并对其事故率高的原因进行分析，提出对操作过电压保护的一些新思路。
2.保护效果验证
20世纪70年代后期开始使用的无间隙金属氧化物避雷器（MOA）是现代电力系统过电压保护的主导产品，已经被证明能够解决有间隙碳化硅避雷器所不能解决的问题，避雷器的保护水平不再是一个统计参数，而是可以精确给出。
三相组合式过电压保护器重新引入了火花间隙，并假设了一个前提：认为间隙的冲击系数为1，也就是很多文章上所说的“上升前沿为1.2?s的冲击电压放电值和上升前沿为5ms的工频电压放电值一致”。我们知道间隙放电过程是需要时间来完成的，所以这个假设不能成立。即使对无间隙金属氧化物避雷器而言，波头为1.2?s的冲击波和波头为8?s的冲击波下其残压也相差5～10%;根据普阀式避雷器几十年的设计制造经验，间隙的冲击系数大于1.1，具体数字和不同的间隙结构、照射条件相关。假设这么一个冲击系数为1的前提是为了这类产品设计时的绝缘配合计算，反过来说，这类产品在这么一个不成立的假设前提下进行的绝缘配合设计也是不成立的。在这类产品的参数表中，我们大量看到的是工频放电峰值等于冲击放电峰值的理想配合，例如某一型号的产品，标示的工频放电峰值大于18.1kV（有效值），操作冲击放电值小于25.6kV峰值，换算成峰值，冲击系数正好为1。至于工艺控制的分散性，间隙放电的分散性，均不考虑，显然这种设计只是一个文字游戏，是不科学的。
用8/20?s标准雷电波对这类产品进行整体测试以验证其保护水平。图1为对某35kV产品相间保护水平进行的试验结果。
图1 35kV组合式过电压保护器相间保护水平试验
从试验波形和结果可以看出，间隙放电分散性较大，分别为148kV、163kV、172kV，相对分散性达8%，冲击系数在1.2～1.35。同时可以看到，决定这类产品的保护水平的不是氧化锌非线性电阻片的残压，而是间隙的冲击放电电压，其值均大于标准要求的134kV。
相对而言，这类产品分类中的电站型产品保护水平基本能满足国家标准的要求，电机型产品保护水平合格的极少，而真正出现相间操作过电压的正是投切这些感性负载。图2是两台10kV的电机型产品的试验波形，8/20?s标准雷电波2.5kA下保护水平为45kV、44kV，远高于标准要求的小于31kV，推算到操作保护水平，也远高于电机的操作绝缘耐受。
图2 典型的电机型组合式过电压保护器保护水平试验
3.事故原因分析
国外对于相间过电压的保护措施是安装3只相间避雷器，和3只相地避雷器共6只独立的避雷器构成完整的相—地和相—相过电压保护，“四星形”结构的三相组合式过电压保护器在国外并不见有应用的报导。而国内则对这种由6只避雷器变形后的“四星形”结构研究较多，1987年以前就开始在钢厂有试验和试用[1]。对这种“四星形”结构的研究都限于保护器的保护效果的仿真计算、分析和研究性应用，并未进行产品化工作，大量应用和运行则是在1995年以后。
6只避雷器结构和“四星形”结构的区别，许颖教授1996年在“3～66kV交流无间隙金属氧化物避雷器持续运行电压技术参数问题”[2]一文中早有描述。这两类结构的根本区别是在发生单相接地时，“四星形”结构的四个元件构成不对称的容性系统，健全相相元件承受约2/3的运行电压而不是1/2，这使得相元件的运行负荷加重，整体产品暂时过电压耐受能力（TOV）降低。要保证“四星形”结构与6只避雷器结构有相同的TOV耐受能力或额定电压，“四星形”结构的保护水平将高出30%以上。换言之，保证“四星形”结构的保护水平，则产品的运行可靠性将远低于6只单独避雷器的结构。对这种区别我们可以用一个简单的图示如图3来表述单相接地下“四星形”结构的“分压效应”。
图3 “四星形”结构在单相（C相）接地故障下的“分压效应”
“分压效应”正是这种“四星形”结构产品事故率高的根本原因，是结构和原理上的缺陷。带火花间隙的“四星形”产品也避免不了这种分压效应的影响，单相接地时相元件间隙因分压高将提前导通然后地相间隙导通。间隙的反复通断会造成更多的事故隐患，而间隙的放电分散性使得保护性能恶化，绝缘配合无法实现。
火花间隙的引入本意是保护电阻片，但从运行结果来看，并没有提高这类保护器的运行可靠性，相反由于间隙引入带来的制造工艺复杂使得这类产品事故率更高。大量的事故分析中，受潮是这类产品事故率高的另一个主要原因，几乎所有带间隙的事故产品都有不同程度的受潮现象。
而火花间隙的引入带来的另一个个严重问题，是检验和监测的困难。
4.检验和监测
所有这类带间隙产品出厂试验、验收试验和运行后的定期试验都只有工频放电试验一项。由于间隙的隔离作用，工频放电试验只是针对间隙，如果间隙出现位移或严重烧蚀工频放电值才会出现明显变化，而内部受潮对工频放电值的影响甚小，厂家给出的工频放电值合格范围也很大，–10～+20%。运行中的产品进行定期试验合格后，对产品进行解剖检验，很多已经出现明显的受潮现象，间隙电极锈蚀严重，表面有厚厚的铜绿。试验室进行受潮试验，让试品逐步人为受潮，直到内腔表面出现明显凝露情况，工频放电值仍在合格范围之内。
这与传统的带间隙碳化硅避雷器运行情况相似。碳化硅避雷器在近百年的运行中，85%以上的产品事故由受潮引起，而工频放电试验检验不出受潮情况。
“四星形”结构的带串联间隙三相组合式过电压保护器几乎都没有进行专门的密封设计，出厂试验也没有密封试验项目，因此大量的运行中的产品都有受潮的可能，给电网运行留下安全隐患。而由于没有有效的检验受潮的手段，这类产品只有在出现热崩溃时才能判断其寿命终结，为时已晚。
由于离线检验都很困难，所有这类产品的在线监测只是动作计数器，不具备状态监测功能，也很难具备状态监测功能。
5.解决问题的新思路
显然，用6只独立的无间隙金属氧化物避雷器结构不存在“四星形”结构所带来的运行可靠性降低、保护性能恶化及检验监测困难的问题，完全保持了无间隙金属氧化物避雷器的优异特性，要解决的只是小型化以便于安装。目前市场上已经有这种产品的应用，运行效果很好，典型型号是EAT六相避雷器。由于氧化锌非线性电阻片制造技术的限制，无间隙金属氧化物避雷器保护弱绝缘类设备特别是保护旋转电机的操作过电压时，保护裕度较小。这里介绍一种俄罗斯99年新运行导则里推荐的方法：将MOA并联在真空断路器触头之间。MOA并联安装在真空断路器触头之间保证了最直接限制操作过电压，而MOA本身负载也减轻，额定电压可降低10%以上，其残压也可降低10%，可同电机绝缘允许值更好配合，MOA的通流能力也可降低要求。当然这个方法的实施需要断路器生产厂家和保护器生产厂家的配合。
6.结束语
带串联间隙的三相组合式过电压保护器只是作为一种概念产品，在用户不具备检验和判断能力的情况下推进市场的，许多技术问题并没有解决。这类产品在电网大量运行近20年，事故率高，保护效果差，给用户造成很大损失，不宜继续在用户配电网中运行。
用户系统操作过电压的保护，可通过直接加装相间避雷器来完成，或在真空断路器触头之间直接并联金属氧化物避雷器。
参考文献
[1]李学思.三相组合式氧化锌避雷器[J].电瓷避雷器. 1989（1）：1-7.