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過(guò)電壓保護(hù)器又稱組合式避雷器，是最近十多年出現(xiàn)的專用于35kV以下成套柜內(nèi)，就近與真空開(kāi)關(guān)配套的過(guò)電壓限制設(shè)備。該設(shè)備以避雷器為基礎(chǔ)，但是使用條件和參數(shù)配置與常規(guī)的避雷器不同。常規(guī)避雷器多為戶外露天使用，干弧距離和爬電距離比較大，而防爆考慮比較簡(jiǎn)單。相反，主要在柜內(nèi)安裝的過(guò)電壓保護(hù)器，雖然沒(méi)有露天那么高的污穢耐受要求，但在狹小空間中的防爆能力一直是用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。
該產(chǎn)品從出現(xiàn)依始，就面臨狹小空間中的防爆安全問(wèn)題。我們知道避雷器是絕緣配合上的后備保護(hù)設(shè)備，是高幅值過(guò)電壓沖擊出現(xiàn)時(shí)的最后一道防線。絕緣配合設(shè)計(jì)的原則，是有后備設(shè)備的情況下，就可以降低其它所有電氣設(shè)備對(duì)過(guò)電壓的耐受能力，超過(guò)設(shè)備耐受能力以上的過(guò)電壓，全部交給后備保護(hù)設(shè)備來(lái)吸收。過(guò)電壓保護(hù)器核心工作原理和避雷器一樣，都是靠壓敏電阻在過(guò)電壓下阻值下降來(lái)打開(kāi)對(duì)地能量瀉放通道。瀉放能量的同時(shí)，也是壓敏電阻本身的一個(gè)吸收能量發(fā)熱過(guò)程，一旦發(fā)熱超過(guò)可以承受的范圍，就會(huì)出現(xiàn)破裂，甚至爆開(kāi)。產(chǎn)品的密封性能越理想，爆開(kāi)時(shí)候的破壞性就越強(qiáng)，嚴(yán)重的時(shí)候有可能破壞成套柜體。每年因?yàn)檫@樣原因造成的事故都有通報(bào)，犧牲性能換用普通避雷器也無(wú)法徹底避免此類事故，因?yàn)楸芾灼饕彩峭瑯釉恚瑯哟嬖诜e累發(fā)熱導(dǎo)致爆裂的隱患，而在成套柜狹小空間這樣的爆裂是很難不波及周圍設(shè)備的。
理論上，滿足設(shè)計(jì)要求的過(guò)電壓保護(hù)器，持續(xù)發(fā)熱超過(guò)承受能力的情況很難出現(xiàn)，但是實(shí)際上的過(guò)電壓出現(xiàn)情況很復(fù)雜，某次很近的落雷，系統(tǒng)意外的諧波干擾等，都可能導(dǎo)致產(chǎn)品使用壽命嚴(yán)重下降，出現(xiàn)意外的發(fā)熱爆裂。而過(guò)電壓保護(hù)器又是附近各個(gè)設(shè)備公用的后備保護(hù)元件，哪一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，都會(huì)把沖擊傳導(dǎo)到過(guò)電壓保護(hù)器上，因此制造廠一般都無(wú)法提供出具體的產(chǎn)品安全使用壽命，只能是要求用戶一定時(shí)間維護(hù)檢測(cè)一次以防止已經(jīng)老化的產(chǎn)品帶病運(yùn)行。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，最初設(shè)想采用線路用避雷器免維護(hù)的常規(guī)做法，就是串聯(lián)脫離器。脫離器是一個(gè)特殊的熔斷裝置，可以適合與避雷器串聯(lián)使用。當(dāng)避雷器被持續(xù)電流沖擊發(fā)熱的時(shí)候，脫離器及時(shí)動(dòng)作，分離為兩部分，其中一部分失去支撐，在重力作用下跌落，就可將避雷器和系統(tǒng)完全分離到足夠的安全距離，不會(huì)出現(xiàn)避雷器的爆裂事故�？墒沁@個(gè)方式對(duì)柜內(nèi)狹小空間是不適用的，因?yàn)槊撀涞牟糠趾茈y判斷會(huì)掉到什么地方，一旦掉落在不等電位的地方，就是一個(gè)短路事故；而一旦掉落部位離某相過(guò)近，又可能成為弧光接地故障源。目前實(shí)踐上依然有企業(yè)采用此方案，在產(chǎn)品外面加裝阻擋裝置，以引導(dǎo)斷裂的脫離器殘?bào)w只向某一個(gè)危害小的方向掉落。雖然理論上這個(gè)做法可行，但是需要成套柜的安裝企業(yè)嚴(yán)格按過(guò)電壓保護(hù)器這個(gè)配件的說(shuō)明書仔細(xì)布置柜內(nèi)走線方式，操作起來(lái)難度很大。
另一種常用的方案，是將過(guò)電壓保護(hù)器自帶的高壓引出電纜內(nèi)部導(dǎo)線做細(xì)，利用導(dǎo)線自身的載流量極限來(lái)切斷過(guò)大的沖擊電流，防止保護(hù)器爆裂。這個(gè)也是保護(hù)器一般會(huì)明確標(biāo)志“禁止提吊電纜”的起因，表面上很粗的電纜，內(nèi)部導(dǎo)電體做得很細(xì)，如果搬運(yùn)和安裝的時(shí)候提吊，就可能導(dǎo)致電纜斷裂。這個(gè)辦法一度很流行，因?yàn)榭梢员容^簡(jiǎn)單的進(jìn)行生產(chǎn)工藝控制，但是實(shí)踐中的效果不是很理想。細(xì)的導(dǎo)線對(duì)積累的持續(xù)小電流不敏感，反而是對(duì)瞬間的大沖擊敏感，這個(gè)工作特性與過(guò)電壓保護(hù)器的保護(hù)原則相違背。瞬間大電流出現(xiàn)時(shí)，正是需要產(chǎn)品工作的時(shí)候，此時(shí)過(guò)早熔斷，產(chǎn)品的大電流保護(hù)作用蕩然無(wú)存。而主要導(dǎo)致爆裂事故的積累老化情況，由于是持續(xù)的小電流，導(dǎo)線不敏感不熔斷，無(wú)法真的自動(dòng)分離已經(jīng)劣化的過(guò)電壓保護(hù)器，無(wú)法真的解決問(wèn)題。
上述脫離模式這兩年有了改進(jìn)型，在產(chǎn)品三相高壓絕緣線下端直接安裝帶滅弧材料銅絲，把熔斷部分和保護(hù)器的閥片直接做到一起，而將放電間隙安裝在過(guò)去比較空的絕緣底座中。這樣的做法有一些優(yōu)點(diǎn)，比如可以減少安裝搬運(yùn)時(shí)電纜意外斷裂的情況，可以在具有熔斷功能的前提下不增加產(chǎn)品高度有利安裝。但是從核心上說(shuō)，這個(gè)做法依然無(wú)法避免熔斷體工作特性與過(guò)電壓保護(hù)器保護(hù)原則違背的難題，積累老化出現(xiàn)的時(shí)候不熔斷，在瞬間大電流沖擊需要保護(hù)的時(shí)候熔斷。這樣既犧牲了產(chǎn)品性能，又沒(méi)有根本解決爆裂問(wèn)題。而且在有了這種熔斷體改進(jìn)后，部分廠家傾向把閥片做小，認(rèn)為不再需要那么大的通流容量，我們認(rèn)為這是不妥的，最終只會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)極端。要么熔斷體細(xì)到一有電流就熔斷，產(chǎn)品根本不起保護(hù)作用；要么熔斷體持續(xù)小電流下依然不熔斷，而閥片通流能力又做小了，依然會(huì)爆裂。不過(guò)由于閥片小了很多，就算爆裂威力也會(huì)小一些，對(duì)成套柜的安全也是有一定積極意義的。
我公司技術(shù)部總結(jié)多年過(guò)電壓保護(hù)類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合戶外脫離器的運(yùn)行反饋，對(duì)柜內(nèi)過(guò)電壓保護(hù)器的脫離裝置做了如下改型。不在三相絕緣線下部安裝熔斷體，改在底座放電間隙旁邊并聯(lián)電阻器，同時(shí)在放電間隙電極上串聯(lián)熱爆管，熱爆管發(fā)熱達(dá)到一定程度爆開(kāi)脫離。
放電間隙的距離計(jì)算取0.5～3 mm，在確定放電間隙的距離值后，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控電極與熱爆管間的熱傳遞量，從而實(shí)現(xiàn)脫離裝置耐受特性與動(dòng)作特性間的統(tǒng)一。
脫離裝置動(dòng)作的起始工頻電流值設(shè)定為0.5~1A。保護(hù)器在持續(xù)運(yùn)行電壓作用下，若流過(guò)閥片的工頻電流達(dá)數(shù)十毫安時(shí)，就開(kāi)始了其不可逆轉(zhuǎn)的老化，達(dá)到數(shù)百毫安時(shí)，老化速度明顯加快。因此設(shè)置電流略大于此范圍，可以在閥片熱崩潰以前脫離防止閥片爆裂。
為使脫離器能在0.5 A工頻故障電流下可靠動(dòng)作，電阻器的阻值設(shè)定為1.5kΩ。小的工頻故障電流不擊穿間隙，全部流經(jīng)電阻器，由電阻器作為熱源來(lái)加熱熱爆管，實(shí)現(xiàn)在小工頻故障電流下的可靠動(dòng)作；而大的工頻故障電流在電阻器上的壓降則使放電間隙擊穿放電，由間隙作為熱源使熱爆管升溫，從而也能在持續(xù)大電流下迅速動(dòng)作。另一方面，需要保護(hù)器起作用的雷電及操作沖擊電流，在電阻器上的作用時(shí)間過(guò)短，發(fā)熱量小，尚不足以使脫離裝置動(dòng)作。
由于是柜內(nèi)使用，脫離后沒(méi)有比較大的分離空間，所以采用彈簧預(yù)壓緊方式，使脫離體盡可能分離并自動(dòng)注入滅弧材料，試驗(yàn)中完全可以滿足10kV及以下的電力絕緣要求。35kV產(chǎn)品目前還在脫離后的安全絕緣距離上進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)方案已進(jìn)入試驗(yàn)階段。
脫離裝置的動(dòng)作安秒特性與戶外避雷器脫離器相似，可比較有效的實(shí)現(xiàn)少維護(hù)，防止破壞柜內(nèi)設(shè)備的目的。這個(gè)做法也不犧牲保護(hù)器閥片通流能力，可以依據(jù)通流能力設(shè)計(jì)熔斷電流，實(shí)現(xiàn)比較重要場(chǎng)所安裝大容量保護(hù)器進(jìn)行有效過(guò)電壓保護(hù)，不再采用搞個(gè)小直徑閥片對(duì)付一下的思路。
最后，有些成套柜生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)安裝經(jīng)驗(yàn)，采用降低成套柜高壓側(cè)密封性能，增加排氣孔減少爆裂威力的辦法，實(shí)踐證明是有一定效果的，建議繼續(xù)采用。通過(guò)這些手段，我們有理由相信，今后柜內(nèi)過(guò)電壓類設(shè)備的爆裂危害將基本上根除。
參考文獻(xiàn)
1、DL/T 620—1997, 交流電氣裝置的過(guò)電壓和絕緣配合［S］.
2、GB 11032—2000，交流無(wú)間隙金屬氧化物避雷器［S］.
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