常规MOA存在的主要问题-氧化锌避雷器测试仪生产商供稿
分析了中性点非有效接地系统中氧化锌避雷器存在的问题，提出一种带串联间隙、四星形接法的组合式MOA 。提高了MOA的保护特性。
1 引言
发电厂以及冶金、化工、煤炭、石油等行业中，由于高压电动机、电炉等设备起停频繁，产生严重的操作过电压。由于操作过电压特别是相间过电压幅值较高，使得厂用电系统事故频繁．造成损失。通常供电系统采用氧化锌避雷器 (以下简称MOA) 限制过电压，但实际运行情况表明，高压电动机和变压器绝缘仍发生击穿．相同闪络等事故也时有发生。这是因为：无论是无间隙的 MOA 还是带串联或并联间隙的 MOA，其接线方式多为星形接线，而操作地压主要产生在高压电动机、变压器的相与相之间。所以各种形式的MOA对于相同的绝缘不能进行很好的保护。
常规的MOA由于考虑自身的安全。其直流ImA参考电压UImA一般选值较高。从而使残压过高。这样就使得MOA过高的残压与被保护设备的绝缘水平配合不当，因此MOA 保护高压电动机对绝缘作用比较勉强。MOA 存在的另一个问题是持续运行电压选值低，仅为相电压，因而在中性点非有效接地系统中MOA在单相接地时损坏较多。这样又增加了系统的事故，如果将 MOA 的持续运行电压选为线电压，使MOA的UImA值及残压更高，达不到保护特性不能降低韵要求。
本文介绍一种带串联间隙并采用四星形接法的MOA，对相间和相地均能起到保护作用，而且自身又可安全可靠地运行。经实际运行表明，效果十分明显。
2 常规MOA存在的主要问题
MOA中氧化锌阀片的伏安特性如图l所示。在图1中，UImA为直流ImA参考电压。U100A为MOA中流过100A操作冲击电流时的残压。Uc为MOA的持续运行电压。
K1=U100A/UImA (1)
在通常情况下，制造水平较高的氧化锌电阻片的残压比K1=1.4。氧化锌电阻片的荷电率可表示为
K2=
Uc／UImA (2)
荷电率是表征ZnO阀片在某一电压下长期运行的寿命指标。如果K2=0.75．则阀片可在0.75UImA的电压下长期运行。根据IEC标准，氧化锌电阻片的寿命指标是这样确定的，将ZnO阀片置入115℃加速老化箱中．外加Uc=0.75 UImA/
的电压．测其初始漏电流Ioh。经过1000h后测其终止时漏电流I100h。如果I100h＜2Ioh，则认为该阀片在常温下、荷电率K2=0.75时可运行100年。通常制造水平高的ZnO阀片K2=0.8，而在设计及使用中一般取k2＜0.8。信息整理：www.yztpdq.com
根据国际GB11032-89，6kV系统保护电动机的MOA持续运行电压Uc=4kV。直流ImA参考电压UImA＞11.3kV。对于6kV电动机其相对地和相对之间的绝缘所能取受的过电压值为:
UR=
(2Us+1)×0.75×1.15 (3)
式中Us------系统额定电压
常规的MOA相对地100A操作冲击电流时残压可由(1)式求出，将Us=6kV，K1=1.4，UImA=11.3kV代入(3)和(1)式可以求得
UR=15.9kV，U100A=15.8kV。
通常开关截流和多次重燃时相间过电压为对地过电压的1.5倍。而开关三相同步截流时相间过电压为对地过电压的2倍。由于常规的MOA是星形接法，其相对相之间的100A操作冲击电流的残压为：
U相间=2U100A
从上面可以看出，由于U100A与UR相当，因此常规的MOA对高压电动机相对绝缘保护作用比较勉强。又由于U相间远大于U100A，所以对相与相之间绝缘则完全不能进行保护。
MOA也存在荷电率过高的问题。对于6kV系统的MOA，国家标准规定其持续运行电压为相电压的有效值，即Uc=Us×1.1
=4kV。将Uc=4kV代入荷电率公式(2)可得K2=0.5，这样的荷电率是可以长期运行的。如果发生单相接地．作用在健全相的MOA 上所承受的持续运行电压的 
倍相电压，甚至更高。此时荷电率K"2为：
K"2=
× 
Uc/UImA (5)
将Uc=4Kv，UImA=11.3kV代入上式可以得到K"r=0.95。如此高的荷电率MOA是承受不了的。因此常规的MOA必然在单相接地或谐振时产生过电压情况下损坏较多。当然，有些同志也指出，电机是不允许经常一相接地的，更不允许长时间接地运行。
根据上面的分析可以看出，常规的MOA由于其额定电压和持续运行电压选值偏低。在一些情况下不仅不能起到保护设备的作用，反而增加了电力系统的事故。如将MOA本身的安全性得到了提高到线电压，虽然 MOA 的持续运行电压Uc提高，但也大大提高了相对地和相对相的电压保护值。
以6KV为例，如果Uc选为线电压。根据上面的公式可以求出在K1=1.4、K2=0.75的情况下U100A=20kA、U相间=40kV。如此高的电压保护值根本不能保护电动机的绝缘。
3 提高MOA的保护性能
首先考虑提高ZnO阀片的制造水平来解决问题，假定将ZnO阀片的制造水平提高到目前的最高水平，即取
K1=1.27、K2=0.85。
此时保护比K则为：
K=K1/K2=U100A/
Uc (6)
由上式可求出MOA相对地100A操作冲击电流的残压幅值为：(4)U100A=
kUc (7)
相对相之间100A操作冲击电流的残压幅值可由(4)式求得。
上面已经指出．当发生单相接地时MOA上承受的持续运行电压为
倍的相电压。以
6kV系统为例，当发生单相接地时持续运行电压为U"c=
Uc=7.6kv．将U"c取代（7)式中的Uc并取ZnO阀片的最高制造水平即K=1.5，从(7)式中可得相对地之间的操作冲击电流残压为U100A=16kV．再由(4)式可求出相对相之同的残压为U相间=32kV，都超过了电机绝缘所允许的值UR=15.9kV。
由此可见，提高ZnO阀片的制造水平不能解决问题，应当改进MOA结构，充分利用ZnO的特性。信息整理：www.yztpdq.com
要改进MOA的结构，必须寻求另外的途径。带串联间隙的MOA因间隙存在，阀片无荷电率问题，不存在荷电率K2 。因而K=K1/K2不成立。因为间隙的存在仅有残压比K1的问题，残压U100A原则上可随UImA任意选取。国外生产的带串联间隙的MOA达到U100A=15kV．但其相同电压为30kV。
为了使U100A=U相间，除了加串联间隙还必须改变MOA的接线方式。即将传统的星形接法改为四星形接法，如图2所示。
图2所示是一种新型的带串联间隙的组合式氧化锌避雷器(TBP)，TBP由四个带放电间隙的氧化锌电阻单元构成，采用组合式结构并以四星形方式联接。由于TBP是对称结构，因此其中的任意三个端子都可接A、B、C三相。另一个端子接地线。采用这种特殊的结构和接线方式．使得相间过电压大为降低，提高了保护性能。现场使用情况也表明，TBP解决了用电最统中的操作过电压问题。
表1示出了TBP的主要参数。
4.1 与常规的MOA相比较
在TBP中采用间隙，使ZnO和间隙互为保护。间隙使ZnO的荷电率为零。不存在老化问题。ZnO良好的非线性伏安特性又使间隙放电后无截波、无续流，间隙不再承担灭弧任务，提高了其寿命，寿命可达103次以上。信息整理：www.yztpdq.com
带串联间隙的TBP由于充分利用了ZnO阀片的优点，间隙无需灭弧。因此只需一个间隙而且结构筒单．一个间隙的结构使间隙分散度大的问题得到解决，一般由制造误差引起的分散度在10%以内 。另外，单间隙使放电值不再受外壳环境因素变化的干扰，放电电压分散度在5%以内。
TBP通过改善间隙的结构以及选择间隙之间瓷环村料的介电系数。使得其冲击系数接近于l，也就是上升前沿为1.2 μs的冲击电压放电值和上升前沿为5ms的工频电压放电压放电值一致。这样。在操作冲击电压波形范围内(20us-50ms) 的任意波形电压，放电电压值均相等。
TBP采用四星形接线方式，可将相同过电压大大降低。与常规的MOA相比．相间过电压下降了60%-70%，保护的可靠性大为提高。另外，相对相、相对地保护电压值低．可将操作过电压可靠地限制在被保护设备的绝缘允许范围内 。而且在单相接地、间隙性弧光接地和谐振过电压下可长期安全运行。
4.2 与阻容过电压吸收器相比较
目前国内在某些场合也采用阻容过电压吸收器来限制操作过电压。阻容过电压吸收器的最大优点是能缓和过电压波头的陡度。阻容过电压吸收器的缺点是无明确的过电压限制值且吸收过电压的能量太小。
阻容过电压吸收器在过电压时吸收的能量为：
(1) TBP 中使用了间隙和 ZnO 阀片，两者互为保护 。阀片存在老化问题，间隙使其荷电率为零，间隙在续流时易损坏。ZnO阀片使其无续流．两种元件发挥各自优点。
(2) TBP采用四星形接线方式．相间过电压大大降低，与常规MOA相比。相间过电压下降了60%-70%。可靠地保护了被保护的设备。
(3) TBP 由于 ZnO 的良好性能．间隙动作后立即熄弧。无续流，无截波。间隙不再承担灭弧任务．通流量减小．且间隙结构简单，数量最少．冲击系数为l，放电电压不随放电波形变化而变化．保护性能优良。
(4) TBP的相对相、相对地保护电压值低，将操作过电压可靠地限制在被保护设备的绝缘允许范内。
信息整理：www.yztpdq.com
1 引言
发电厂以及冶金、化工、煤炭、石油等行业中，由于高压电动机、电炉等设备起停频繁，产生严重的操作过电压。由于操作过电压特别是相间过电压幅值较高，使得厂用电系统事故频繁．造成损失。通常供电系统采用氧化锌避雷器 (以下简称MOA) 限制过电压，但实际运行情况表明，高压电动机和变压器绝缘仍发生击穿．相同闪络等事故也时有发生。这是因为：无论是无间隙的 MOA 还是带串联或并联间隙的 MOA，其接线方式多为星形接线，而操作地压主要产生在高压电动机、变压器的相与相之间。所以各种形式的MOA对于相同的绝缘不能进行很好的保护。
常规的MOA由于考虑自身的安全。其直流ImA参考电压UImA一般选值较高。从而使残压过高。这样就使得MOA过高的残压与被保护设备的绝缘水平配合不当，因此MOA 保护高压电动机对绝缘作用比较勉强。MOA 存在的另一个问题是持续运行电压选值低，仅为相电压，因而在中性点非有效接地系统中MOA在单相接地时损坏较多。这样又增加了系统的事故，如果将 MOA 的持续运行电压选为线电压，使MOA的UImA值及残压更高，达不到保护特性不能降低韵要求。
本文介绍一种带串联间隙并采用四星形接法的MOA，对相间和相地均能起到保护作用，而且自身又可安全可靠地运行。经实际运行表明，效果十分明显。
2 常规MOA存在的主要问题
MOA中氧化锌阀片的伏安特性如图l所示。在图1中，UImA为直流ImA参考电压。U100A为MOA中流过100A操作冲击电流时的残压。Uc为MOA的持续运行电压。
K1=U100A/UImA (1)
在通常情况下，制造水平较高的氧化锌电阻片的残压比K1=1.4。氧化锌电阻片的荷电率可表示为
K2=
Uc／UImA (2)荷电率是表征ZnO阀片在某一电压下长期运行的寿命指标。如果K2=0.75．则阀片可在0.75UImA的电压下长期运行。根据IEC标准，氧化锌电阻片的寿命指标是这样确定的，将ZnO阀片置入115℃加速老化箱中．外加Uc=0.75 UImA/
的电压．测其初始漏电流Ioh。经过1000h后测其终止时漏电流I100h。如果I100h＜2Ioh，则认为该阀片在常温下、荷电率K2=0.75时可运行100年。通常制造水平高的ZnO阀片K2=0.8，而在设计及使用中一般取k2＜0.8。信息整理：www.yztpdq.com 根据国际GB11032-89，6kV系统保护电动机的MOA持续运行电压Uc=4kV。直流ImA参考电压UImA＞11.3kV。对于6kV电动机其相对地和相对之间的绝缘所能取受的过电压值为:
UR=
(2Us+1)×0.75×1.15 (3)式中Us------系统额定电压
常规的MOA相对地100A操作冲击电流时残压可由(1)式求出，将Us=6kV，K1=1.4，UImA=11.3kV代入(3)和(1)式可以求得
UR=15.9kV，U100A=15.8kV。
通常开关截流和多次重燃时相间过电压为对地过电压的1.5倍。而开关三相同步截流时相间过电压为对地过电压的2倍。由于常规的MOA是星形接法，其相对相之间的100A操作冲击电流的残压为：
U相间=2U100A
从上面可以看出，由于U100A与UR相当，因此常规的MOA对高压电动机相对绝缘保护作用比较勉强。又由于U相间远大于U100A，所以对相与相之间绝缘则完全不能进行保护。
MOA也存在荷电率过高的问题。对于6kV系统的MOA，国家标准规定其持续运行电压为相电压的有效值，即Uc=Us×1.1
=4kV。将Uc=4kV代入荷电率公式(2)可得K2=0.5，这样的荷电率是可以长期运行的。如果发生单相接地．作用在健全相的MOA 上所承受的持续运行电压的 倍相电压，甚至更高。此时荷电率K"2为：K"2=
× Uc/UImA (5)将Uc=4Kv，UImA=11.3kV代入上式可以得到K"r=0.95。如此高的荷电率MOA是承受不了的。因此常规的MOA必然在单相接地或谐振时产生过电压情况下损坏较多。当然，有些同志也指出，电机是不允许经常一相接地的，更不允许长时间接地运行。
根据上面的分析可以看出，常规的MOA由于其额定电压和持续运行电压选值偏低。在一些情况下不仅不能起到保护设备的作用，反而增加了电力系统的事故。如将MOA本身的安全性得到了提高到线电压，虽然 MOA 的持续运行电压Uc提高，但也大大提高了相对地和相对相的电压保护值。
以6KV为例，如果Uc选为线电压。根据上面的公式可以求出在K1=1.4、K2=0.75的情况下U100A=20kA、U相间=40kV。如此高的电压保护值根本不能保护电动机的绝缘。
3 提高MOA的保护性能
首先考虑提高ZnO阀片的制造水平来解决问题，假定将ZnO阀片的制造水平提高到目前的最高水平，即取
K1=1.27、K2=0.85。
此时保护比K则为：
K=K1/K2=U100A/
Uc (6)由上式可求出MOA相对地100A操作冲击电流的残压幅值为：(4)U100A=
kUc (7)相对相之间100A操作冲击电流的残压幅值可由(4)式求得。
上面已经指出．当发生单相接地时MOA上承受的持续运行电压为
倍的相电压。以6kV系统为例，当发生单相接地时持续运行电压为U"c=
Uc=7.6kv．将U"c取代（7)式中的Uc并取ZnO阀片的最高制造水平即K=1.5，从(7)式中可得相对地之间的操作冲击电流残压为U100A=16kV．再由(4)式可求出相对相之同的残压为U相间=32kV，都超过了电机绝缘所允许的值UR=15.9kV。由此可见，提高ZnO阀片的制造水平不能解决问题，应当改进MOA结构，充分利用ZnO的特性。信息整理：www.yztpdq.com
要改进MOA的结构，必须寻求另外的途径。带串联间隙的MOA因间隙存在，阀片无荷电率问题，不存在荷电率K2 。因而K=K1/K2不成立。因为间隙的存在仅有残压比K1的问题，残压U100A原则上可随UImA任意选取。国外生产的带串联间隙的MOA达到U100A=15kV．但其相同电压为30kV。
为了使U100A=U相间，除了加串联间隙还必须改变MOA的接线方式。即将传统的星形接法改为四星形接法，如图2所示。
图2所示是一种新型的带串联间隙的组合式氧化锌避雷器(TBP)，TBP由四个带放电间隙的氧化锌电阻单元构成，采用组合式结构并以四星形方式联接。由于TBP是对称结构，因此其中的任意三个端子都可接A、B、C三相。另一个端子接地线。采用这种特殊的结构和接线方式．使得相间过电压大为降低，提高了保护性能。现场使用情况也表明，TBP解决了用电最统中的操作过电压问题。
表1示出了TBP的主要参数。
4.1 与常规的MOA相比较
在TBP中采用间隙，使ZnO和间隙互为保护。间隙使ZnO的荷电率为零。不存在老化问题。ZnO良好的非线性伏安特性又使间隙放电后无截波、无续流，间隙不再承担灭弧任务，提高了其寿命，寿命可达103次以上。信息整理：www.yztpdq.com
带串联间隙的TBP由于充分利用了ZnO阀片的优点，间隙无需灭弧。因此只需一个间隙而且结构筒单．一个间隙的结构使间隙分散度大的问题得到解决，一般由制造误差引起的分散度在10%以内 。另外，单间隙使放电值不再受外壳环境因素变化的干扰，放电电压分散度在5%以内。
TBP通过改善间隙的结构以及选择间隙之间瓷环村料的介电系数。使得其冲击系数接近于l，也就是上升前沿为1.2 μs的冲击电压放电值和上升前沿为5ms的工频电压放电压放电值一致。这样。在操作冲击电压波形范围内(20us-50ms) 的任意波形电压，放电电压值均相等。
TBP采用四星形接线方式，可将相同过电压大大降低。与常规的MOA相比．相间过电压下降了60%-70%，保护的可靠性大为提高。另外，相对相、相对地保护电压值低．可将操作过电压可靠地限制在被保护设备的绝缘允许范围内 。而且在单相接地、间隙性弧光接地和谐振过电压下可长期安全运行。
4.2 与阻容过电压吸收器相比较
目前国内在某些场合也采用阻容过电压吸收器来限制操作过电压。阻容过电压吸收器的最大优点是能缓和过电压波头的陡度。阻容过电压吸收器的缺点是无明确的过电压限制值且吸收过电压的能量太小。
阻容过电压吸收器在过电压时吸收的能量为：
(10)
式中 Uo-------初始电压
U---------限制电压
对于本文所述的四星形接法的MOA，其过电压吸收能量为：
Wz=_U-IT
式中lt一2ms方波通流量
现假定限制电压U为15KV。忽略阻容过电压吸收器的初始电压Uo并设C=0.1μF，ZnO阀片的电流为400A，由此可得出Wc=11.25J，Wz=12000J。阻容过电压吸收的能量远小于TBP吸收的能量，如此小的Wc不能满足限压的要求，较小的开关截流值将引起电容器上的充电电压超过限制值，在这一方面TBP显然优于阻容过电压吸收器。
(1) TBP 中使用了间隙和 ZnO 阀片，两者互为保护 。阀片存在老化问题，间隙使其荷电率为零，间隙在续流时易损坏。ZnO阀片使其无续流．两种元件发挥各自优点。
(2) TBP采用四星形接线方式．相间过电压大大降低，与常规MOA相比。相间过电压下降了60%-70%。可靠地保护了被保护的设备。
(3) TBP 由于 ZnO 的良好性能．间隙动作后立即熄弧。无续流，无截波。间隙不再承担灭弧任务．通流量减小．且间隙结构简单，数量最少．冲击系数为l，放电电压不随放电波形变化而变化．保护性能优良。
(4) TBP的相对相、相对地保护电压值低，将操作过电压可靠地限制在被保护设备的绝缘允许范内。
信息整理：www.yztpdq.com
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