阻容吸收原理

为防止系统内部瞬间过电压冲击（主要为断路器、接触器开断产生的操作过电压）对重要电气设备的损伤，通行的做法是在靠近断路器或接触器位置安装氧化锌避雷器（MOA）或阻容吸收器进行冲击保护。比较两类产品性能上的优点，氧化锌产品的优点主要在能量吸收能力强，可以用于防雷电等大电流冲击；阻容吸收器的优点主要在于起始工作电压低，可有效吸收小电流冲击对设备的影响。
由于传统避雷器或阻容吸收器是单极式，一端接母排一端接地，虽可以有效吸收相对地过电压，但起不到相间过电压的保护作用。故近年来推广三相组合式过电压吸收器，将上述两类产品做成通过中性点再接地形式，以起到相间保护作用。（见附图）
10年来三相组合式过电压吸收器的推广实践显示，以非线性氧化锌电阻片元件为主的组合式产品整体事故率较低，事故主要在于个别厂家的个别批次产品生产工艺上的失误。严格执行相关标准的产品均能安全使用多年。相反，以薄膜电容元件为主的组合式阻容吸收器事故率较高，原因不明的电容器损坏事故时有发生。因此自2002年以后，主要的组合式阻容吸收器生产厂家均在其产品电容上串联间隙或其它元件将电容器从正常系统中隔离，以防止继续出现电容烧毁事故。对于此类问题，目前通行的解释是：由于电容器为频敏元件，对系统高频谐波敏感性高。一旦系统谐波比较严重，就将使电容频繁处于工作状态，无法有效散发能量，积累导致最终烧毁。这也是后来普遍装设间隙或其它隔离元件的理论依据。
但是，据此理论做出的组合式阻容吸收器，由于存在隔离装置，使小电流区域阻容吸收器较氧化锌型产品的性能优势有所降低；而在大电流区域阻容吸收器较氧化锌型产品又有先天上的不足。那么能不能做出一种既不牺牲性能又保障安全的组合式阻容吸收器？我们对此有全新的认识。
我公司长期生产氧化锌型限压产品和阻容吸收型产品，依据我们的实际经验，认为过去电容烧毁频频的主要原因，并不能完全归罪在谐波超标，而是其它问题。只要克服这个问题，就可以生产出一种无须隔离装置依然可以长期安全使用的组合式阻容吸收产品。使组合式阻容吸收器真正在性能上远远优于氧化锌类产品。
在讨论此之前，需要先明晰氧化锌类组合式产品A、B、C、E四个模块的常规配置方式。按照业内主要生产厂家的企标和今年刚通过审批的机械部部标，通行的配置方式如下：
电压值：相模块+地模块=普通MOA
其中相模块稍高于地模块，或在相模块中装设间隙。
通流值：组合式各模块均高于普通MOA

也就是说，在氧化锌电阻片的配置数量上，任意相模块+地模块=普通MOA；在氧化锌电阻片的能量吸收能力上，组合式产品优于普通MOA。
这里存在一个技术上的争议。普通MOA一端接母线，一端接地线，系统电压正常时其承受电压为相电压。组合式产品的这种配置，表面上看是假设相模块+地模块串联后一起承受相电压。然而事实上绝非如此简单。因为A、B、C三个相模块下部连为一体，相当于电阻星型连接。在系统电压稳定时，O点为标准的中性点，电位应为零（见附图）。我们刚才假设的相+地串联共同承受相电压的情况并不成立。实际的情况是系统正常时，零电位点在地模块的上端而非下端。相模块需要单独承受持续的相电压。我们知道，氧化锌电阻片两端承受电压超过持续运行电压，使用寿命会急剧下降，数小时内就将损坏。故在组合式产品出现早期，有人据此预测其不可行，必然使用不久就事故不断。
可是实践结果确是多年下来，绝大多数产品经受了时间的考验。那么是不是说上述的担心是错误的？我们认为不是。只是由于氧化锌的一个特殊性造成理论与实际的不符合。这个特殊性就是所有组合式产品均为中压系统产品，没有在高于35kV以上的高压系统中使用过。我们知道，国内中压系统中性点一般是不直接接地的，存在单相接地故障下相电压提高为线电压的情况。在制订以防雷限压为根本目的的避雷器通行GB11032新标准时，为保障安全，是以避雷器能承受持续线电压升高而不损坏来设计参数的，正常电压下存在一个不小于1.7倍的裕度。在进行组合式配置时，适当的提高相模块的电阻片数量或加装间隙给电阻片分压，就完全可以满足电阻片数量几乎减半依然安全使用的目的。这样做既显著提高了产品使用中的限压性能，事故率又不会高。（附带说一点，组合式产品在出现系统单相接地时，由于中性点漂移等原因，并适当增大通流容量，是能够承受短期相电压升高到线电压的。新部标规定的组合式产品相极参数虽有一点偏低，实际生产中进行适当提高，安全性上没有大的问题。）
氧化锌型产品组合式改进事实上的成功，使一些技术上的问题被掩盖了。于是阻容吸收器在进行组合式改进时基本上照搬了氧化锌减半的做法。现行的组合式阻容吸收器，基本上也就是按相模块十地模块=普通阻容吸收器的模式进行配置。这种完全照搬的做法，在这里却产生了一个电容耐压上的严重问题。
阻容吸收器的耐压能力，一般参照GB311标准执行，以10kV为例，参考新老GB311标准的不同，各厂家电容交流1min耐压标准均在30~42kV左右。即使最不严格

的执行311标准，耐压30kV也基本上满足安全要求了。可是在进行三相组合式配置以后，30kV的耐压指的不是单个模块，而是相模块+地模块之和。通过对上面氧化锌型产品争议的分析不难看出，其实上单个相模块就将承受整个相电压，实际使用中电容相模块耐压真实能力仅为国标的一半。
那么电容器有没有象氧化锌那样有较大可以挖掘的安全裕度呢？没有。因为阻容吸收器用电容为了具有强自愈功能，采用的为金属化薄膜电容器。虽然理论上执行GB11024电力电容器标准，耐压应有两倍左右裕度，但是金属化薄膜电容器并不包括在此标准中。事实上金属化薄膜电容多为电机专用，生产厂家执行标准实际为GB3667。此标准对电容超压的要求仅为1.1倍。根据我们长期对各电容生产厂家产品实测的结果，在超压1.5倍下均耐受不到10秒钟就将出现频繁的击穿和自愈循环，根本坚持不到1min。这与MOA超压1.7倍以上还可以长期使用形成了鲜明的对比。如果耐压能力不足，阻容吸收器这种频敏设备谐波的侵害当然会变得很明显。但这恐怕不能仅归罪于谐波超标。
因此，我们认为导致组合式阻容吸收器电容频频出事的主要原因，是盲目照搬氧化锌型产品组合化的经验，引发电容耐压不足造成的，而不是主要在于谐波超标。加装间隙或其它隔离元件后产品安全了也并不是消除了谐波侵害的原因，而是因为隔离元件给电容分了压，电容两端在正常电压下的分压变小了，因此安全了。
综上所述，我们设计产品思路的关键是必须将各个相模块的电容耐压能力提高。我公司高性能组合式阻容吸收器将相模块的耐压能力提高了一倍，使相模块单独就能达到GB311的耐压要求。同时在其它元件上做少量变动进行辅助，不再加装间隙等隔离装置，可以有效保证电容的安全运行。而放弃间隙等隔离装置，大大提高了阻容吸收器的小电流响应性能，使阻容吸收器在性能上远远优于氧化锌型产品。特别适用于耐压能力不足的电机类设备的过电压保护，对普通电气设备也具有远高于现行各类产品的保护特性