探索组合式过电压保护器的选用与改进

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摘要：随着组合式保护器的不断发展和完善,每种结构都投运于电网,从总体上来，组合式保护器的制造与运行两方面的经验尚显不足,对设备的保护性能与自身的安全性能往往不能实现较好的统一,为了提高电网运行的安全性以及供电的可靠性,了解过电压保护器的研制与发展状况,并对其性能作出全面的对比和分析。

关键词：电网运行组合式过电压保护器选用

引言

随着真空开关的广泛应用,操作过电压的危害已经越来越受到人们的重视,操作过电压主要表现为相间过电压,而传统的避雷器是按照防止雷电过电压即相对地过电压而设计的,对操作过电压基本没有防护作用,为了避免相间过电压对设备的破坏,提高保护的全面性,组合式过电压保护器开始被大量使用。

一、组合式过电压保护器概述

近年来避雷器整体制造水平和质量都有了很大提高。随着真空断路器的广泛应用，为限制其操作过电压和避免受电设备绝缘损害，在限制过电压方面采取了许多措施。通常真空断路器装置操作过电压的保护装置有以下几类：（1）阻容吸收装置；（2）无间隙氧化锌避雷器；（3）带串联间隙氧化锌避雷器。

阻容吸收装置最大优点是能缓和入侵到被保护设备的过电压波的陡度，改善设备绕组上的电压梯度，但有体积大，无明显过电压限制值，吸收过电压能量容量小，会产生高次谐波污染等问题。无间隙氧化锌避雷器是一种较先进的过电压保护设备，与传统的碳化硅避雷器相比，在保护特性、通断能力和抗污秽等方面均有优异的特性，其ZnO电阻片的非线性极其优异，使其在正常工作下接近绝缘状态。但它保护残压较高，无法满足在操作过电压下频繁动作的要求，存在工频老化和承受荷电率和热平衡条件的限制，这对于保护电动机类绝缘耐压水平的设备来说还存在不足的。带串联间隙氧化锌避雷器由于增加了串联间隙，MOA可以用数量较少的ZnO电阻片，这时残压可以做的很低，如果火花间隙的放电电压也很低，则可使避雷器既有很低的保护水平又不致因为泄漏电流阻性分量大以及由此带来的劣化现象和功率损耗问题。有串联间隙的MOA与无间隙MOA相比，具有较高的耐受系统暂过电压能力，可在系统发生接地故障时保证自身安全，而且具有较低的雷电冲击放电电压和残压水平，可以为绝缘水平比较弱的设备提供良好的保护，特别适用于中性点非有效接地系统使用。

二、组合式过电压保护器的选用

在选用组合式过电压保护器时，首先要了解被选产品结构特点、ZnO电阻片和间隙的产品质量、整体的绝缘性能和密封性能，因为产品的制造质量是至关重要的。同时必须了解其各性能指标全部符合ZBK49005-90《交流有串联间隙金属氧化物避雷器》的规定，满足DL/T620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》标准的要求。选择MOA的重要技术参数是额定电压、最大持续电压、标称电流、雷电冲击保护水平、操作冲击保护水平等，下面就6-35kV系统开关装置内避雷器选择进行阐述。

(一)、避雷器额定电压UC的选择

1、按避雷器持续运行电压UC的选择

由于6-35kV系统多为中性点不接地系统，出现单相接地以后，相对地电压上升为线电压Um（Um为系统最高工作电压），属暂时过电压，故障持续时间≥10s，故避雷器持续运行电压的选择为：

6-10kV时UC≥1.1Um，则6kV避雷器UC≥1.1*7.2=7.92kV

10kV避雷器UC≥1.1*12=13.2kV

35kV时UC≥1.0Um，则35kV避雷器UC≥1.0*40.5=40.5kV

2、按避雷器暂时过电压UC的选择

暂时过电压包括工频和谐振两大类。只有单相接地引起的工频过电压，才是确定和选择避雷器额定电压的主要依据。根据电力部1993年10月30日“关于提高3-66kV无间隙金属氧化物避雷器额定电压和持续运行电压有关情况的通报”，3-15.75kVUC≥1.4Um，35-66kVUC≥1.3Um。

实际选择中略小于上述值：

6-10kVUC≥1.38Um则6kV避雷器UC≥1.38*7.2=9.94kV

10kV避雷器UC≥1.38*12=16.6kV

35kVUC≥1.25Um则35kV避雷器UC≥1.25*40.5=50.6kV

(二)、标称放电电流的选择

避雷器的标称放电电流In是波形为8/20μs用以划分其等级的重要参数，有1.5、2.5、5、10、20kA等五级，前三级分别与中性点、电机避雷器、电容器避雷器等相对应，电站避雷器则分为后三种，一般6-35kV系统选择5kA。

(三)、雷电冲击保护水平

避雷器标称放电电流(8/20μs)下的残压值为避雷器的雷电冲击保护水平。陡波标称放电电流(1/5μs)下的残压值与标称放电电流下的残压值之比不得大于1.15。

避雷器雷电冲击保护水平应满足保护电力设备绝缘配合的要求，即满足电气设备全波冲击绝缘水平与雷电冲击保护水平之比值不得小于1.4。根据持续运行电压查GB11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》：

6kV避雷器UC≥7.92kV时，电站型MOA，残压为27kA，配电型MOA，残压为30kV；

10kV避雷器UC≥13.2kV时，电站型MOA，残压为45kA，配电型MOA，残压为50kV；

35kV避雷器UC≥40.5kV时，电站型MOA，残压为134kA。

(四)、操作冲击保护水平

避雷器操作冲击电流(30～100μs内)的最大残压。操作冲击绝缘配合系数，应满足电气设备的操作绝缘水平与操作冲击保护水平之比值不得小于1.15。根据持续运行电压查GB11032-2000《交流无间隙金属氧化物避雷器》：

6kV避雷器UC≥7.92kV时，电站型MOA，残压为23kA，配电型MOA，残压为25.6kV；

10kV避雷器UC≥13.2kV时，电站型MOA，残压为38.3kA，配电型MOA，残压为42.5kV；

35kV避雷器UC≥40.5kV时，电站型MOA，残压为114kA。

另外，还要考虑爬电距等因素，使之达到交接试验要求。

三、串间隙组合式过电压保护器

串间隙组合式过电压保护器有四间隙和三间隙两种基本结构,如图一所示。

图一串间隙组合式过压保护器

引入放电间隙的主要目的是为了在正常工况下,通过间隙来隔离电网电压,降低避雷器中ZnO阀片的荷电率,从而降低保护器动作值。因为在电网正常运行时,M点的电位基本为零,所以,在接地相中串联放电间隙完全没有必要,反而会增加系统的接地杂散电容,同时增加了放电的分散度,使工频电压分布不均匀,造成试验和安装上的难度。所以,本文仅以三间隙结构为例对其性能进行分析。

放电间隙有绝缘间隙和电阻间隙两种。对于绝缘间隙,在保护器不动作时,工作电压与ZnO电阻完全隔离开来,为了起到保护ZnO电阻的目的,其冲击放电值必须高于ZnO的U1mA。在间隙放电之前,ZnO电阻良好的非线性特性无法发挥,起不到缓和过电压波头陡度和降低震荡频率的作用,当过电压波头陡度大时,将会使设备的匝间绝缘击穿。另外,其保护水平是由冲击放电电压和ZnO残压共同确定的,由于间隙的截断比和分散度较大,二者之间的配合有一定的难度,冲击放电电压高,则保护裕度小,危及设备安全；冲击放电电压低,则起不到保护ZnO的目的。再者,随着放电次数的增加,绝缘间隙的阻值必然下降,形成和ZnO电阻的分压,导致冲击放电值上升幅度很大,有时可以达到30%,因此,经过数次放电后,其保护值会有较大幅度的上升,使保护裕度减小,起不到保护设备的目的。

为了解决绝缘间隙的某些问题,有些保护器采用电阻间隙,每相的等效电路如图二所示,间隙电阻一般在6～15MΩ,如此设计,克服了绝缘间隙在放电时的一些缺点。但是,在持续运行工况下,ZnO呈高阻状态,阻值在10000MΩ左右,所以工作电压基本全部施加在ZnO电阻上,间隙起不到隔离电网电压的作用,串联间隙毫无意义。

图二 ZnO串电阻间隙等效图

综上分析,引入放电间隙来提高避雷器的保护性能,无法实现被保护设备的可靠性与保护器自身安全性的和谐统一,相反会带来许多新的保护器自身的安全问题。

四、结论与建议

(1)单柱式的SiC 避雷器和MOA 主要针对雷电产生的相对地过电压而设计,对相间过电压基本起不到防护作用。组合式保护器的全面性大大提高,必将成为一种新的发展方向。

(2)无间隙组合式过电压保护器在保护变压器等强绝缘设备时,具有一定的优势,而对电动机等弱绝缘设备,保护作用比较勉强。

(3)串间隙组合式保护器虽然在保护弱绝缘设备时能够解决ZnO 的荷电率问题,但是存在着与ZnO 难以配合,以及自身截断比、分散度大等问题,使保护的可靠性与稳定性大大下降。

(4)分级保护的组合式保护器保留了无间隙结构的优点,同时,降低了ZnO 的残压比,提高了保护裕度,能够实现保护的全面性、可靠性与安全性的统一。