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    中壓電力系統過電壓保護裝置在設計選用中的幾個誤區

    發布時間:2021-07-19   

    目前,隨著真空斷路器的大量使用以及對電網質量要求的提高,過電壓保護裝置的使用越來越廣泛。在近幾年的發展過程中,出現了多種不同的結構形式,總體上產品的結構以及參數選配逐漸趣于合理化,多種結構形式已經具有...

      目前,隨著真空斷路器的大量使用以及對電網質量要求的提高,過電壓保護裝置的使用越來越廣泛。在近幾年的發展過程中,出現了多種不同的結構形式,總體上產品的結構以及參數選配逐漸趣于合理化,多種結構形式已經具有一定的運行業績。但總體說來其設計理念、制造工藝、針對性選型等方面的經驗尚顯不足,對產品的參數選配及結構設計缺乏全面性考慮,無法實現對設備的保護性能與自身的安全性能之間良好的統一。更有甚者,為了追求市場效果,過多地強調某一方面的優勢,并夸而大之,從而導致設計與使用單位在選用該類產品時無所適從,甚至造成誤區,為電力系統的安全運行埋下隱患。在此作者針對國內常見的幾種誤區進行分析闡述,以期能夠對該類設備的設計以及使用選型起到一定的幫助作用。

      1、 關于氧化鋅電阻殘壓選擇的誤區

       近年來,有些生產廠家出于商業利益的考慮,過分強調降低保護器的直流1mA參考電壓U1mA和保護器的操作電流殘壓U殘,推薦理由為保護器動作值降低,可以將過電壓限制在一個更低的水平。造成“保護器殘壓越低越好”的誤區。

      1) 從氧化鋅電阻的安全性分析:如圖一所示,按照IEC標準,氧化鋅非線性電阻的安全運行區域為“長期施加在電阻兩端的電壓應小于0.75倍的直流1mA參考電壓”,氧化鋅電阻本身具有易老化的缺點,具有一定的使用壽命,過多地無謂動作,只會加速氧化鋅非線性電阻的老化,最終導致保護器擊穿甚至爆炸,反而給電力系統埋下安全隱患。

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      2) 按照保護器與設備的絕緣承受能力配合分析:按照國家標準,用電設備本身具有一定的絕緣承受能力,系統過電壓的承受是由用電設備自身的絕緣耐受能力和過電壓保護器共同承擔的,保護器只需要在設備絕緣受到威脅時將過電壓進行吸收泄放,所以過電壓保護器的參數設計應該與設備的絕緣承受能力相匹配,在保證設備絕緣安全的前提下,也必須盡可能地保障自身的安全。對于不會危及設備絕緣安全的過電壓,設備自身可以承受,不需要降低保護動作值、犧牲保護器自身的安全性來實現,這樣做沒有必要,反而給系統增加新的故障隱患。

      3) 在電壓梯度確定的前提下,保護參數的降低,必然使過電壓保護裝置單元氧化鋅電阻的數量減少,過電壓保護裝置主要成本在于氧化鋅電阻,降低成本以追求利潤最大化是一些廠家的最終目的,同時市場的惡性競爭也加劇這種了情況。其結果,必然導致過電壓保護裝置事故率大大上升。最近幾年的實際運行效果也說明了這個問題。

      2、 關于氧化鋅電阻串聯放電間隙的誤區

      

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      串聯間隙結構是指在氧化鋅電阻與電源之間串聯一個放電間隙,如圖2所示,將氧化鋅電阻與電源隔離,從而減少氧化鋅電阻的動作。這種結構在某種程度上可以延緩氧化鋅電阻的衰老,但是,它具有更多的負面作用,將其夸大為“串聯間隙結構比無間隙結構安全可靠”是一種誤區。

      ZnO電阻本身在一定的持續運行電壓下可以長期安全地運行,在荷電率不高于上限值時(國內試驗值為0.867),保護器是安全可靠的,只是對電動機類的弱絕緣設備保護裕度較小。

      串聯間隙結構是在九十年代初期,ZnO電阻制造工藝落后,0.75倍的直流1mA參考電壓下的漏電流很大,大電流沖擊耐受能力較小的情況下,為了保護ZnO電阻而借鑒的閥式碳化硅(SiC)避雷器結構。目的是為了減少保護器的動作幾率,延長使用壽命。理論上可以降低ZnO的設計保護值,保護ZnO電阻。但是,近年來的實際運行效果顯示,放電間隙無論對保護設備安全還是對保護器本身都沒有好處,事故率居高不下。在弧光接地情況下,無間隙氧化鋅避雷器(MOA)和串間隙保護器都有發生損壞或爆炸的事故記錄,對于這種事故,用戶、設計人員及國內一些專家都能夠接受,也可以理解。但是串聯間隙結構在正常工況下(無雷擊、無操作)發生爆炸十分頻繁,為此,在內蒙呼和浩特、江蘇望亭、四川成都、河南洛陽等事故現場已經多次由專業人員進行討論分析,雖然沒有明確的定論,綜合分析,主要原因可能有以下幾點:

      1) 由于間隙的隔離,ZnO設計殘壓低,同時為了降低成本,設計承受能力低。另外間隙的截斷比和分散度較大,放電不穩定,波動較大,如果動作電壓升高,失去保護作用;動作電壓降低,間隙頻繁動作,容易發生爆炸。

      2) 由于間隙的隔離,使整個保護動作過程分為兩部進行,首先間隙放電,然后ZnO導通,間隙每次放電對ZnO造成沖擊。

      3) 由于間隙的隔離,ZnO良好的非線性特性無法發揮,在間隙放電之前,ZnO非線性電阻起不到緩和過電壓波頭陡度和降低振蕩頻率的作用,當過電壓波頭陡度大時,將會使設備的匝間絕緣擊穿

      4) 串間隙保護器的工放試驗值和廠家標注值都是穩態放電值,實際工況是在穩態放電前有一個“放電→熄弧→又放電→又熄弧…”的脈沖放電過程。結果造成試驗值和實際放電值不同,過高地估計了其工放值,對安全運行十分不利。

      所以,串聯放電間隙僅僅是在氧化鋅電阻承受能力達不到的情況下的一種權宜措施,對弱絕緣設備可以擴大保護裕度,但是其性能的穩定性、自身的安全性、保護的可靠性遠遠不如純物理特性的氧化鋅非線性電阻。

      3、 關于適用范圍的誤區

      有些制造廠家的技術人員在介紹產品時,多次強調其過電壓保護器可以對各種過電壓進行限制,包括間歇性弧光接地過電壓,實際是一種誤導。過電壓產生的原因不同,持續時間、幅值、振蕩頻率都不相同,其能量也就不同,而過電壓保護裝置由于體積的限制,設計能量有限,它主要是針對瞬時性的過電壓進行限制保護。將一種過電壓保護裝置強調為對不同原因引起的過電壓都能夠可靠保護是一種誤區。

      過電壓保護器是針對雷電、操作等瞬時過電壓進行設計,要求保護器對長時間諧振過電壓、接地過電壓進行保護是不科學的,也是不經濟的。國家標委會、電科院都曾經撰文指出:“由于諧振過電壓、接地過電壓持續時間的不確定,能量也就無法確定,不可能要求保護器對這類過電壓進行消除,為了保障保護器不爆炸,對這類過電壓應該采取回避?!比绻芾灼?、阻容吸收器能夠保護這種類型的過電壓,在我國沿用了幾十年的消弧線圈不就太可笑了嗎。所以任何保護器生產廠家宣稱其保護器、避雷器能夠保護諧振過電壓、接地過電壓都是不科學的、不必要的,也是不負責任的。

      4、 結語

      1) 過電壓保護裝置的設計參數應該與被保護設備的絕緣耐受能力相配合,既要保護用電設備的安全,也要避免自身成為安全隱患,實現保護的全面性、可靠性與安全性的統一。

      2) 串聯間隙的過電壓保護裝置僅僅是為了保護自身的ZnO電阻或制造商降低成本而采取的一種權宜措施,它使保護的可靠性與穩定性大大下降,所以,并不是過電壓保護器的發展方向。

      3) 過電壓產生的原因不同,其幅值、持續時間、能量等都不一樣,要求過電壓保護器、避雷器能夠對系統所有的過電壓進行保護是不科學的。

      4) 問題的解決可以通過以下幾方面著手:改變ZnO電阻的配方、提高其電氣性能;保護參數的設計與被保護設備的絕緣耐受能力配合考慮;針對同的設備、不同的線路分別采取相應的的保護措施。

      參考文獻

      1. 李錦鵬,郭思君:3~66kV電力系統過電壓保護器的應用與發展,高電壓技術,2004年第8期


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