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    組合式過電壓保護器技術性能分析

    發布時間:2021-05-18   

    1、避雷器的發展我國避雷器產品的發展,主要經歷了普閥SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金屬氧化物避雷器(MOA)和三相組合式過電壓保護器四代,基本上每二十年就會有一次較大的技術改革。九十年代以前,電力系統一般采用...

      1、 避雷器的發展

      我國避雷器產品的發展,主要經歷了普閥SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金屬氧化物避雷器(MOA)和三相組合式過電壓保護器四代,基本上每二十年就會有一次較大的技術改革。

      九十年代以前,電力系統一般采用少油斷路器等作為開斷裝置,開斷速度較慢,操作過電壓發生的幾率較小,對設備的破壞主要來自雷電侵入波過電壓,對這類過電壓的防護措施多采用碳化硅避雷器以及氧化鋅避雷器(MOA),相對而言,氧化鋅具有動作快、伏安特性平坦、殘壓低、性能穩定等優點,已經為人們所接受。

      隨著真空開關的廣泛應用,操作過電壓的危害已經越來越受到人們的重視,操作過電壓主要表現為相間過電壓,而傳統的避雷器是按照防止雷電過電壓即相對地過電壓而設計的,對操作過電壓基本沒有防護作用,為了避免相間過電壓對設備的破壞,提高保護的全面性,組合式過電壓保護器開始被大量使用。

      相對于單柱式的SiC避雷器和MOA,組合式保護器一般采用三相四柱式結構,如圖2所示,由四個保護單元兩兩組合成六只避雷器,分別保護三相對地過電壓和相間過電壓,使保護的全面性大大提高。其內部結構雖然多

      種多樣,但按照工作原理可以劃分為以下三種:無間隙結構、串間隙結構、分級保護結構。雖然在近幾年的發展過程中,組合式保護器不斷地得到完善,每種結構投運也不少,但總體說來其制造與運行兩方面的經驗尚顯不足,對設備的保護性能與自身的安全性能往往不能實現較好的統一,產品質量良莠不齊。為了提高電網運行的安全性以及供電的可靠性,了解過電壓保護器的研制與發展狀況,并對其性能作一全面的對比就顯得尤為重要。

      2、無間隙組合式過電壓保護器

      無間隙組合式過電壓保護器結構如圖2所示,采用三相四單元結構,每個保護單元由氧化鋅非線性電阻閥片組成,直接與三相電源連接。如此設計,ZnO閥片良好的非線性可以得到充分發揮,在過電壓未達到U1mA之前,ZnO電阻呈高阻狀態,ZnO電阻的電容性及阻尼性可以緩和過電壓的波頭陡度并減緩振蕩頻率。當過電壓超過U1mA時,ZnO電阻呈低阻狀態,利用其非線性對系統過電壓實現限制,其非線性伏安特性見圖1。

      


      其缺點在于,用來表征ZnO非線性電阻保護性能的參數殘壓比K1=U殘/U1mA是固定的,目前避雷器所使用的ZnO電阻殘壓比一般為1.3左右。要可靠的保護電氣設備,ZnO電阻的殘壓U殘必須小于被保護設備的絕緣承受能力。為了擴大保護裕度,必須盡量降低操作電流下的殘壓值U殘,這樣ZnO電阻的U1mA也降低了。表征ZnO電阻的壽命指標荷電率K2=Ue/U1mA,在系統電壓不變的情況下,U1mA降低,荷電率必然增大,使避雷器產生不必要的頻繁動作,泄流漏電流增大,影響避雷器的使用壽命,使保護器的自身安全性降低。因此,在保護弱絕緣設備如電動機時,其殘壓值U殘的設計受到了限制。

      根據IEC標準,當荷電率小于0.75時,ZnO電阻可以長期安全地運行。按照此標準,可以計算出無間隙組合式保護器的最低殘壓設計值。

      以6kV系統為例,組合式結構對電壓的承受是由四個單元兩兩組合承擔的,在正常工況下,三相電源對稱,M點為零電位,施加在每相單元氧化鋅閥片上的電壓峰值為:

      Ue =UAM = ×6.9/ =5.63kV。

      荷電率K2=Ue /U1mA (1)

      將Ue =5.63,K2=0.75代入可得:

      U1mA=7.5kV

      殘壓比K1=U殘/U1mA (2)

      將U1mA=7.5,K1=1.3代入可得:

      U殘=9.75kV

      U相間=2×9.75kV=19.5kV

      所以,在保證保護器能夠長期安全運行的前提下,無間隙組合式過電壓保護器可以將相間過電壓最低限制到19.5kV,此值即為該結構保護器的安全下限,如果進一步降低ZnO電阻的操作沖擊殘壓U殘,則無法保證保

      


      護器自身的安全。按照國標規定,6kV變壓器的絕緣耐受能力為25.6kV,而6kV電動機的絕緣耐受能力國內比較統一的計算方法為15.9kV,與保護器的安全下限19.5kV相比較可知,該結構的保護器能夠實現對變壓器的可靠保護,對電動機的保護作用比較勉強。

      3、串間隙組合式過電壓保護器

      串間隙組合式過電壓保護器有四間隙和三間隙兩種基本結構,如圖3所示,引入放電間隙的主要目的是為了在正常工況下,通過間隙來隔離電網電壓,降低避雷器中ZnO閥片的荷電率,從而降低保護器動作值。因為在電網正常運行時,M點的電位基本為零,所以,在接地相中串聯放電間隙完全沒有必要,反而會增加系統的對地雜散電容,同時增加了放電的分散度,使工頻電壓分布不均勻,造成試驗和安裝上的難度。所以,本文僅以三間隙結構為例對其性能進行分析。

      放電間隙有絕緣間隙和電阻間隙兩種。對于絕緣間隙,在保護器不動作時,工作電壓與ZnO電阻完全隔離開來,為了起到保護ZnO電阻的目的,其沖擊放電值必須高于ZnO的U1mA。在間隙放電之前,ZnO良好的非線性特性無法發揮,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。另外,其保護水平是由沖擊放電電壓和ZnO殘壓共同確定的,由于間隙的截斷比和分散度較大,二者之間的配合有一定的難度,沖擊放電電壓高,則保護裕度小,危及設備安全;沖擊放電電壓低,則起不到保護ZnO的目的。再者,隨著放電次數的增加,絕緣間隙的阻值必然下降,形成和ZnO電阻的分壓,導致沖擊放電值上升幅度很大,有時可以達到30%以上,因此,經過數次放電后,其保護值會有較大幅度的上升,使保護裕度減小,起不到保護設備的目的。

      


      為了解決絕緣間隙的某些問題,有些保護器采用線性電阻間隙,每相的等效電路如圖4所示,間隙電阻值一般在6-15MΩ,如此設計,克服了絕緣間隙在放電時的一些缺點,但是,在持續運行工況下,ZnO呈高阻狀態,阻值在5000~10000 MΩ,與間隙電阻形成分壓,系統電壓基本全部施加在ZnO電阻上,間隙起不到隔離電網電壓的作用,串聯間隙毫無意義。

      綜上分析,引入放電間隙來提高保護器的保護性能,無法實現被保護設備的可靠性與保護器自身安全性的和諧統一。相反會帶來許多保護器自身的安全問題。

      


      4、分級保護組合式過電壓保護器

      分級保護的組合式過電壓保護器原理圖見圖5,每個保護單元的ZnO電阻由1、2兩級組成,第2級為ZnO電阻與火花電極XG的組合。

      在正常工況下,系統電壓由兩部分共同承擔,其荷電率為:K2=Ue/(U1mA′+ U1mA″),通過調整第2級的U1mA″,可以使荷電率滿足要求,保證ZnO電阻長期、安全地運行。同時,在這個保護階段保護器保留了無間隙結構的優點。

      當過電壓超過(U1mA′+ U1mA″)并達到一定值時,火花電極XG放電,將第2級ZnO電阻短接,標稱放電電流下的殘壓值U殘僅為第1級ZnO的殘壓,通過調整第1級的U1mA′,可以實現保護水平與設備絕緣耐受能力的配合,滿足對弱絕緣設備如電動機的保護。由于放電電極XG的工放值遠低于ZnO電阻的U1mA′,電極的分散性不會對保護水平構成影響,其保護水平仍然相當于無間隙結構。

      分級保護方案融合了無間隙結構和串間隙結構的優點,既能夠使ZnO電阻的非線性特性得到充分發揮,又將保護范圍擴大到對弱絕緣設備的可靠保護,同時避免了串聯放電間隙而帶來的對設備保護不穩定和不可靠因素。對設備保護的全面性、可靠性與保護器自身的安全性達到了較好的統一。

      5、結語

      1) 單柱式的SiC避雷器和MOA主要針對雷電產生的相對地過電壓而設計,對相間過電壓基本起不到防護作用。組合式保護器大大提高了保護的全面性,它必將成為一種新的發展方向。

      2) 無間隙組合式過電壓保護器在保護變壓器等強絕緣設備時,具有一定的優勢,而對電動機等弱絕緣設備,保護作用比較勉強。

      3) 串間隙組合式保護器雖然在保護弱絕緣設備時能夠解決ZnO的荷電率問題,但是存在著與ZnO難以配合,以及自身截斷比、分散度大等問題,使保護的可靠性與穩定性大大下降。

      4) 分級保護的組合式保護器保留了無間隙結構的優點,同時,降低了ZnO的殘壓比,提高了保護裕度,能夠實現保護的全面性、可靠性與安全性的統一。

      參考文獻:

      [1] 李學思.三相組合式過電壓保護器.電磁避雷器.1989(1)。


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