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组合式过电压保护器技术性能分析

组合式过电压保护器技术性能分析

【作者/来自】网站管理员 【发表时间】2011-11-24 【点击次数】1889

李锦鹏1,郭思君2
(1. 淮南联合大学,安徽 淮南 232001;2.芜湖科越电气有限公司,安徽 芜湖 241009)
【摘 要】本文简单介绍了避雷器的发展,分析几种组合式过电压保护器的基本原理、特征参数,着重探讨其保护设备的全面性、可靠性以及自身的安全性,分析其优缺点,其目的在于寻找一种适合我国电力运行方式的过电压保护装置。
【关键词】过电压  避雷器  氧化锌  间隙


1、 避雷器的发展
我国避雷器产品的发展,主要经历了普阀SiC避雷器、磁吹SiC避雷器、金属氧化物避雷器(MOA)和三相组合式过电压保护器四代,基本上每二十年就会有一次较大的技术改革。
九十年代以前,电力系统一般采用少油断路器等作为开断装置,开断速度较慢,操作过电压发生的几率较小,对设备的破坏主要来自雷电侵入波过电压,对这类过电压的防护措施多采用碳化硅避雷器以及氧化锌避雷器(MOA),相对而言,氧化锌具有动作快、伏安特性平坦、残压低、性能稳定等优点,已经为人们所接受。
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。
相对于单柱式的SiC避雷器和MOA,组合式保护器一般采用三相四柱式结构,如图2所示,由四个保护单元两两组合成六只避雷器,分别保护三相对地过电压和相间过电压,使保护的全面性大大提高。其内部结构虽然多种多样,但按照工作原理可以划分为以下三种:无间隙结构、串间隙结构、分级保护结构。虽然在近几年的发展过程中,组合式保护器不断地得到完善,每种结构投运也不少,但总体说来其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,产品质量良莠不齐。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,并对其性能作一全面的对比就显得尤为重要。
2、无间隙组合式过电压保护器
无间隙组合式过电压保护器结构如图2所示,采用三相四单元结构,每个保护单元由氧化锌非线性电阻阀片组成,直接与三相电源连接。如此设计,ZnO阀片良好的非线性可以得到充分发挥,在过电压未达到U1mA之前,ZnO电阻呈高阻状态,ZnO电阻的电容性及阻尼性可以缓和过电压的波头陡度并减缓振荡频率。当过电压超过U1mA时,ZnO电阻呈低阻状态,利用其非线性对系统过电压实现限制,其非线性伏安特性见图1。
 
其缺点在于,用来表征ZnO非线性电阻保护性能的参数残压比K1=U残/U1mA是固定的,目前避雷器所使用的ZnO电阻残压比一般为1.3左右。要可靠的保护电气设备,ZnO电阻的残压U残必须小于被保护设备的绝缘承受能力。为了扩大保护裕度,必须尽量降低操作电流下的残压值U残,这样ZnO电阻的U1mA也降低了。表征ZnO电阻的寿命指标荷电率K2=Ue/U1mA,在系统电压不变的情况下,U1mA降低,荷电率必然增大,使避雷器产生不必要的频繁动作,泄流漏电流增大,影响避雷器的使用寿命,使保护器的自身安全性降低。因此,在保护弱绝缘设备如电动机时,其残压值U残的设计受到了限制。
根据IEC标准,当荷电率小于0.75时,ZnO电阻可以长期安全地运行。按照此标准,可以计算出无间隙组合式保护器的****残压设计值。
以6kV系统为例,组合式结构对电压的承受是由四个单元两两组合承担的,在正常工况下,三相电源对称,M点为零电位,施加在每相单元氧化锌阀片上的电压峰值为:
Ue =UAM = ×6.9/ =5.63kV。
荷电率K2=Ue /U1mA              (1)
将Ue =5.63,K2=0.75代入可得:
U1mA=7.5kV
残压比K1=U残/U1mA              (2)
将U1mA=7.5,K1=1.3代入可得:
U残=9.75kV
U相间=2×9.75kV=19.5kV
所以,在保证保护器能够长期安全运行的前提下,无间隙组合式过电压保护器可以将相间过电压****限制到19.5kV,此值即为该结构保护器的安全下限,如果进一步降低ZnO电阻的操作冲击残压U残,则无法保证保护器自身的安全。按照国标规定,6kV变压器的绝缘耐受能力为25.6kV,而6kV电动机的绝缘耐受能力国内比较统一的计算方法为15.9kV,与保护器的安全下限19.5kV相比较可知,该结构的保护器能够实现对变压器的可靠保护,对电动机的保护作用比较勉强。
3、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3所示,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,反而会增加系统的对地杂散电容,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振荡频率的作用,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%以上,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,有些保护器采用线性电阻间隙,每相的等效电路如图4所示,间隙电阻值一般在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5000~10000 MΩ,与间隙电阻形成分压,系统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。
综上分析,引入放电间隙来提高保护器的保护性能,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。相反会带来许多保护器自身的安全问题。

4、分级保护组合式过电压保护器
分级保护的组合式过电压保护器原理图见图5,每个保护单元的ZnO电阻由1、2两级组成,第2级为ZnO电阻与火花电极XG的组合。
在正常工况下,系统电压由两部分共同承担,其荷电率为:K2=Ue/(U1mA′+ U1mA″),通过调整第2级的U1mA″,可以使荷电率满足要求,保证ZnO电阻长期、安全地运行。同时,在这个保护阶段保护器保留了无间隙结构的优点。
当过电压超过(U1mA′+ U1mA″)并达到一定值时,火花电极XG放电,将第2级ZnO电阻短接,标称放电电流下的残压值U残仅为第1级ZnO的残压,通过调整第1级的U1mA′,可以实现保护水平与设备绝缘耐受能力的配合,满足对弱绝缘设备如电动机的保护。由于放电电极XG的工放值远低于ZnO电阻的U1mA′,电极的分散性不会对保护水平构成影响,其保护水平仍然相当于无间隙结构。
分级保护方案融合了无间隙结构和串间隙结构的优点,既能够使ZnO电阻的非线性特性得到充分发挥,又将保护范围扩大到对弱绝缘设备的可靠保护,同时避免了串联放电间隙而带来的对设备保护不稳定和不可靠因素。对设备保护的全面性、可靠性与保护器自身的安全性达到了较好的统一。
5、结语
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。组合式保护器大大提高了保护的全面性,它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。
参考文献:
[1] 李学思.三相组合式过电压保护器.电磁避雷器.1989(1)。
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