新型保护电器—三相限压器.doc

新型保护电器—三相限压器（SXY）
中国科学院等离子体物理所科聚公司

1 问题的提出
冶金、矿山、电站、化工等工矿企业中大量使用3/6/10kV的高压电动机。近年来真空开关替代了传统的油开关，成为控制电动机启停的必备设备。由于真空开关有良好的介质恢复性能和极强的断弧能力，所以电弧熄灭特别快，容易在关合和开断电机感性负载时产生截流过电压、重燃过电压和合闸弹跳过电压等，危及电机绝缘的安全。
图1 ZnO阀片的伏安特性图
为解决此问题，曾经采用在电机绕组上并联阻容吸收器，但一来高压电容器体积大、价格高，二来阻容仅能减缓过电压的脉冲陡度，不能限制过电压的幅值，仍不能有效地保证电机绝缘的安全。于是人们采用无间隙氧化锌避雷器（MOA），用以限制过电压的幅值。MOA内装的氧化锌压敏电阻（ZnO阀片）具有优越的非线性伏安特性（见图1），其限压性能好，动作时间短（<50ns），通流吸能容量大（>300J/cm3），寿命长，体积小，维护简便，性能稳定，是目前国际公认的最先进的过电压保护元件。我国国标GB11032-2000（等效采用国际标准IEC60099-4：1991）《交流无间隙金属氧化物避雷器》中表9规定了典型的保护电机用MOA的参数[1]。按此标准国内各MOA生产厂已有众多的电机MOA产品。
图2 国标规定电机型MOA联接图
但是GB11032规定的MOA均是联接在线路与地之间（见图2），能有效地保护电机的相对地绝缘，而对相与相的过电压保护必须经过两只MOA串联才能进行，其保护残压为相与地的两倍。由于电机结构的特殊性，内部空间十分紧张，三相绕组的端部交叉重迭，相间绝缘薄弱，其绝缘强度与相对地绝缘相等。如果相间过压保护的残压水平是相对地保护的两倍，则对相间绝缘的保护就不能满足要求，以至高压电机相间绝缘击穿的事故时有发生，急需一种合适的保护电器。
2 对同类保护电器的分析
为解决以上问题，市场上近几年出现了一些保护电器，现分别介绍分析如下：
图3 6只MOA联接图
2.1 用6只普通无间隙MOA
按图3联接，可有效地保护电机的相间及相对地绝缘。但6只MOA的费用高，接线复杂，安装空间太大，故很少有人采用。
2.2 四星形、四间隙MOA
图4 四星形、四间隙MOA联接图
联接见图4。用4只ZnO元件接成四星形，有四个引出端，分别接A、B、C三相及地，同时保护相间及相对地绝缘，起到6只MOA的作用，接线简单，安装空间小。但是这种接法ZnO元件承受的荷电率*1过高。为此设计者在每个元件中串联了放电间隙。运行中由于间隙的隔离，ZnO元件基本不承受电压，所以可以提高持续运行电压*2，降低保护残压*3，还可以少装ZnO阀片，降低成本。
但这种结构存在如下主要问题：
a) 间隙动作放电电压不稳定，受温度、气压及动作次数的影响而变化。
b) 相间及相对地保护均通过两个串联在不同支路的间隙，电压升高时总是某一个间隙先击穿导通，然后另一个也击穿，最后ZnO元件才导通限压（见图5）。
在两个间隙均未击穿时，相间或相对地电压主要由两个间隙串联承受，两者的分压比影响总的动作电压。在产品做出厂试验（测工频放电电压或冲击放电电压）时是在每两个引出端子间做，其余两个端子悬空；而实际运行时，四个端子均接入电网及地，电网的分布阻抗（电容、电感）及负载阻抗（随工况而变）

注：*1 ZnO元件在工作中长期承受的工作电压峰值Ugm与其直流参考电压U1mA（见图1所示）之比称为荷电率S，S=Ugm/U1ma。S过大时ZnO阀片易老化。
*2 允许持久施加在MOA端子间的工频电压有效值。
*3 操作电流（100A）通过MOA时其端子间的最大电压峰值U100A（见图1所示）。
均与间隙并联。间隙导通前可看作小电容，阻抗很大，故电网阻抗及负载阻抗的并联，改变了两个间隙的分压比，从而也改变了总的动作电压值。
故该产品不仅存在每次过电压吸收必须经过两个串联间隙而带来的自身动作不稳定，而且由于出厂试验工况与运行工况不同，出厂试验所测的动作电压并不能反映实际运行时的动作值，且该动作值随安装的地点及负荷情况的变化而变化，这对于保护电器是很不适当的。
由于放电电压动作值不稳定，使得产品生产很难满足可靠性要求。如动作电压升高将导致不动作，失去保护作用；如动作电压降低则导致频繁动作，因该产品阀片残压低，承受能力也低，这样将损坏ZnO阀片，容易发生爆炸。

2.3 四星形、六间隙MOA
原理接线见图6。相间及相与地保护均只通过一个间隙，没有分压比的问题，消除了上述2.2 b）的缺点，但2.2 a）的问题依然存在。另外6个间隙接线复杂，调整困难，使产品结构趋于复杂，成本提高。
2.4 四星形、三间隙MOA
原理接线见图7。它是在图4的基础上取消了接地单元的间隙，性能略有改进，但间隙的弊病仍然存在，没有本质的变化。
3 本保护器的特点
针对以上问题，本公司研制了新型保护电器—三相限压器（SXY），其特点如下：
3.1 采用无间隙四星形结构（SXY1型），动作稳定可靠
原理接线见图8。由于其他同类产品的主要弊病在于间隙导致动作电压不稳定，本保护器大胆地取消了全部间隙，由四只ZnO元件ZA、ZB、ZC及ZE组成。这种无间隙的四星形三相组合式金属氧化物避雷器曾有厂家生产过，但由于ZnO阀片荷电率的原因使该产品的残压非常高，不能有效地保护电机绝缘，加上体积和重量均很大，故而未能推广使用。
本公司生产的优质ZnO阀片可以长期承受高达86.7%的荷电率[2]，所以SXY大幅度地降低了残压，使其低于电机绝缘的耐压水平，可保证绝缘的安全。由于ZnO阀片为固体半导体元件，伏安特性（见图1）稳定，动作电压低而且稳定，不受温度、压力和动作次数的影响；动作后呈现低阻限压特性，不受并联的较高的电网阻抗及负载阻抗的影响，使保护特性稳定可靠。

3.2 适用范围广
本保护器主要为保护高压电机而设计，但它的参数可适用于其他电器。因为按GB11032规定的数据，同一系统额定电压等级的各型避雷器中（包括电站、配电、电容、电机等），残压最低的为电机型（电机的绝缘最薄弱），方波电流容量最大的为电容型（电容器放电能量大），本保护器残压能满足电机要求，2ms方波电流容量能满足电容要求（400A、18次），故SXY同时能满足电站、配电、电容、电机各型产品的要求*。
3.3 体积小、重量轻、阻燃、防爆
本保护器采用全绝缘封闭结构，用交流耐压25kV的高压电缆引出，除电缆终端线鼻外无金属导体外露，故大大缩小了相间及相对地距离，外型尺寸仅为长×宽×高=254×86×156mm，重量不超过5kg。外壳采用新型PBT高强度、高绝缘工程塑料，交流耐压30kV，阻燃防爆，可以直接安装到高压电机的接线盒内，也可装在电气柜内任何地方。
4 设计要点
本保护器适应的系统额定电压有3、6、10kV三种，为避免繁琐，以下仅以6kV的SXY1为例。对另二种电压的SXY，电压参数3kV的乘以3/6=0.5，10kV的乘以10/6=1.67，电流参数不变，这样即可得出3kV和10kV的SXY1参数。
4.1 持续运行电压UC
按我国标准，220kV及以下电力系统最高运行电压不得超过额定电压的115%，对6kV电网而言，最高运行线电压为Um = 1.15UN =1.15×6=6.9kV。
本保护器选择持续运行电压UC =7kV＞6.9kV。
如个别地区电网电压超标，大于7kV时，应提出特殊要求，提高SXY的持

注：* 按GB11032规定：2ms方波电流，电站型150A，配电型75A，电动机型200A，均小于400A。
续运行电压。
4.2 直流参考电压（动作电压）U1mA
该参数决定了ZnO阀片的荷电率，关系到保护器本身的安全。设计总体（相间及相与地间）U1mA≥13.4kV，每元件的直流参考电压u1mA =U1mA /2=13.4/2=6.7kV。
4.2.1 正常运行
这时A、B、C三相对地电位对称平衡，O点为“虚地”电位，ZE不承受电压，荷电率为0；ZA、ZB、ZC分别承受工作电压Ug =UC /=7/=4.04kV，荷电率S=Ugm /u1mA =×4.04/6.7=0.853＜0.867。
中国电科院检测中心曾于94年7月～8月对本公司送检的Ф56阀片比例单元进行加速老化试验，三次试验的荷电率分别为S，全部安全通过，详见试验报告[2]。以后本公司于2000年8月对自产Ф52 ZnO阀片进行加速老化试验，S，全部安全通过，详见试验报告[3]。
实际运行中系统电压小于7kV，U1mA＞13.4kV，故S＜0.853，更有安全裕量，可保证SXY自身的安全。
如果ZA、ZB、ZC三元件特性有少量不对称，则中性点0会有少量位移，使三元件的荷电率不均，荷电率高的元件老化较快，阻抗变小，中性点O就会偏移过来，使其承受电压降低，荷电率也随之降低。ZnO元件这种“自动平衡”的性能可保证三相元件自动均压，不会有某一相过早老化。
4.2.2 单相接地
此为异常工况，允许持续时间不超过2小时。假定C相接地，相当于ZC与ZE并联为一相，与ZA、ZB接成三相星形负载，承受三相对称的线电压，等值电路如图9，电压矢量三角形如图10。由于C相的阻抗为A相或B相的1/2，三相负载不对称，故中性点O偏移到O¢点。根据电工理论计算（略），偏移量=0.25，UCO¢ =0.75UCO，故ZC及ZE的S=0.75×0.853=0.64，更趋安全。UAO¢ =UBO¢ =1.146UAO,故ZA及ZB的S=1.146×0.853=0.978。
中国电科院检测中心94年9月曾对本公司送检的Φ56 ZnO阀片比例单元作工频电压耐受试验。先把试品预热到60ºC后施加4/10ms，42.1kA大电流冲击1次，然后在小于100ms的时间内施加荷电率高达1.06的工频电压耐受2小时；然后荷电率0.817耐受24小时，再后荷电率0.497耐受30分钟。结果试品完好，残压变化率仅为1%。详见试验报告[4]。
可见在单相接地的异常工况下，SXY也是足够安全的！

4.3 残压U100A
该参数决定了对电机绝缘的保护水平。考虑到高压电机（或高压电容器）大都安装在室内，没有直接遭受雷击的可能。线路如遭雷击，也有安装在线路末端的高压避雷器保护吸收。故本保护器主要是考虑吸收限制操作过电压。按GB11032第2.40条规定：“避雷器的操作冲击保护水平是规定的操作冲击电流下的最大残压。”按GB11032表14规定，电动机用避雷器的操作冲击电流为100A（峰值），波形为30/60ms。该电流大小与电动机容量无关，据中国避雷器标委会主任李学思解释说，因大电机的电流虽大，但电感小；过电压感应电势，大电机的L小，i大，两者乘积与小电机（L大，i小）差不多，故100A可适用于一切电机。
根据中国电科院检测中心92年9月对本公司送检的Y2.5W1-7.6/19电机型MOA的比例单元(Φ56 ZnO阀片)测试(三次)结果，操作冲击电流100A(30/60ms)下残压U100A与U1mA的比值，残压比K=U100A/U1mA =1.294/1.276/1.266，详见试验报告[5]。
设计U100A =17.5kV，核算残压比K=17.5/13.4=1.31＞1.294，阀片性能可满足。
根据国家标准GB755-2000（等同采用国际标准IEC60034-1）《旋转电机定额与性能》规定，考核高压电机绝缘水平的一分钟工频耐压试验电压值为
Ut = 2Ue + 1
式中：Ut — 工频耐压试验电压有效值（kV）；
Ue — 电动机额定电压（kV）。
故电机绝缘水平可定为Utm =Ut =（2×6＋1）=18.4kV。U100A =17.5kV＜18.4kV，可保电机绝缘安全！
实际上SXY1从U1mA =13.4kV就开始动作限压，而电机的绝缘水平一般在工频耐压峰值之上还有1.1～1.15倍的裕量，这样总的安全裕量就比较大了。
4.4 电流容量
本保护器采用本公司优质Φ56 ZnO阀片，能耐受2ms方波400A电流冲击18次，及4/10µs，40kA大电流冲击2次，均高于GB11032国标对电机MOA的要求*，达到电容型MOA的要求，详见中国电科院检测中心的试验报告 [6][7]。
5 总结
综上所述，可见SXY1型保护器有一系列优点。但其相对地保护残压还略高于GB11032的要求，为此我们又研制了SXY2型保护器。原理图见图11，在接地单元中串联了一只放电间隙，可以进一步降低相对地的残压。以6kV系统为例，GB11032规定相对地操作冲击残压为15kV，SXY2型为12.6kV。当然采用间隙也带来了动作电压不稳的弊病，但只有一个间隙相对比较稳定，用户可根据使用要求来选择。
SXY1和SXY2型保护器的主要技术参数见表1，详细的说明可见《三相限压器》产品说明书[8]。
SXY型三相限压器是采用无间隙或单间隙的四星形组合式ZnO压敏电阻过电压保护器，其动作电压稳定，保护残压低于电机（绝缘最薄弱的电器）的绝缘水平，通流容量大，适应范围广，安装接线简单，维护简便；能保护高压电机、电容，及电站、配电设备相间及相与地绝缘的安全；加之体积小、重量轻、阻燃、防爆，具有一系列优点，受到用户欢迎；已获实用新型专利[9]，专利号ZL00221632.9。
为适应市场需要，本公司又推出了35kV电力系统用的三相限压器，还特别研制了2ms方波电流大至500A（18次）的大容量限压器，用于特殊需要的场合（如大电容器的保护）详见产品说明书[8]。
欢迎业内同仁及广大用户提出宝贵意见！

注:* 国标要求电动机型MOA，2ms方波电流为200A，4/10µs大电流为25kA。
表1 SXY型三相限压器的主要技术参数

型 号
系统
额定
电压
(kVrms)
直流参考
电压U1mA≥（KV）
相-相
持续
运行
电压（kVrms）
操作冲击残压
（30/60ms，100A）≤（kVp）
动作电压
（kV）
2ms方波，
18次（A）
大电流
冲击
（4/10
ms），
2次
（kAp）
SXY1-3
3
6.7
3.5
8.8
6.7(峰值)
400
40
SXY2-3
相-相
6.7
3.5
相-相
8.8
相-相
6.7(峰值)
相-地
4.9
相-地
6.3
相-地
工放
(有效值)
≥5.3
冲放
(峰值)
≤7.5
SXY1-6
6
13.4
7
17.5
13.4(峰值)
SXY2-6
相-相
13.4
7
相-相
17.5
相-相
13.4(峰值)
相-地
9.7
相-地
12.6
相-地
冲放
(峰值)
≤15
工放
(有效值)
≥10.6
SXY1-10
10
22.3
11.7
29.2
22..3(峰值)
SXY2-10
相-相
22.3
11.7
相-相
29.2
相-相
22.3(峰值)
相-地
16.2
相-地
21
相-地
冲放
(峰值)
≤25
工 放
(有效值)
≥17.7

参 考 文 献
[1] 国家标准GB11032-2000，交流无间隙金属氧化物避雷器。
[2] 电力部检测中心检测报告（94007号），加速老化试验，94年9月。
[3] 合肥科聚公司质保部检测报告，老化试验，2000年8月。
[4] 电力部检测中心检测报告（94008号），工频电压耐受时间特性试验，94年10月。
[5] 能源部检测中心检测报告（92014号），残压测量试验，92年9月。
[6] 能源部检测中心检测报告（92014号），方波电流冲击耐受试验，92年12月。
[7] 能源部检测中心检测报告（92010号），动作负载试验，92年10月。
[8] 科聚公司，三相限压器，产品说明书。
[9] 国家知识产权局，实用新型专利证书（441906号），三相限压保护器。

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