组合式过电压保护器的选择.doc

1　引言
　　组合式过电压保护器是一种新型过电压保护装置 ，主要应用于35KV及以下电力系统中，用以限制雷电过电压、真空断路器操作过电压以及电力系统中可能出现的各种暂态过电压，可有效地保护电动机、变压器、开关、电容器、电缆、母线等电力设备的绝缘不受损害，对相间和相对地的过电压均能起到可靠的限制作用。真空断路器装置目前的广泛应用，使人们对由于操作过电压引起的危害越来越重视，而组合式过电压保护器的种类较多，使我们在应用选择上有很大的空间，但同时又会使我们选择更为慎重。本文旨在探讨真空断路器装置中组合式过电压保护器（组合式氧化锌避雷器）的选用问题。
2　组合式过电压保护器应用的由来
　　我国避雷器产品的发展历经普通阀型避雷器、磁吹避雷器和金属氧化物避雷器（MOA）几个阶段，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。
　　近几年来我国已研制开发了多种三相组合式有串联间隙或无间隙氧化锌避雷器，它们在相间和相地之间都连接有一定比例的ZnO电阻片或带火花间隙，是一种复合型避雷器，该过电压保护装置对相间过电压有比较好的保护作用。组合式过电压保护器因采用复合绝缘结构，所以在安装上受开关柜尺寸的影响较小，因此越来越被人们所认可。
3　组合式过电压保护器间隙结构和特点
　　组合式过电压保护器分无间隙和有带串联间隙两种，本文主要探讨带串联间隙氧化锌避雷器。组合式氧化锌避雷器由特殊间隙体和氧化锌阀片（ZnO）组成，根据生产厂家技术方案不同，间隙结构也不同，间隙主要有四间隙、三间隙、菱形间隙（单间隙），六间隙等，同时间隙上有并联电阻和无并联电阻两种。间隙的不同技术特点也不同。
（1）四间隙星形接法组合式过电压保护器
　　由四个完全相同的保护单元组成过电压保护器，每个单元都有放电间隙和ZnO电阻片构成，其接线原理图见图一所示。

　　在该保护器中采用ZnO和放电间隙相结合使两者互为保护。放电间隙使ZnO的荷电率为零，ZnO的优异的非线性又使放电间隙动作后立即熄弧、无截流、无续流，放电间隙不再承担灭弧任务，冲击系数可以达到1，放电电压值不随放电波形变化而变化，因而使用寿命得到提高。该接线方式可将相间过电压大幅度降低，与常规的MOA相比，相间过电压下降60%∽70%。在单相接地、间隙性弧光接地和谐振过电压下可长期安全运行。由于相相、相地都是双间隙，每个间隙承担1/2工频放电电压，在正常情况下中心点电位是“零”，则由相间隙承担工频电压，同时对地存在寄生电容，寄生电容的存在会使实际放电值出现不稳定。
（2）三间隙星形接法组合式过电压保护器
　　由三个间隙和四个单元组成过电压保护器，其接线原理图见图二所示。
　　其结构与四间隙不同点在于取消了接地保护单元间隙，相地保护采用单间隙，接地保护单元由纯电阻性材料组成，在中心点受寄生电容和杂散电容等外界因素相对小。相相过电压时由相间保护单元和接地保护单元共同完成，相相过电压也是由两个间隙来承担。通过接地保护单元的调整可以使相相、相地工频放电电压做成一样。

（3）菱形间隙星形接法组合式过电压保护器
　　由一个菱形间隙和四个单元组成过电压保护器，其接线原理图见图三所示。

　　其结构与四间隙星形接法不同点在于采用了菱形间隙结构，将带串联间隙的三相组合式过电压保护器放电间隙的数量降到1，从而降低了分布电容和杂散电容对放电数值的影响，相间过电压和相地过电压过程均由一个间隙完成。由于间隙和ZnO可以分别装置， 这样ZnO可直接和外壳材料热压铸在一起，使阀片周围空腔几乎不存在， 在ZnO的密封受潮和防爆问题解决的比较好。
（4）间隙并联高压电阻
　　间隙上并联了一个高压电阻，在工频时，间隙的容抗远大于并联电阻的阻抗，间隙两端的电压取决于电阻的分压值。在冲击时，由于波前很陡，其等值频率远高于工频，此时间隙的容抗远小于阻抗，电压分布由容抗决定，故不受并联电阻的影响。
4　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。
(1) 避雷器额定电压Ur的选择
a.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≥1.1x7.2=7.92kV
　　10kV避雷器UC≥1.1x12=13.2kV
　　35kV时UC≥1.0Um ，则35kV避雷器UC≥1.0x40.5=40.5kV
b.按避雷器暂时过电压Ut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”，3-15.75kV Ur≥1.4Um ，35-66kVUr≥1.3Um 。
实际选择中略小于上述值：
　　6-10kV Ur≥1.38Um则6kV避雷器Ur≥1.38x7.2=9.94kV
　　10kV避雷器Ur≥1.38x12=16.6kV
　　35kVUr≥1.25Um 则35kV避雷器Ur≥1.25x40.5=50.6kV
(2) 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。
(3) 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。
(4) 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。
5　投运前的检测
　　为防止有意外因素对产品的损坏， 在避雷器投运之前，应进行试验及定期检测。试验应在"相对相"间及"相对地"间进行，测量次数为三次，求其平均值。每二次试验的时间间隙不小于10S，放电后子0.2S内切断工频电源。试验时可在试验变压器旁边串联一只10A以上的电流表，观察电流值，当电流发生突变时，表明试品已放电，此刻的电压值即为工频放电电压值。若现场有条件，可通过高压测试仪直接读取脉冲电电压值。每3-4年应做一次工频放电试验的常规检测。
　　电力设备预防性试验规程规定：35kV及以下的MOA避雷器用2500V兆欧表测量，其绝缘电阻不低于1000MΩ。
　　对无间隙MOA避雷器还要测量1mA(直流)时的临界动作电压U1mA和75%U1mA直流下的泄露电流 ，测量的U1mA主要是检查其阀片是否受潮，确定其动作性能是否符合要求。U1mA实测值与初始值或制造值相比，其变化不应大于5%，U1mA过高使保护电气设备的绝缘裕度降低，U1mA过低使MOA避雷器在各种操作和故障的瞬态过电压下发生爆炸，测量75%U1mA下的直流泄露电流，主要检测长期允许工作电流的变化情况。规程规定，75%U1mA下的泄露电流不大于50μA。
6　总结
　　组合式过电压保护器因采用复合绝缘结构，相间残压水平较低，对相间、相地都有比较好的过电压保护作用。特别是对开关柜内受安装尺寸影响的场所，相对单体式避雷器来说，结构更为紧凑，其优越性更为突出，非常适合高压开关柜内使用。目前组合式的氧化锌避雷器可靠程度还在不断完善，各生产厂家制造工艺水平存在差异，因此在选用时首先是讲究产品质量。组合式过电压保护器的技术参数选择也是非常重要的，参数的不同保护程度也不同，因此在不同的应用场合应合理选择其参数。