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上傳時間：2014-03-28
一、 真空斷路器開斷過電壓簡介
真空斷路器在開斷變壓器、高壓電動機等感性負(fù)荷時，產(chǎn)生的操作過電壓可分為截流過電壓、三相同時開斷過電壓和多次重燃過電壓。
1. 截流過電壓是由于電流的突然截斷而產(chǎn)生的。當(dāng)斷路器開斷后，由于電感中的電流不能突變，只能向負(fù)荷側(cè)的相地及相間電容充電。因電容值一般較小，負(fù)荷側(cè)相地及相間將會出現(xiàn)較高幅值的過電壓。
2. 多次重燃過電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向負(fù)荷側(cè)的電容進行充電而產(chǎn)生的。因此，電容被充電時可能達(dá)到的最大電壓數(shù)值要大，擊穿次數(shù)越多，過電壓幅值越高。
3. 三相同時開斷過電壓是由于斷路器首先開斷相弧隙重燃時，流過該弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過零而產(chǎn)生的。
真空斷路器開斷高壓電動機時產(chǎn)生的操作過電壓的特點為，在通常的情況下開關(guān)截流和多次重燃時，相間過電壓為對地過電壓的1.5倍。而開關(guān)三相同步截流時，相間過電壓為對地過電壓的2倍。因此，真空斷路器開斷高壓電動機時產(chǎn)生的相間操作過電壓在通常情況下是相地操作過電壓的1.5～2.0倍。真空斷路器開斷高壓電動機時，特別是在開斷啟動過程中的電動機時，相間操作過電壓有時可能會超過4倍的額定電壓，嚴(yán)重危及電動機的絕緣。
二、 電氣設(shè)備的絕緣耐壓水平
國標(biāo)GB311.1-1997規(guī)定，最高電壓在1kV≤Um≤252kV的范圍內(nèi)，電氣設(shè)備的相間絕緣耐受電壓與相對地絕緣耐受電壓值相同。對于在運行中的高壓電動機，其相對地和相對相之間的絕緣所能承受的過電壓數(shù)值，我們做一下分析。
一般電動機的一分鐘工頻耐壓值為2Ue+1。對已運行的電動機取上述耐壓值的75%，即電動機的沖擊耐壓值為：
US= （2Ue+1）×1.15×75%
式中：1.15為電動機絕緣的操作沖擊系數(shù)；
Ue為電動機的額定電壓。
以6kV電壓等級電動機為例，其相對地和相對相之間絕緣的沖擊耐壓水平按上式計算結(jié)果如下：
US= （2×6+1）×1.15×75%=15.9kV
三、 過電壓保護器應(yīng)滿足的條件
在發(fā)電廠以及冶金、化工、煤炭、石油等行業(yè)中，為避免由于真空斷路器截流產(chǎn)生的操作過電壓，特別是相間過電壓對系統(tǒng)的危害，過電壓保護器應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：
（1） 為能有效地防止過高的操作過電壓對電氣設(shè)備的絕緣造成危害，過電壓保護器的保護水平應(yīng)低于被保護對象的電氣設(shè)備的絕緣沖擊耐壓水平。
（2） 由于電氣設(shè)備的相間絕緣水平與相地絕緣水平一致，因此過電壓保護器的相間保護水平與相地保護水平也應(yīng)一致。
（3） 在正常和單相接地工況并考慮了電壓波動15％的情況下，過電壓保護器自身應(yīng)能安全可靠地運行。即持續(xù)運行電壓應(yīng)按下式選擇：
Uch=1.1×1.15×Ue
四、幾種過電壓保護器的性能分析
1. 閥式避雷器(FS.FZ系列)
閥式避雷器由SiC加串聯(lián)間隙構(gòu)成，其工放值按只限制大氣過電壓設(shè)計，相對地工放值為４倍相電壓有效值。例如：6kV避雷器的工頻放電電壓為16kV，相間更高，對相間和相對地的操作過電壓基本無限制作用。
2. 無間隙ＺnＯ避雷器（Ｙ５Ｗ系列）
表征氧化鋅閥片長期運行的壽命指標(biāo)為荷電率：
η=
其中，Ue為設(shè)備的額定電壓，U1mA為氧化鋅閥片直流1mA參考電壓。在設(shè)計及使用中，荷電率應(yīng)低于0.75才能保證氧化鋅避雷器自身安全可靠地運行。
若該避雷器的Ｕ1mA按相電壓選取，則荷電率較高，特別是在單相接地情況下，ＺnＯ閥片將會嚴(yán)重老化，自身安全無法保證；若Ｕ1mA按線電壓選取，則殘壓值太高，保護效果與閥式避雷器基本無區(qū)別。
3. 無間隙四星型接法的組合式ＺnＯ過電壓保護器
正常運行時三相平衡，保護器中性點為零電位，系統(tǒng)的相電壓有效值由單只ＺnＯ承擔(dān)，接地的那只ＺnＯ不承擔(dān)電壓.。相當(dāng)于將半只避雷器掛在了系統(tǒng)中，荷電率高出一倍，正常時就極易損壞。
若提高保護器的1mA參考電壓，則將失去保護功能。
4. 三間隙四星型接法的組合式ＺnＯ過電壓保護器
此保護器的相間有兩個間隙，相對地之間只有一個間隙。相對地工放值若按保證自身安全設(shè)計，則相間保護特性就無法與絕緣配合。有的產(chǎn)品工頻放電電壓按照限制雷電過電壓設(shè)計，則在操作過電壓下已失去保護作用。
5. 無間隙阻容式過電壓保護器
保護器中的電容對削弱過電壓波頭陡度及降低過電壓幅值的能起到一定的作用，但無明確的過電壓限制值，與設(shè)備的絕緣水平很難配合。而且，由于電網(wǎng)中高次諧波涌入阻容吸收器，易導(dǎo)致電阻過熱甚至燒毀。
6. 帶串聯(lián)間隙的阻容式過電壓吸收器
間隙正常時將系統(tǒng)與保護器隔離，當(dāng)有過電壓產(chǎn)生時，間隙擊穿，保護器投入工作。設(shè)計意圖是，防止諧波引起電阻發(fā)熱，當(dāng)保護器投入后，加在設(shè)備上的電壓可以從零開始緩慢上升。我們設(shè)想，如果保護器的電容器充電真能從零開始的話，則間隙放電時必然產(chǎn)生截波過電壓，這對繞組型設(shè)備的匝間絕緣是個極大的威脅。
7. 復(fù)合式過電壓保護器
這是采用按照避雷器參數(shù)設(shè)計的帶串聯(lián)間隙的組合式ＺnＯ避雷器與帶串聯(lián)間隙的阻容式過電壓保護器并聯(lián)組成。兩種保護器單獨運行存在的問題，并聯(lián)起來仍然存在；兩種保護器單獨運行不能限制操作過電壓，并聯(lián)起來仍然不能限制。
8. HQLB系列大容量防爆過電壓保護器（HQLB）
HQLB三相組合式過電壓保護器是由四個帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器組合而成的過電壓保護器。采用這種特殊的結(jié)構(gòu)和接線方式使得HQLB擁有如下特性。
（1） 氧化鋅和間隙互為保護。間隙使氧化鋅荷電率為零，不存在老化問題。氧化鋅良好的伏安特性又使間隙放電后無截波，無續(xù)流，間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，提高了保護器的使用壽命。
（2） HQLB通過改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間瓷環(huán)材料的介電系數(shù)，使得其沖
擊系數(shù)接近于1。上升前沿為1.2μs的沖擊電壓放電值與上升前沿為5ms的工頻電壓放電值相同。這樣，在操作沖擊電壓波形范圍內(nèi)（20μs-50ms）的任意波形電壓，放電電壓值均相等，保護性能穩(wěn)定。
（3） HQLB采用四星型接線方式，相對相及相對地的保護水平相同，可大大降低相間過電壓。與常規(guī)氧化鋅避雷器相比，相間過電壓下降了60%-70%，保護的可靠性大為提高。
（4） 大容量，允許800A 2ms的能量指標(biāo)。
五、幾點結(jié)論
1. 中壓電網(wǎng)固體絕緣設(shè)備的增多，在操作過電壓下將產(chǎn)生絕緣的積累性破壞。真空斷路器的大量采用，使操作過電壓出現(xiàn)的概率明顯提高。為保證固體絕緣設(shè)備的運行壽命不降低，必須對真空斷路器的操作過電壓采取有效的限制措施。
2. 真空斷路器操作過電壓一般為額定相電壓的3～4倍，多數(shù)為3.5倍左右。這樣的過電壓還不足以造成絕緣的直接擊穿，但局部放電會給固體絕緣帶來積累性損傷，尤其對絕緣較低的電動機威脅很大。
3. 目前市場上流行的過電壓保護器種類繁多，五花八門，而且都自稱既能限制雷電過電壓，也能限制操作過電壓。建議用戶按下述原則選擇：
（1）應(yīng)能將各種過電壓限制到設(shè)備絕緣允許的范圍以內(nèi)。過電壓保護器工頻放電電壓應(yīng)設(shè)計在額定相電壓的3.5倍左右，對于保護電機型的應(yīng)設(shè)計在2.5倍左右。
反之，若工頻放電電壓超過額定相電壓的4倍，則根本談不上限制操作過電壓了。
（2）中壓設(shè)備相對地絕緣水平與避雷器或過電壓保護器的保護特性之間余度不大，而設(shè)備相間絕緣水平與相地絕緣水平相同，建議盡量選用對稱參數(shù)四星型結(jié)構(gòu)的過電壓保護器。
（3）對于中性點非直接地系統(tǒng)，避雷器、過電壓保護器的持續(xù)運行電壓應(yīng)按照線電壓選取，以保證自身安全。
參考文獻(xiàn)：
許穎，《3-66KV中性點非有效接地系統(tǒng)無間隙氧化鋅避雷器存在的問題》，《中國電力》，第六期，1994年。
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