王琳琳 盧家濤

1 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002） 2 南水北調(diào)中線建管局河南直管建管局（450000）

大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）在水泥廠中的應(yīng)用

王琳琳1盧家濤2

1 河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002） 2 南水北調(diào)中線建管局河南直管建管局（450000）

電網(wǎng)運(yùn)行中所遭受的雷電過電壓及操作真空斷路器所產(chǎn)生的操作過電壓對(duì)電氣設(shè)備的危害是眾所周知的，如何合理選用過電壓保護(hù)器，對(duì)大氣過電壓及操作過電壓進(jìn)行有效的限制，是電氣設(shè)計(jì)人員經(jīng)常面臨的一個(gè)重要問題。筆者以10 kV電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行分析、計(jì)算、選擇。實(shí)際運(yùn)行表明，由四個(gè)帶放電間隙和氧化鋅電阻串聯(lián)單元組合的四星形大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）可以有效的限制大氣過電壓和操作過電壓，對(duì)相間和相對(duì)地的過電壓均能起到可靠的限制作用。

過電壓；大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）

水泥廠中主要的電氣設(shè)備有變壓器、電動(dòng)機(jī)、電纜和斷路器等，這些電氣設(shè)備絕大部分時(shí)間工作在正常電壓下，但隨時(shí)有可能遭受到直擊雷或感應(yīng)雷等外部過電壓的威脅，危及設(shè)備安全，導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣加速老化甚至損壞，嚴(yán)重者更會(huì)擴(kuò)大故障范圍，引起重大的經(jīng)濟(jì)損失。此外，近年來由于真空斷路器具有優(yōu)良的滅弧性能、高電氣恢復(fù)強(qiáng)度、優(yōu)異的頻繁操作特性等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外中壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。但操作真空斷路器引起的操作過電壓對(duì)電氣設(shè)備的危害是非常大的。這是因?yàn)檎婵諗嗦菲髌漭^強(qiáng)的滅弧能力往往在電流尚未達(dá)到自然零點(diǎn)前，電弧熄滅，這就使在切斷感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生較高的過電壓，這種內(nèi)部操作過電壓由于其峰值高、波形陡，因此對(duì)電氣設(shè)備絕緣威脅很大。為保障電氣設(shè)備的正常安全運(yùn)行,合理選用過電壓保護(hù)器,對(duì)大氣過電壓及操作過電壓進(jìn)行有效的限制。

1 組合式過電壓保護(hù)器

組合式過電壓保護(hù)器是一種新型過電壓保護(hù)器，主要應(yīng)用于35 kV及以下電力系統(tǒng)中，用以限制大氣過電壓、真空斷路器操作過電壓以及電力系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種暫態(tài)過電壓，可以有效地保護(hù)電動(dòng)機(jī)、變壓器、斷路器、電容器、電纜等電力設(shè)備的絕緣不受損害，對(duì)相間和相對(duì)地的過電壓均能起到可靠的限制作用。組合式過電壓保護(hù)器的種類較多，使我們?cè)趹?yīng)用選擇上有很大的空間，但同時(shí)又會(huì)使我們選擇更為慎重。這里以一個(gè)實(shí)例來探討組合式過電壓保護(hù)器的選用問題，以10 kV電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行選擇。

在設(shè)計(jì)中，我們首先考慮選用常規(guī)不帶放電間隙的星形接法氧化鋅避雷器作為過電壓保護(hù)，其相對(duì)地和相對(duì)相之間的絕緣所能承受的過電壓數(shù)值，可用下式進(jìn)行計(jì)算:

其中:Ue—高壓電動(dòng)機(jī)的額定電壓；K—沖擊系數(shù)，取K=1.15。

為了保證氧化鋅避雷器的安全運(yùn)行，其標(biāo)稱電壓U1mA必須大于Ucg,因此對(duì)10 kV氧化鋅避雷器通常取U1mA=18.5～19.5 kV；當(dāng)選用氧化鋅避雷器不帶放電間隙時(shí)，其通過100 A時(shí)的操作沖擊殘壓Uc與U1mA之比為1.4?？梢郧蟪?

從上面的計(jì)算結(jié)果可以看出Uc≈Us，因此常規(guī)不帶放電間隙的星型氧化鋅避雷器，對(duì)于保護(hù)高壓電動(dòng)機(jī)的相對(duì)地之間的絕緣是非常勉強(qiáng)的，其可靠性較差。

我們?cè)賮碛?jì)算一下相對(duì)相之間的絕緣情況。仍以10 kV高壓電動(dòng)機(jī)為例，先對(duì)不帶放電間隙的氧化鋅避雷器進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)相對(duì)地之間的絕緣上加有U1mA=18.5～19.5 kV時(shí)，其相對(duì)相之間的絕緣上也將加有1.5U1mA=1.5×（18.5～19.5）=27.8～29.3 kV，這些電壓分別超過或接近10 kV高壓電動(dòng)機(jī)的Us數(shù)值。如果將氧化鋅避雷器流過100 A時(shí)的操作沖擊殘壓作為相對(duì)地之間絕緣上的電壓，則此時(shí)加在相對(duì)

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，其所能承受的工頻電壓最大值Ucg為:相之間絕緣上的電壓,將比Us超過更多。由此可見，不帶放電間隙的氧化鋅避雷器對(duì)相對(duì)相之間的絕緣基本上起不到保護(hù)作用。

從上面計(jì)算結(jié)果可以看出，10 kV電動(dòng)機(jī)若選用常規(guī)氧化鋅避雷器進(jìn)行過電壓保護(hù)不能滿足電氣設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行。因此，我們決定選用帶放電間隙的四星形接法的大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）。

大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）的產(chǎn)品原理及特點(diǎn)。

大能容組合式過電壓保護(hù)器，由四個(gè)帶放電間隙和氧化鋅電阻串聯(lián)的單元組合成四星形結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 電氣原理圖

由上圖看出:1）這種對(duì)稱結(jié)構(gòu)不論是相對(duì)地還是相與相之間均有兩只氧化鋅元件串聯(lián)，避免了常規(guī)的氧化鋅避雷器把中心點(diǎn)直接接地，使得相對(duì)地和相與相接地阻值不均衡的弊端。因此，對(duì)相對(duì)相和相對(duì)地的過電壓均能起到可靠的限制作用。

2）BSTG過電壓保護(hù)器采用四星形接線方式，可將相間出現(xiàn)的過電壓幅值降低到最小，與常規(guī)的保護(hù)裝置相比，其相間電壓的幅值可下降70%。可將操作過電壓可靠地限制在被保護(hù)設(shè)備的絕緣允許范圍內(nèi)，而且在單相接地、間隙性弧光接地和諧波振過電壓下可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

3）BSTG采用放電間隙和氧化鋅非線性電阻相串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，使兩者互為保護(hù)。放電間隙使氧化鋅電阻的荷電率為零，不存在老化問題。氧化鋅電阻良好的非線性特性又使放電間隙動(dòng)作后立即熄弧，不會(huì)出現(xiàn)截流和續(xù)流等，放電間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，從而提高了其使用壽命。

4）帶放電間隙的BSTG過電壓保護(hù)器由于充分利用了氧化鋅閥片的優(yōu)點(diǎn)，間隙無需滅弧，因此只需一個(gè)間隙而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。一個(gè)間隙的結(jié)構(gòu)使間隙分散度大的問題得到解決，一般由制造誤差引起的分散度在10%以內(nèi)。另外，單間隙使放電值不再受外殼環(huán)境因素變化的干擾，放電電壓分散度在5%以內(nèi)。

5）BSTG過電壓保護(hù)器通過改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間瓷環(huán)材料的介電系數(shù)，沖擊系數(shù)可以達(dá)到1，也就是上升前沿為1.2 μs的沖擊電壓放電值和上升前沿為5 ms的工頻電壓放電值一致。這樣，在操作沖擊電壓波形范圍內(nèi)（20 μs～50 ms）的任意波形電壓，放電電壓值均相等。

對(duì)于10 kV電動(dòng)機(jī),我們選用BSTG-A-12.7/ 600,其保護(hù)器的額定參數(shù):持續(xù)運(yùn)行電壓為12.7 kV，工頻放電電壓為17.2 kV，1.2/50沖擊放電電壓及殘壓不大于24.8 kV，100 A操作沖擊電流殘壓不大于23.1 kV。其持續(xù)運(yùn)行電壓較高（12.7 kV＞10 kV），可以滿足設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間工作在線電壓下的要求。而通過100 A時(shí)的操作沖擊電流殘壓又低于電動(dòng)機(jī)絕緣能承受的過電壓（23.1 kV＜25.6 kV）。因此，BSTG大能容組合式過電壓保護(hù)器，可以有效地保護(hù)電氣設(shè)備不受相對(duì)相和相對(duì)地過電壓影響。

2 結(jié)語

從以上分析我們可以看出，常規(guī)不帶放電間隙的星形接法氧化鋅避雷器保護(hù)作用比較勉強(qiáng)，可靠性較差。而大能容組合式過電壓保護(hù)器（BSTG）是由四個(gè)帶放電間隙和氧化鋅電阻串聯(lián)的四星形結(jié)構(gòu)，可以有效地限制大氣過電壓及真空斷路器開斷過程中所產(chǎn)生的操作過電壓，對(duì)相間和相對(duì)地的過電壓均能起到可靠的限制作用。從這幾年投入水泥廠實(shí)際運(yùn)行情況來看，未見發(fā)生誤動(dòng)作，系統(tǒng)也沒有發(fā)生短路擊穿現(xiàn)象，能夠可靠運(yùn)行。

[1]DL/T 620-1997,交流電氣裝置的過電壓保護(hù)和絕緣配合[S].

[2]劉桂霞.真空斷路器的操作過電壓及其防護(hù)[J].電氣技術(shù), 2007.

[3]林桂.淺談過電壓保護(hù)器與避雷器在10 kV電網(wǎng)中的應(yīng)用[J].投資與合作.