甘 維

(江西晶昊鹽化有限公司， 江西樟樹 331200)

1 前言

在10 kV中壓系統(tǒng)中，真空斷路器大量使用，在操作分?jǐn)喔行载?fù)載時(shí),由于截流、重燃或三相同時(shí)開斷等因素而產(chǎn)生較高電壓，其峰值一般是電源電壓的3倍以上，這種較高電壓能量容易對(duì)設(shè)備絕緣造成損壞。如不采取抑制措施，會(huì)給電網(wǎng)帶來沖擊，可能會(huì)造成斷路器越級(jí)跳閘導(dǎo)致全面停電的嚴(yán)重后果，不利于電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，利用金屬氧化鋅的非線性電阻特性為核心材料制作而成的能量抑制類設(shè)備也蓬勃發(fā)展起來，例如：避雷器MOA、組合式過電壓保護(hù)器等因保護(hù)特性的不同分別運(yùn)用在不同的電力設(shè)備上，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保護(hù)。根據(jù)使用情況，針對(duì)市面上幾款主流的過電壓保護(hù)器的工作原理及選型進(jìn)行分析。

2 金屬氧化鋅避雷器

一些老式的工業(yè)企業(yè)采用10 kV系統(tǒng)都是中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，仍有不少抑制過電壓設(shè)備采用的是避雷器(下簡(jiǎn)稱MOA)的方式作為過電壓保護(hù)。見圖1，避雷器上端接在相線下端接地。而10 kV系統(tǒng)運(yùn)行中的電機(jī)，相對(duì)地及相間絕緣能所承受的過電壓值理論計(jì)算用下式可得：

式中：Ue——電動(dòng)機(jī)額定電壓，V；K——沖擊系數(shù)，取1.15～1.25；0.75——老化系數(shù)。

若K取1.15代入式中得;

根據(jù)GB11032-89,10 kV的MOA的操作沖擊電流殘壓U殘≥25 kV，對(duì)照MOA保護(hù)水平U相地=25.6 kV、U相間經(jīng)過兩只避雷器的串聯(lián)殘壓是U相地的2倍，即U相間=51.2 kV，可以看出，該保護(hù)方式對(duì)系統(tǒng)中相對(duì)地過電壓可以起到一定的保護(hù)作用而對(duì)相間過電壓則無法起到保護(hù)。

圖1 MOA避雷器基本原理Fig.1 Basic principle of MOA arrester

在架空線路上，供電系統(tǒng)可能承受的過電壓沖擊主要是由于雷擊產(chǎn)生的雷電侵入波過電壓，表現(xiàn)形式主要是單相對(duì)地過電壓。10 kV系統(tǒng)避雷器通常采用直徑30 mm的氧化鋅閥片和環(huán)氧樹脂等材料真空澆筑而成，2 ms方波通流量能達(dá)到150 A左右，能將較大的雷電沖擊能量通過內(nèi)部氧化鋅閥片引向大地，從而減小對(duì)電網(wǎng)的能量沖擊。

由于氧化鋅避雷器MOA在相對(duì)地過電壓能取到較好的保護(hù)以及性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，一般被廣泛使用在架空線路上。

3 組合式過電壓保護(hù)器原理及缺陷

采用氧化鋅閥片的非線性顯著通流容量大、殘壓平穩(wěn)、漏電流小等優(yōu)點(diǎn)制作組合式過電壓保護(hù)器對(duì)相地、相間過電壓都具有抑制作用，保護(hù)功能更完善。且大多數(shù)保護(hù)器都配備了監(jiān)視儀，能實(shí)時(shí)顯示保護(hù)器的運(yùn)行狀態(tài)，有些保護(hù)器還能使用通信方式將監(jiān)視信息集中傳送至監(jiān)控后臺(tái)。可讓檢修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的安全隱患，盡早進(jìn)行更換。組合式過電壓保護(hù)器主要是由氧化鋅閥片的不同組合制作而成，主要分為有間隙型和無間隙型。

3.1 串聯(lián)間隙型過電壓保護(hù)器的構(gòu)成

圖2 四間隙過壓保護(hù)器Fig.2 Four gaps overvoltage protector

3.2 主要存在的問題

由于保護(hù)器中有間隙的存在，并且間隙間的距離也影響了每相U1mA電壓，間隙還增加了系統(tǒng)對(duì)地的雜散電容，使工頻電壓分布不均勻。由于間隙分散度大，導(dǎo)致保護(hù)器動(dòng)作同步性差，較靈敏的保護(hù)器優(yōu)先動(dòng)作，將系統(tǒng)電壓限制住，其他保護(hù)器則不再動(dòng)作。隨著放電次數(shù)的增加，其內(nèi)部材料會(huì)發(fā)生不同程度老化從而導(dǎo)致保護(hù)值會(huì)發(fā)生變化。而這種老化不易被監(jiān)視儀所檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)再次發(fā)生過電壓時(shí)，氧化鋅閥片極易被擊穿，增加相間短路故障的發(fā)生率。

由于該類帶間隙保護(hù)器在實(shí)際運(yùn)用中易發(fā)生爆炸事故，起不到保護(hù)作用，保護(hù)器本身還成為故障隱患，出現(xiàn)爆炸情況的問題比較多，故大多數(shù)用戶都有意識(shí)地規(guī)避使用串聯(lián)間隙型組合過電壓保護(hù)器。

4 無間隙四柱型、六柱型保護(hù)器保護(hù)原理及分析

4.1 無間隙四柱組合式過電壓保護(hù)器

無間隙四柱組合式過電壓保護(hù)器接線見圖3。由A、B、C、D四個(gè)保護(hù)單元兩兩組合成六個(gè)保護(hù)通道，分別保護(hù)三相對(duì)地過電壓和相間過電壓。

圖3 無間隙組合式過電壓保護(hù)器Fig.3 Gapless combined type overvoltage protector

4.2 無間隙四柱過電壓保護(hù)器技術(shù)性能分析

當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，氧化鋅閥片不導(dǎo)通。當(dāng)系統(tǒng)過電壓超過U1mA時(shí)，氧化鋅閥片呈通流狀態(tài)，利用其非線性電阻特性對(duì)系統(tǒng)過電壓實(shí)現(xiàn)鉗制。

氧化鋅閥片的非線性曲線及其特征參數(shù)的描述見圖4。

圖4 氧化鋅閥片的伏安特性曲線Fig.4 Volt ampere characteristic curve of zinc oxide valve plate

非線性電阻保護(hù)性能的參數(shù)殘壓比為：

K1=U殘/U1mA

(1)

氧化鋅閥片的壽命指標(biāo)為荷電率：

K2=Ue/U1mA

(2)

式中：Ue——長(zhǎng)期施加在氧化鋅閥片上的工作電壓。

要保證氧化鋅閥片長(zhǎng)期安全地運(yùn)行，根據(jù)GB11032-2000標(biāo)準(zhǔn)，荷電率需要小于0.75。在此前提下，對(duì)于10 kV電力系統(tǒng)，可以計(jì)算出氧化鋅閥片的安全運(yùn)行的基本條件。

無間隙四柱過電壓保護(hù)器基本原理見圖3，正常工況下，M點(diǎn)為零電位，對(duì)10 kV系統(tǒng)，施加在每相單元氧化鋅閥片上的電壓為：

將Ue=6.97，K2=0.75代入(2)式可得：

U1mA=Ue/K2=6.97/0.75=9.29 kV

目前國(guó)產(chǎn)用于過電壓保護(hù)器的氧化鋅閥片的殘壓比K1一般為1.3。

將U1mA=9.29 kV，K1=1.3代入(1)式可得：

U殘=K1×U1mA=1.3×9.29 =12.077 kV

那么U相間=2×12.077 kV=24.154 kV

因此，殘壓比為1.3的氧化鋅閥片，10 kV系統(tǒng)不低于24.154 kV時(shí)，過電壓保護(hù)器是安全的。

4.3 無間隙四柱過電壓保護(hù)器存在的問題

由于無間隙四柱型過電壓保護(hù)器人為制造了中性點(diǎn)，原來整只氧化鋅避雷器所承受的相對(duì)地運(yùn)行電壓，變成了半只避雷器來承擔(dān)，使得相間氧化鋅單元長(zhǎng)期運(yùn)行荷電率過高。為了相間閥片單元運(yùn)行的可靠性，不得不提高相間閥片單元的額定電壓，由于相間過電壓主要為操作過電壓，因此，適當(dāng)提高相間閥片額定電壓可以滿足絕緣配合的要求。但要兼顧相對(duì)地過電壓水平，在相間閥片單元額定電壓提高的同時(shí)，地相閥片單元的額定電壓被降低。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單相接地或者弧光接地時(shí)，地相單元承受電壓作用，由于分壓效應(yīng)，過低的額定電壓使得相地單元有可能發(fā)生熱崩潰。

4.4 無間隙六柱型組合式過電壓保護(hù)器

4.4.1 無間隙六柱組合式過電壓保護(hù)器技術(shù)性能

六柱組合式過電壓保護(hù)器，圖5為六柱結(jié)構(gòu)，相間和相地為獨(dú)立的、完整的氧化鋅閥片單元，再利用氧化鋅閥片非線性電阻特性作為保護(hù)機(jī)理的一種保護(hù)裝置，所有的氧化鋅組件獨(dú)立運(yùn)行，套入上式計(jì)算所得10 kV運(yùn)行電機(jī)相地之間25.6 kV耐受極限以及該類產(chǎn)品的相地動(dòng)作電壓18.6 kV時(shí)，在面對(duì)相地之間的過電壓保護(hù)器是能起到保護(hù)作用的。相間過電壓也能控制在23.2 kV且各單元獨(dú)立互不干擾，能很好地抑制雷電過電壓和操作過電壓。

保護(hù)器為無間隙、無人為中性點(diǎn)，體積與四柱保護(hù)器一樣大。保護(hù)器動(dòng)作依靠氧化鋅閥片物理特性，沒有截波存在，無放電延時(shí)，響應(yīng)速度快，響應(yīng)速度為納秒量級(jí)，動(dòng)作穩(wěn)定。

圖5 六柱保護(hù)器原理圖Fig.5 Schematic diagram of six column protector

保護(hù)器還配有最新的在線監(jiān)測(cè)儀，不僅能記錄保護(hù)裝置的動(dòng)作次數(shù)，而且還能夠在該保護(hù)裝置內(nèi)部氧化鋅閥片的泄漏電流超過所設(shè)的安全值時(shí)，在線監(jiān)測(cè)儀上將會(huì)立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。該報(bào)警信號(hào)在監(jiān)測(cè)儀上顯示的同時(shí)，還可通過RS485或CAN通訊將報(bào)警信息送到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，通知運(yùn)行或維護(hù)人員將有問題的六柱保護(hù)器更換，避免了事故的發(fā)生。

4.5 兩類組合保護(hù)器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

四柱型組合過電壓保護(hù)器通常情況下都能對(duì)設(shè)備起到保護(hù)作用，由于加入了人為中性點(diǎn)，在設(shè)備發(fā)生一相金屬性接地故障后，其余沒有發(fā)生故障相隨著電壓升高再加上分壓作用存在一定的設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)。六柱型組合過電壓保護(hù)器由6只完全獨(dú)立的保護(hù)單元組合而成，保護(hù)動(dòng)作時(shí)各部分不會(huì)相互影響，完全克服了因人為中性點(diǎn)而產(chǎn)生的分壓?jiǎn)栴}。

在選擇組合式過電壓保護(hù)器時(shí)應(yīng)根據(jù)保護(hù)對(duì)象的不同、電壓等級(jí)的不同、通流量的不同，所選的型號(hào)也有些許變化，選型時(shí)需嚴(yán)格按設(shè)備所需進(jìn)行。

5 組合式過電壓保護(hù)器在安裝使用中的注意事項(xiàng)

除了正確的選型能給設(shè)備的運(yùn)行帶來全方位的保護(hù)外，使用過程中加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)也是增加設(shè)備使用穩(wěn)定性的重要因素之一。

(1)10 kV組合式過電壓保護(hù)器一般安裝在配電柜的出線室，通常需要垂直安裝。在投運(yùn)前做耐壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)該將保護(hù)器一次引線斷開，否則容易在耐壓實(shí)驗(yàn)過程中被擊穿。

(2)對(duì)于過電壓保護(hù)器需要重點(diǎn)關(guān)注其保護(hù)器上的監(jiān)視參數(shù)，因?yàn)楸Ｗo(hù)器每次動(dòng)作對(duì)氧化鋅閥片都是不可逆的。需嚴(yán)格按照規(guī)程要求定期對(duì)設(shè)備絕緣和泄露電流進(jìn)行測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)絕緣電阻明顯降低或者被擊穿，應(yīng)立即更換以確保配電設(shè)施安全運(yùn)行。U1mA泄露電流檢測(cè)周期一般3 a/次。

(3)一些高壓室建設(shè)在企業(yè)建筑的一樓，電纜溝設(shè)計(jì)一般低于建筑基準(zhǔn)水平，江南區(qū)域雨水充足，地下水系也很發(fā)達(dá)。如封堵不好則容易造成電纜溝滲水。再加上配電柜的進(jìn)線口封堵不好，這樣的水汽很容易順著電纜進(jìn)入配電柜，極易造成安裝在出線室的過電壓保護(hù)器表面形成凝露損害設(shè)備絕緣形成爬電現(xiàn)象。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備的巡檢盡早發(fā)現(xiàn)隱患，避免由于長(zhǎng)時(shí)間爬電而形成的相間短路。如有必要還可在配電室外制作低于電纜溝的集水井，并增加抽水裝置，通過控制配電室區(qū)域的地下水位確保電纜溝內(nèi)不積水。

(4)為確保設(shè)備的運(yùn)行安全，企業(yè)應(yīng)盡可能創(chuàng)造條件，比如在高壓室安裝空調(diào)用于室內(nèi)及設(shè)備的除濕，由于每年梅雨季節(jié)，高壓室內(nèi)很容易被潮氣入侵，高壓室長(zhǎng)時(shí)間的受潮，最終潮氣會(huì)滲入高壓柜內(nèi)。柜內(nèi)導(dǎo)電體材質(zhì)為銅材，負(fù)荷變化形成的溫差極易在表面形成凝露。因室內(nèi)受潮每年發(fā)生的高壓系統(tǒng)設(shè)備放電現(xiàn)象也很普遍，有些很難徹底根除最終釀成安全事故。

6 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，電力行業(yè)各種保護(hù)措施也不斷更新和發(fā)展，由于有間隙組合式過電壓保護(hù)器易發(fā)生爆炸逐步被無間隙組合式過電壓保護(hù)器取代。無間隙保護(hù)器能有效抑制相對(duì)相、相對(duì)地過電壓，因而具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和使用價(jià)值。正常操作過電壓保護(hù)器動(dòng)作后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，不會(huì)發(fā)生短路故障。但任何保護(hù)設(shè)備都有其使用壽命和耐受極限，當(dāng)所承受的能量超過保護(hù)器所能承受能力時(shí)，氧化鋅閥片會(huì)由于過熱擊穿形成短路故障，此時(shí)保護(hù)器連接線會(huì)迅速燒毀，將故障狀態(tài)的過電壓保護(hù)器脫離于系統(tǒng)，使過電壓設(shè)備保護(hù)退出運(yùn)行，有效地保護(hù)用電設(shè)備安全。

電力系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行是企業(yè)能否正常生產(chǎn)的重要保障之一，組合式過電壓保護(hù)器因其良好的保護(hù)性能、體積較小且不占配電柜空間等優(yōu)點(diǎn)，被電力系統(tǒng)認(rèn)可并得到廣泛應(yīng)用。在實(shí)際使用過程中，一定要加強(qiáng)巡查維護(hù)保養(yǎng)，創(chuàng)造安全使用環(huán)境，使保護(hù)效果得到更好體現(xiàn)。