过电压的防治.doc

大气过电压及操作过电压的防治（安徽至臻电气有限公司）335kV电力供电系统上，过电压现象十分普遍，包括雷电过电压、操作过电压、弧光过电压、谐振过电压等，每种过电压特性不同，防治原理也不同。一、 雷电过电压形成及分类雷电过电压，是由于电力系统的设备或建(构)筑物遭受来自大气中的雷击或雷电感应而引起的过电压，因其能量来自系统外部，故又称为外部过电压。 雷电过电压有两种基本形式：直击雷过电压和感应雷过电压。 1直击雷过电压 直击雷（direct lightning）过电压是指雷云直接对电气设备或建筑物放电而引起的过电压。强大的雷电流通过这些物体导入大地，从而产生破坏性极大的热效应和机械效应，造成设备损坏，建筑物破坏。 图1.1 直击雷的放电 图1.2 雷电流波形2感应雷过电压 所谓感应雷过电压，是指当架空线附近出现对地雷击时，在输电线路上感应的雷电过电压。感应雷过电压的形成过程可以用图1.3来表示，在雷云放电的起始阶段，雷云及其雷电先导通道中的电荷所形成的电场对线路发生静电感应，逐渐在线路上感应出大量异号的束缚电荷Q。由于线路导线和大地之间有对地电容C存在，从而在线路上建立一个雷电感应电压U=Q/C。当雷云对地放电后，线路上的束缚电荷被释放而形成自由电荷，向线路两端冲击流动。这就是感应雷过电压冲击波。图1.3感应雷过电压的形成过程高压线路上的感应过电压，可高达几十万伏，低压线路上的感应过电压，也可达几万伏。如果这个雷电冲击波沿着架空线路侵入变电站或厂房内部，对电气设备的危害很大。针对大气过电压，金属氧化物避雷器的动作时间快，残压值不高等特点，可以有效的防治大气过电压。二、 操作过电压的产生及分类操作过电压是指电路中的断路器、隔离开关、继电器、可控硅开关等通断转接时，在系统电路中、电路对地以及开关两端所产生的过电压。产生操作过电压的原因是由于线路及其中的元器件都带有电感和电容，储存在电感中磁能和储存在电容中的静电场能量，在电路状态突变时产生能量转换，过度的振荡过程，由振荡而出现过电压。操作过电压的持续时间比雷击过电压长，比暂态过电压短，在数百微妙到100mS之间，并且衰减很快。 常见的真空断路器操作过电压又可以分为截流过电压、多次重燃过电压、三相开断过电压。 1. 截流过电压。由于真空断路器有良好的灭弧性能，当开断小电流时，电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电，转变为电场能量。对于电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生高的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。从理论上讲可以产生很高的过电压，但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用，但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。 2.多次重燃过电压。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距不够大，就会发生第二次重燃，再灭弧、再重燃以致发生多次重燃现象，多次的充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏电气设备。 3.三相开断过电压。三相开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使未开断相随之被切断，在其他两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相开断过电压。 针对操作过电压目前市场上的保护设备比较混乱，主要有二个类别，组合式过电压保护器和阻容吸收器，两种产品都有自己的优点及不足，组合式过电压保护器的优点是可以对相间和相地起到同样的保护效果，且吸收能量大，对系统没有任何干扰，缺点是动作时间稍慢。阻容吸收器的优点是可以降低过电压的频率，就是通常意义上说的延缓陡波，缺点较多，主要是吸收能量小，正常运行时电容容易老化，增加电容电流，使电网复杂性加大。因此在高载能区域可以选择性使用，但不能选择复合式过电压保护器。复合式过电压保护器是将两者结合到一起，为了解决电容老化及电容电流的问题，增加了间隙，问题解决了，但阻容吸收器的优点也被隔离了。针对弧光过电压及谐振过电压，都有专门的限制设备，才可以有效的限制过电压的危害。对过电压保护器的比较：普通金属氧化物避雷器（H系列）表征氧化锌阀片长期运行的寿命指标为荷电率：= 其中，Ue为设备的额定电压，U1mA为氧化锌阀片直流1mA参考电压。在设计及使用中，荷电率应低于0.75才能保证氧化锌避雷器自身安全可靠地运行。若该避雷器的1mA按相电压选取，则荷电率较高，特别是在单相接地情况下，n阀片将会严重老化，自身安全无法保证；若1mA按线电压选取，则残压值太高。国标GB311.1-1997规定，最高电压在1kVUm252kV的范围内，电气设备的相间绝缘耐受电压与相对地绝缘耐受电压值相同。对于在运行中的高压电动机，其相对地和相对相之间的绝缘所能承受的过电压数值，我们做一下分析。一般电动机的一分钟工频耐压值为2Ue+1。对已运行的电动机取上述耐压值的75%，即电动机的冲击耐压值为：US=（2Ue+1）1.1575%式中：1.15为电动机绝缘的操作冲击系数；Ue为电动机的额定电压。以6kV电压等级电动机为例，其相对地和相对相之间绝缘的冲击耐压水平按上式计算结果如下：US=（26+1）1.1575%=15.9kV工业生产的ZNO的残压比一般均1.4，国标又规定U1MA11.3KV，则：残压比=U100A/U1ma1.4 残压U100A1.411.3即15.8KV，即普通6KV的YH5W单只对地保护水平（或称过电压限制值，过电压保护器残压值、100A电压值）最好值为15.8KV，即YH5W只能将相对地过电压限制在15.8KV以下；操作过电压产生在相间时，YH5W需要两单只ZNO动作来限制过电压，限制值为两倍（即31.6KV），解释为相间过电压不超过31.6KV时，YH5W不动作，假设产生了20KV的相间过电压，电动机相间绝缘已受损伤，而YH5W却不动作，不起作用，所以YH5W是避雷器而非操作过电压保护器。组合式过电压保护器是由四个带串联间隙的氧化锌避雷器组合而成的过电压保护器。采用这种特殊的结构和接线方式拥有如下特性。1、氧化锌和间隙互为保护。间隙使氧化锌荷电率为零，不存在老化问题。氧化锌良好的伏安特性又使间隙放电后无截波，无续流，间隙不再承担灭弧任务，提高了保护器的使用寿命。2、通过改善间隙的结构以及选择间隙之间瓷环材料的介电系数，使得其冲击系数接近于1。上升前沿为1.2s的冲击电压放电值与上升前沿为5ms的工频电压放电值相同。这样，在操作冲击电压波形范围内（20s-50ms）的任意波形电压，放电电压值均相等，保护性能稳定。3、采用四星型接线方式，相对相及相对地的保护水平相同，可大大降低相间过电压。与常规氧化锌避雷器相比，相间过电压下降了60%-70%，保护的可靠性大为提高。SDB组合式过电压保护器还有以下几个优点：1、采用特性优异的高能氧化锌电阻，通流容量大，可做到600A/2ms和800A/2ms.使用范围广，可以使用在对过电压保护器性能要求更高的场合。更适用于电力系统中频繁产生较长持续时间的过电压、而被保护设备的绝缘又相对薄弱的场所中。2、SDB组合式过电压保护器护器本身自带液晶无源放电记数器（选配），时刻反映并记录被保护设备的过电压发生状况，记录三相六路的过电压次数，预知系统故障，为事故分析提供依据。3、氧化锌阀片采用能量均衡原理，在烘烤箱中烘制而成。4、阀片单元采用整体模压式独立密封。此工艺在组合式过压保护器中为首创，已实施两年多。将ZnO阀片配片后缠绕固化胶带，送硅橡胶硫化床中硫化，实现整体模压，成型后的ZnO阀片与外套硅橡胶之间无任何空隙，不会产生呼吸现象，内部短路可能性大大下降。阻容吸收器的优点是可以降低过电压的频率，就是通常意义上说的延缓陡波，缺点较多，主要是吸收能量小，不能限制过电压的幅值，对设备绝缘起不到保护作用，正常运行时电容容易老化，增加电容电流，使电网复杂性加大。因此在高载能区域可以选择性与组合式过电压保护器配合使用。综上所述，对系统过电压