组合式过电压保护器培训材料

1 三相组合式过电压保护器培训材料三相组合式过电压保护器培训材料 一 过电压保护产品的发展一 过电压保护产品的发展 一 基础的过电压保护产品 避雷器 最基础的过电压保护产品就是避雷器 最原始的避雷器是羊角形间隙 出现于 19 世纪末期 用于架空输电线路 防止雷击损坏设备绝缘而造成停电 故称 避雷器 现代的高压避雷器 不仅用于限制电力系统中因雷电引起的过电压 也用于限制因系 统操作产生的过电压 现代的避雷器有管式和阀式两大类 阀式避雷器分为碳化硅避雷器和金属氧化物 避雷器 又称氧化锌避雷器 1 管式避雷器 30 年代 其基本工作元件是内间隙 又称灭弧间隙 内间隙 置于产气材料制成的灭弧管内 外间隙将管子与电网隔开 雷电过电压使内外间隙放 电 内间隙电弧高温使产气材料产生气体 管内气压迅速增加 高压气体从喷口喷出 灭弧 管式避雷器具有较大的冲击通流能力 可用在雷电流幅值很大的地方 但管式 避雷器放电电压较高且分散性大 动作时产生截波 保护性能较差 主要用于变电所 发电厂的进线保护和线路绝缘弱点的保护 2 碳化硅避雷器 50 年代 其基本工作元件是叠装于密封瓷套内的火花间隙 和碳化硅阀片 电压等级高的避雷器产品具有多节瓷套 火花间隙的主要作用是平 时将阀片与带电导体隔离 在过电压时放电和切断电源供给的续流 碳化硅避雷器的 火花间隙由许多间隙串联组成 放电分散性小 伏秒特性平坦 灭弧性能好 碳化硅 阀片是以电工碳化硅为主体 与结合剂混合后 经压形 烧结而成的非线性电阻体 呈圆饼状 碳化硅阀片的主要作用是吸收过电压能量 利用其电阻的非线性 高电压 大电流下电阻值大幅度下降 限制放电电流通过自身的压降 称残压 和限制续流幅 值 与火花间隙协同作用熄灭续流电弧 碳化硅避雷器按结构不同 又分为普通阀式 和磁吹阀式两类 后者利用磁场驱动电弧来提高灭弧性能 从而具有更好的保护性能 碳化硅避雷器保护性能好 广泛用于交 直流系统 保护发电 变电设备的绝缘 3 氧化锌避雷器 70 年代 其基本工作元件是密封在瓷套内的氧化锌阀片 氧化锌阀片是以 ZnO 为基体 添加少量的添加剂制成的非线性电阻体 具有比碳化硅好 得多的非线性伏安特性 在持续工作电压下仅流过微安级的泄漏电流 动作后无续流 2 因此金属氧化锌避雷器不需要火花间隙 从而使结构简化 并具有动作响应快 耐多 重雷电过电压或操作过电压作用 能量吸收能力大 耐污秽性能好等优点 由于金属 氧化锌避雷器保护性能优于碳化硅避雷器 已在逐步取代碳化硅避雷器 广泛用于交 直流系统 保护发电 变电设备的绝缘 尤其适合于中性点有效接地 见电力系统中性 点接地方式 的 110 千伏及以上电网 二 防止真空断路器装置操作过电压的保护装置 1 阻容吸收装置 优点 能缓和入侵到被保护设备的过电压波的陡度陡度 改善设备绕组上的电压梯度 缺点 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 2 无间隙氧化锌避雷器 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 性能极其优异 使其在正常工作下接近绝缘状态 缺点是它保护残压较高 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 这对于保护绝缘耐压水平较低的电动机类设备 来说还存在不足的 3 带串联间隙氧化锌避雷器 但是众所周知 在 ZnO 压敏元件的应用中 存在着工频电压老化和承受暂态过电 压能力低的致命弱点 使之保护参数不能设计得太低 特别是在中性点非有效接地系 统中 根本无法满足和电机绝缘的配合 否则保护装置自身的安全就得不到保障 不 仅寿命大为缩短 甚至没有保护好电机 反而因自身的爆炸增加了事故率 因此 产 生了 ZnO 压敏电阻串联放电间隙的方案 让间隙来承担全部电频电压 带串联间隙氧化锌避雷器由于增加了串联间隙 避雷器可以用数量较少的 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 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带来 ZnO 电阻片的劣化和功率损耗 的问题 3 放电间隙的使用虽然解决了 ZnO 阀片老化问题 可以使保护残压降低 但间隙必须 要保证一定的工频放电电压值 才能使保护装置自身的安全得到保证 这样冲击放电电 压必然会随之增加 结果是不仅截波电压增大 而且保护性能变差 仍很难做到和电机绝 缘的理想配合 二 三相组合式过电压保护器的工作原理二 三相组合式过电压保护器的工作原理 但是随着真空断路器的广泛应用 避雷器在限制真空断路器操作过电压和避免受 电设备绝缘损害方面存在原理性的缺陷 因而产生了三相组合式过电压保护器 三相 组合式过电压保护器 主要是针对常规避雷器的缺点而设计的具有独特联接方式和结 构形式的过电压保护装置 三相过电压保护器与普通避雷器最明显的区别是避雷器 只能是相地保护 单相保护 每组用三个 三相组合式过电压保护器即可以相地保护 也可以相间保护 三相 同时体积小 可以安装在空间狭小的开关柜内 三相组合式过电压保护器主要用于 发供电企业和用电企业的供电系统 用来 保护变压器 开关 母线 电动机等电气设备 可限制大气过电压 真空断路器 引起的开断过电压以及各种操作过电压 对相间和相对地的过电压均起到可靠的限 制作用 使保护设备 的绝缘免受过电压的损害 三相组合式过电压保护器简称 过电压保护器 缩写 SPD 6 10KV 组合式 过电压保护器外形图见图一 图一 6 10KV 组合式过电压保护器外形图 三相组合式过电压保护器分为三相组合式有串联间隙和无间隙两种 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 目前广泛使用的为带串联 间隙的产品 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 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 1 四间隙星形接法组合式过电压保护器 四间隙星形接法组合式过电压保护器 4 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 俗称三叉戟式过电压保护器 其接线原理图见图二所示 图二 四间隙星形接法组合式过电压保护器接线原理图 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 不仅能限制雷电过电压 还能限制发生在系统内部的各种过电压 采用对称的四星 形结构 相间保护特性与相对地相同 不仅能限制相对地过电压 还能限制发生在相 间的过电压 放电瞬时值与动作后的残压相近 无截波 更有利于保护设备的相间绝 缘 在系统发生间隙性弧光接地过电压及铁芯谐振过电压时 其能量小于 400A2ms 方 波冲击能量时 过电压保护器可以起到保护作用 保护器的参数按线电压设计 在系 统发生单相接地故障时仍能保证自身安全 该接线方式可将相间过电压大幅度降低 与常规的避雷器相比 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 2 三间隙星形接法组合式过电压保护器 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 其接线原理图见图三所示 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 5 图三 三间隙星形接法组合式过电压保护器接线原理图 在 ZnO 阀片的应用中 采用串联放电间隙的目的只是为了截断工频电压 解决荷电 率问题 从而提高了产品的性能 因此在没有工频电压的接地保护单元中 可以全部由 ZnO 阀片组成 如果接地单元串联放电间隙 由于间隙的影响 将会使产品的稳定性变的 极差 因此在三间隙星形接法组合式过电压保护器的设计中 接地保护单元就没有设 置串联放电间隙 它一方面简化了工艺 使结构变得更加简洁 同时也能满足截断工 频电压对 ZnO 阀片老化的要求 另一方面又避免了分布电容对间隙的影响 极大的提 高了间隙的电气性能 在工频状态下 放电间隙实际上只有一个容量极小的电容 这时电路中只有微小 的容性电流通过 没有阻性电流 也就是说 A 相 B 相 C 相电源电压是由 J1 J2 J3 三个间隙承担的 三个间隙的下端对地之间是由纯 MOR 组成 工频状态下具有相同的 电位 具体地说 G 点是零电位 M 点以及 J1 J2 J3 三个间隙的下端和 G 点相同电 势 也是零电位 即使中性点 M 对地形成较大的寄生电容 也会被 RV4 短路 间隙 两端的电位差完全由电网的实际工频状态来决定 不受其它外界因素的影响 这样一 来 保护器优良的性能及稳定性就得到了保障 安全性也随之有了极大的提高 是试 验数据更加准确可靠 现场安装也不受位置和所用夹具材料等影响 这时的电路结构 相对地之间变成了一个纯碎单间隙的中联结构形式 不仅结构简单 也为制造一高性 能的放电间隙提供了极大的方便 如果我们在接地保护单元 D 也串联一个放电间隙 情况又会如何呢 由于 A B C 三相的三个保护单元的参数是完全相等的 故三相工频电压经这三个保护单元后 加 在 M 点上是零电位 也就是说工频电压仍由 J1 J2 J3 三个间隙承担 J4 根本就没有 承担工频电压 如果不用考虑外界因素的影响 系统处于绝对理想状态时 M 点和 G 点 6 应是等电位 其性能和 JPT 基本是一样的 但是这种理想状态根本就不存在 在实际 安装使用中 ZnO 阀片底部对地形成的较大寄生电容 由于间隙 J4 将 G 点和 M 点 隔 离 开来 使之无论是工频放电还是冲击放电 其放电性能都极不稳定 不仅保护性能 变差 而且自身安全也受到极大威胁 根本就得不到保证 三相组合式过电压保护器的相间保护单元和相地保护单元所承受的工频电压 本 来就是不相同的 如果只是人为地将它们等同对待 则保护和安全性能都很难达到理 想效果 三间隙星形接法组合式过电压保护器在设计时 就是将相间 相地的工频电 压分开来算 使之更加切合实际 从而使整个产品的保护性能得到较大的提高 使相 地保护倍数降低了 20 左右 相间保护倍数降低了 50 左右 特别是保护器自身的安全 得到了可靠的保障 3 3 菱形间隙星形接法组合式过电压保护器 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 其接线原理图见图四所示 图四 菱形间隙星形接法组合式过电压保护器接线原理图 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 4 间隙并联高压电阻的组合式过电压保护器 间隙并联高压电阻的组合式过电压保护器 间隙并联高压电阻的组合式过电压保护器其原理接线图见图五所示 由于旋转电 机的绝缘非常微弱 特别是分 合闸操作时 易产生较严重的操作过电压 对电机绝缘 的累计损伤不容忽视 该结构的过电压保护器主要用于电动机过电压保护 7 图五 三间隙并联高压电阻星形接法组合式过电压保护器接线原理图 保护器仅在和电网连接的三个保护单元 A B C 中设置了电阻间隙 接地保护单 元全部由 ZnO 阀片组成 由于电阻间隙的存在 ZnO 阀片只承受导线对地一部分的稳态电压 大大降低 ZnO 电阻的荷电率 使工频放电电压提高 1 2 50 s 冲击放电电压降低 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 一般间隙电阻承担了 60 以上的稳态电压 ZnO 阀片的工频老化极弱 可以不用考虑 在冲击时 由于波前很陡 其等值频率远高于工频 此时电阻间隙中 间隙的容抗远小于阻抗 间隙放电短路 间隙中的电阻上基本没有冲击负荷 故不受 并联电阻的影响 冲击后 间隙立即截断工频续流 使间隙没有续流烧伤 同时也充 分利于 ZnO 阀片的热容量 间隙和 ZnO 阀片两者互为保护 使用寿命更长 由于电阻间隙元件的存在 少用了 ZnO 阀片片数 通过电阻间隙与 ZnO 阀片科学 搭配 显著降低了冲击放电电压和标称放电电流下的残压 使之过电压保护水平做到 了与电机绝缘的良好配合 如果接地保护单元 D 中也串联了电阻间隙 在三相电源健全时 对稳态电压的分 布没什么影响 但保护动作特性变差 若发生了单相接地 就会使工频电压的分布效 果变得不够理想 采用电阻间隙串联 ZnO 阀片结构后 工频电压就由电阻间隙和 ZnO 阀片来共同承 担 间隙的工频放电电压由电阻间隙分担的实际工频电压来决定 原则上 可以通过调 节电阻间隙的阻值来任意设定间隙的工频放电电压 而冲击放电电压不变 同时由于该 8 电阻和间隙是并联关系 可以改善杂散电容对间隙的影响 使间隙放电性能更趋于理想 四 控股公司下属企业使用的产品四 控股公司下属企业使用的产品 控股公司下属发电企业 6 10KV 厂用电系统使用的真空断路器多使用苏州凯基公司 产品 该公司产品配套使用的三相组合式过电压保护器主要由两家企业供应 合肥凯 立控制技术有限责任公司 KTBP 系列户内型产品 金山桥为 10KV 系统代表 和上海合 凯电力保护设备有限公司 SHK TBP 系列户内型产品 龙固为 6KV 系统代表 这两家 公司都是安徽凯立集团全资控股的销售与生产子公司 1 1 产品标注方法 产品标注方法 这两家产品标注方法除了企业代号不同外 其他都完全一样 合肥凯立公司 10KV 及以下产品标注方法 保护对象 A 电动机 B 发电机 变压器 母线线路 开关 C 并联补偿电容器 D 电机中性点 持续运行电压 允许持久的加在相间及相对地的工频电压有效值 3KV 系统为 7KV 6 10KV 系统为 12 7KV 质量跟踪码 ISO9001 质量管理体系要求 为四位代码 用于产品质量及售后服务 跟踪 防伪 使用环境 W1 为户外有引线型 W2 为户外无引线型 无标注则为户内型 计数器 J 为液晶无源计数器 户内使用 2 2 电气参数表 见下表 电气参数表 见下表 10KV10KV 以下系统户内型以下系统户内型 KTBPKTBP 电气参数表电气参数表 型号保护对象 保护对 象额定 电压 有效 持续 运行 电压 有 工频放 电电压 有效 值 90 操作冲击电流 残压 峰值 KV 1 2 50 s 冲 击放电 残压 雷击冲击电 流残压 峰 值 KV 2ms 方波 冲击 电流 9 值 KV 效值 KV 120 KV 100A500A 峰值 KV 500A 2500 A A KTBP A 3 83 153 85 27 7 57 5 KTBP A 7 66 37 610 414 1515 KTBP A 12 7 电动机 10 512 717 223 1 24 824 8 400 KTBP B 3 833 87 10 210 2 12 KTBP B 7 667 614 20 420 4 24 KTBP B 12 7 发电机变压 器母线开关 线路 1012 723 2 33 833 8 40 400 KTBP C 3 833 87 4 10 4 11 7 KTBP C 7 667 614 6 20 4 23 4 KTBP C 12 7 电容器 1012 724 4 34 5 39 1 400 备注 备注 持续运行电压 持续运行电压 允许持久地施加在 SPD 上的最大交流电压有效值或直流电压 工频放电电压 工频放电电压 施加于有串联间隙 SPD 两端使其全部串联间隙放电的最小工频电压的有 效值 对每个试品施加三次 偏差为 10 间隔时间不小于 10S 操作冲击残压操作冲击残压 采用视在波前时间大于 30 s 而小于 100 s 视在半峰值时间为波前时间的 2 倍以上的冲击电流流过 SPD 时 在其端子间的电压峰值 对每个试品施加冲击电流 偏差为 5 一 次 3 次试验中的最高残压值不得超过参数中的规定 视在波前时间 T1 对于电流波和对于电压波是不一样的 电流波的 T1 是指波前上峰值的 10 到 90 之间的时间的 1 25 倍 而电压波的 T1 是指波前上峰值的 30 到 90 之间的时间的 1 67 倍 视在半峰值时间 T2 对于电流波和电压波是一样的 都是指视在原点到波尾上峰值的 50 点之 间的时间 视在原点 O1 对于电流波 是指波前上峰值的 10 这一点前面 0 1 T1 处 对于电压波是指 波前上峰值的 30 这一点前面 0 3 T1 处 雷电冲击残压雷电冲击残压 采用波形 8 20 s 的冲击电流流过 SPD 时 在其端子间的电压峰值 设备应调 整到使视在波前时间在 7 9 s 波尾视在半峰值时间在 18 22 s 范围内 对每个试品施加三次 冲击 3 次试验中的最高残压值不得超过参数中的规定 电压测量系统的响应时间应小于 200 ns 1 2 501 2 50 s 冲击放电残压 冲击放电残压 采用视在波前时间 从峰值的 10 上升到 90 的时间 为 1 2 s 半峰值时间为 50 s 的冲击电流流过 SPD 时 在其端子间的电压峰值 对每个试品施加三次冲击 3 次试验中的最高残压值不得超过参数中的规定 2ms2ms 方波冲击电流 方波冲击电流 波形为 2ms 方波冲击电流施加于 SPD 两端 判断器件能量耐量性能的高低 能量耐量性能主要用于评价压敏电阻器的吸收能量能力 在选择压敏电阻器时必须要使回路内所储 存电能的总和小于压敏电阻器所能吸收的能量 压敏电阻器所吸收的能量可通过下式计算 W K I U T J 式中 I 流过压敏电阻器的电流峰值 U 在电流 I 流过压敏电阻器时 在其两端产生的电压 T 电流 I 持续的时间 10 K 电波波形系数 对 2ms 的方波 K l 对于 8 2O s 波 K 1 4 对 10 1000 s 波 K 1 4 五 试验五 试验 过电压保护器在投入使用后每年应进行预防性试验 试验时保护器的四个端子应 从其它电器设备上拆下 不允许和其它设备连接时进行试验 1 外观检查 检查外绝缘有无损伤 2 对于无间隙组合式过电压保护器 应进行以下试验 2 1 直流 1mA 参考电压试验 对避雷器 A B C N 端子间分别施加直流电压 当通过避雷器的电流等于 1mA 时 记录此时电压值 应满足技术参数表规定的要求值 直流 1mA 参考电压参数波动性小 只需测 1 次即可 在出厂参数的 5 内为正常 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过 高使保护电气设备的绝缘裕度降低 U1mA过低使 SPD 在各种操作和故障的瞬态过电压下 发生爆炸 2 2 泄漏电流试验 对避雷器 A B C N 端子间分别施加 0 75 倍直流 1mA 参考电压 测量通过避雷 器的泄漏电流应不大于 50uA 测量 75 U1mA下的直流泄漏电流 主要检测长期允许工作电流的变化情况 2 3 无间隙组合式过电压保护器不允许做工频放电电压试验 3 对于串联间隙组合式过电压保护器 应进行以下试验 3 1 工频放电电压试验 按照图六所示将相关仪表和设备连接好 其中 ZT 为调压器 ST 为 5KVA 以下试验 变压器 V 为高压表 A 为数字微安表 试验时在保护器 A B C D 两两端子之间 分别施加工频电压 其余端子悬空 调节自耦变压器 ZT 缓慢 均匀加压 观察安 培表 A 的电流变化 三相组合式过电压保护器间隙未击穿放电时 数字微安表读数基 本没有变化 当实验变压器的输出电压达到三项组合式过电压保护器动作值时 三项 组合式过电压保护器间隙击穿放电 数字微安表出现较大的变化 并且呈不稳定状态 此时试验变压器高压输出值即为三项组合式过电压保护器工频放电值 记录此时高压 电压表 V 的电压值 此值即为该两相的工频放电电压值 工频放电电压参数有一定的 波动性 应测 3 次以上取平均值 在出厂参数的 10 内为正常 11 图六 有放电间隙的三相组合式过电压保护器工频放电试验接线图 注意事项 注意事项 在做放电试验时 应先将过电压保护器放置在铁板上进行 铁板必须可靠接 地 铁板应略大于过电压保护器下底板 在做三相过电压保护器工频放电试验时 应均匀升压 当过电压保护器发电 后 应立即将调压器回零 并且在在 0 2S 内切内切断电源 切忌在放电后继续升高 电压 以免损坏保护器 每二次试验的时间间隔不小于每二次试验的时间间隔不小于 10S 在试验中如果发现过电压保护器工频放电电压值超出过电压保护器参数表中 规定值的 90 120 时 应仔细检查接线是否正确 表计是否正确 调压器输 出是否正常 铁板是否可靠接地 电源是否有高次谐波等 如经检查测试数 据无误 确已超出允许范围时 立即联系厂家处理 在做其他电气设备绝缘试验时 应将过电压保护器从设备上解除 试验时 只允许内部间隙放电 外围任何部分不得有闪络 3 2 泄漏电流试验 在三相组合式过电压保护器的 A B C N 端子间分别施加直流电压 其数值为系 统标称电压值 此时通过避雷器的电流应不大于 20uA 3 3 串联间隙组合式过电压保护器不允许做直流 1mA 参考电压试验 六 运行维护六 运行维护 1 每年应进行一次预防性试验及维护 参数变化负荷试验要求 2 安装和维护过电压保护器时严禁手提引线电缆 同时要严防锐器割伤高压电缆 3 电缆尽量平行于系统母线安装 避免交叉及跨越异相母线 并满足绝缘距离要 求 4 高压引线与其它设备的空气距离不得小于 5cm 七 需要引起用户关注的事七 需要引起用户关注的事 12 1 避雷器包括过电压保护器是绝缘配合上的后备保护设备 是高幅值过电压冲击 出现时的最后一道防线 绝缘配合设计的原则 是有后备设备的情况下 就可以降低 其它所有电气设备对过电压的耐受能力 超过设备耐受能力以上的过电压 全部交给 后备保护设备来吸收 2 理论上 满足设计要求的过电压保护器 持续发热超过承受能力的情况很难出 现 但