三相组合式过电压保护器应用分析

三相组合式过电压保护器应用分析

郭豪

（中国电建集团核电工程公司山东济南250102）

摘要：随着真空断路器的广泛应用，传统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。三相组合式过电压保护器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，主要用于发电厂和供用电企业的供电系统，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。

关键词：组合式过电压保护器；原理；应用

一、过电压保护产品的发展

1.过电压保护基础产品——避雷器

最早的过电压保护产品就是避雷器。羊角形间隙避雷器，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：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：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。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。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。性能优于碳化硅避雷器，已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的110千伏及以上电网。

2.防止真空断路器装置操作过电压的保护装置

（1）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。但保护残压较高，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是存在不足的。

（2）带串联间隙氧化锌避雷器

在ZnO压敏元件的应用中，存在工频电压老化和承受暂态过电压能力低的问题，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。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，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。

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

三相组合式过电压保护器简称：过电压保护器，缩写：SPD。（6-10）kV组合式过电压保护器外形图见图一。

图一（6-10）kV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，通过调查，各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。

1.四间隙星形接法组合式过电压保护器

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。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，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400A（2ms）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。

2.三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。

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。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。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，使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。

三间隙星形接法组合式过电压保护器在设计时，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.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。

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。

图四菱形间隙星形接法组合式过电压保护器接线原理图

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。

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，1.2/50μs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。过电压保护水平做到了与电机绝缘的良好配合。

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。

三、三相组合式过电压保护器参数及应用

1.电气参数表

10kV以下系统户内型KTBP电气参数表

2.应用中需要引起关注的问题

（1）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，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，但实际中过电压出现情况很复杂，比如很近的落雷，系统意外的谐波干扰等，都可能导致其寿命严重下降，出现意外的发热爆裂。此冲击会传导到过电压保护器上，因此需要在一定时间内维护检测，防止老化带病运行。

（3）随着电缆及非线性负载的普遍采用，操作过电压和谐振过电压越来越严重，导致三相组合式过电压保护器动作越来越频繁，阀片老化速度加快，使保护器的预期寿命相应缩短。以至于在系统谐振过电压等其它非正常条件下，保护器本身发生崩溃，进而引发开关柜内相间短路。

（4）过电压保护器核心工作原理和避雷器一样，都是靠压敏电阻在过电压下阻值下降来打开对地能量泻放通道。泻放能量的同时，也是压敏电阻本身的一个吸收能量发热过程，一旦发热超过可以承受的范围，就会出现破裂，甚至爆开。设备的密封性能越理想，爆开时候的破坏性就越强，严重的时候有可能破坏成套柜体。

四、结语

组合式过电压保护器因采用复合绝缘结构，相间残压水平较低，对相间、相地都有比较好的过电压保护作用。特别是在开关柜内受安装尺寸影响的场所优越性更为突出，非常适合高压开关柜内使用。目前组合式过电压保护器可靠程度还在不断完善，技术参数选择非常重要，参数的不同保护程度也不同，因此在不同应用场合应合理选择其参数。

参考文献

[1]《电力工程电气设计手册》电气二次部分:中国电力出版社

[2]GB2900.12-2008电工名词术语避雷器

[3]GB11032—2010交流无间隙金属氧化物避雷器

[4]安昌萍.真空断路器操作过电压研究[D].重庆大学；2002

[5]王永强;真空开关操作过电压及其保护的研究[D];华北电力大学;2002年

[6]三相组合式过电压保护器厂家说明书