真空断路器操作过电压分析及其限制措施

真空断路器操作过电压分析及其限制措施

朱龙伟

中国石化集体江苏石油勘探局有限公司电子信息技术服务中心电力运行公司江苏扬州225000

摘要：真空断路器在开断变压器、高压电动机等感性负荷时，产生的操作过电压。根据产生的过电压的原因不同，可分为截流过电压、三相同时开断过电压和多次重燃过电压。其中，截流过电压是由于电流的突然截断而产生的。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向负荷侧的电容进行充电而产生的。三相同时开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙重燃时，流过该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而产生的。本文就电气设备绝缘水平、过电压保护器满足条件等对现有几种过电压保护器做出分析和判断。

关键词：真空断路器、电器绝缘、过呀保护、避雷器、中性点接地

一、电气设备的绝缘水平

国标GB311．1—1997规定，最高电压在lkV≤252KV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，分析如下：

一般电动机的一分钟工频耐压值为2Ue+I。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：

其中，Ue为设备的额定电压，UlmA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ulmA按相电压选取，则荷电率较高，特别是在单相接地情况下，ZnO阀片将会严重老化，自身安全无法保证；若U1mA按线电压选取，则残压值太高，保护效果与阀式避雷器基本无区别。

3．无间隙四星型接法的组合式ZnO过电压保护器

正常运行时三相平衡，保护器中性点为零电位，系统的相电压有效值由单只ZnO承担，接地的那只ZnO不承担电压。相当于将半只避雷器挂在了系统中，荷电率高出一倍，正常时就极易损坏。若提高保护器的1mA参考电压，则将失去保护功能。

4．三间隙四星型接法的组合式ZnO过电压保护器

此保护器的相问有两个间隙，相对地之间只有一个间隙。相对地工放值若按保证自身安全设计，则相间保护特性就无法与绝缘配合。有的产品工频放电电压按照限制雷电过电压设计，则在操作过电压下已失去保护作用。

5．无间隙阻容式过电压保护器

保护器中的电容对削弱过电压波头陡度及降低过电压幅值的能起到一定的作用，但无明确的过电压限制值，与设备的绝缘水平很难配合。而且，由于电网中高次谐波涌入阻容吸收器，易导致电阻过热甚至烧毁。

6．带串联间隙的阻容式过电压吸收器

间隙正常时将系统与保护器隔离，当有过电压产生时，间隙击穿，保护器投入工作。设计意图是，防止谐波引起电阻发热，当保护器投入后，加在设备上的电压可以从零开始缓慢上升。我们设想，如果保护器的电容器充电真能从零开始的话，则间隙放电时必然产生截波过电压，这对绕组型设备的匝间绝缘是个极大的威胁。

7．复合式过电压保护器

这是采用按照避雷器参数设计的带串联问隙的组合式ZnO避雷器与带串联间隙的阻容式过电压保护器并联组成。两种保护器单独运行存在的问题，并联起来仍然存在；两种保护器单独运行不能限制操作过电压，并联起来仍然不能限制。

8．三相组合式过电压保护器(TBP)

I'BP三相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使得TBP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)TBP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l。上升前沿为1．2us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(20us一50ms)的任意波形电压，放电电压值均相等，保护性能稳定。

(3)TBP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。

四、几点结论

1．中压电网固体绝缘设备的增多，在操作过电压下将产生绝缘的积累性破坏。真空断路器的大量采用，使操作过电压出现的概率明显提高。为保证固体绝缘设备的运行寿命不降低，必须对真空

断路器的操作过电压采取有效的限制措施。

2．真空断路器操作过电压一般为额定相电压的3～4倍，多数为3．5倍左右。这样的过电压还不足以造成绝缘的直接击穿，但局部放电会给固体绝缘带来积累性损伤，尤其对绝缘较低的电动机威胁很大。

3．目前市场上流行的过电压保护器种类繁多，五花八门，而且都自称既能限制雷电过电压，也能限制操作过电压。建议用户按下述原则选择：

(1)应能将各种过电压限制到设备绝缘允许的范围以内。过电压保护器工频放电电压应设计在额定相电压的3．5倍左右，对于保护电机型的应设计在2．5倍左右。

反之，若工频放电电压超过额定相电压的4倍，则根本谈不上限制操作过电压了。

(2)中压设备相对地绝缘水平与避雷器或过电压保护器的保护特性之间余度不大，而设备相间绝缘水平与相地绝缘水平相同，建议尽量选用对称参数四星型结构的过电压保护器。

(3)对于中性点非直接地系统，避雷器、过电压保护器的持续运行电压应按照线电压诜取，以保证自身安全。