The Overvoltage protector’s Application and Development
LI Jin-peng1，GUO Si-jun2
( 1.Huainan United College.Huainan 232001,China; 2.Wuhu KEYE electric Co.,LTD. Wuhu 241009,China)
[Abstract] With the extensively using of vacuum breaker and the enlarging scale of electric fence time after time, the destruction from inside overvoltage of the middle voltage electric power system to electric equipment is going more and more severe. So combinatorial overvoltage protector has been used widely. This paper analyzes the fundamental principles and the characteristic parameters of all kinds of overvoltage prectors,then,it approaches their all-sideness and reliability as well as self-safety．
[Key words] overvoltage lighting arrester zinc oxide interspace
1、 引言
图1组合式过电压保护器基本原理
The basic principle of combinatorial overvoltage protector
|
近年来，随着真空断路器的广泛应用，操作过电压的危害已经越来越受到人们的重视。真空断路器在操作时，可能由于截流、重燃或三相同时开断等原因而产生过电压。操作过电压主要表现为相间过电压，而传统的避雷器是按照防止雷电过电压即相对地过电压而设计的，对操作过电压基本没有防护作用，为了避免相间过电压对设备的破坏，提高保护的全面性，三相组合式过电压保护器开始被大量使用。
相对于单柱式的碳化硅（SiC）或氧化锌(ZnO)避雷器，组合式保护器采用三相四柱式结构，如图1所示，由A、B、C、D四个保护单元两两组合成六只完整的避雷器，分别保护三相对地过电压和相间过电压，使保护的全面性大大提高。
三相组合式过电压保护器是西安电瓷研究所在七十年代末、八十年代初从国外产品样本上得到信息而设计制造的一种特殊的过电压保护装置。主要用于限制切合真空断路器引起的相间和相对地操作过电压，达到保护用电设备和防止断路器相间和相对地闪络的目的。九十年代初期，该技术被国内电力系统所采用，与此同时，国内许多厂家开始对过电压保护器进行研究、生产，迄今为止，已有多种结构的组合式保护器投入市场，使该装置在国内得到较广泛的应用与发展。
组合式过电压保护器在引进之初采用的是SiC与放电间隙组合结构，在以后的发展过程中，虽然金属氧化物避雷器取代了SiC避雷器，但多数厂家仍然沿用了串联间隙结构，并对串联间隙进行改进。按照发展顺序，主要有以下几种结构：四间隙结构、三间隙结构、六间隙结构、棱型间隙结构等。除了串联间隙的组合式保护器以外，还有无间隙保护器及其改进结构，本文将对其性能作一对比分析。
2、 串间隙过电压保护器
图2 四间隙过压保护器
four gaps overvoltage protector |
串间隙过电压保护器的内部结构虽然多种多样，其原理基本相同，即利用间隙隔离电网电压，减少保护器的动作频率，延长ZnO阀片的寿命。最近几年，串联间隙的保护器在应用过程中效果并不理想，国内一些专家也多次撰文对该结构提出质疑，但是，由于技术的延续性，目前仍然有多种结构的串联间隙保护器在生产与使用，根据时间的先后顺序，分别进行如下分析。
2.1 四间隙过电压保护器
四间隙结构的组合式过电压保护器基本原理如图2所示，每个保护单元由ZnO非线性电阻与放电间隙串联组成。该结构的保护器在九十年代初期开始生产使用，当时电力系统正在大量地采用真空断路器以取代少油开关，操作过电压正日益引起人们的注意，该种保护器的出现，填补了当时的国内空白，很快就在市场上大量使用。但是，从近几年的现场运行效果来看，保护效果并不理想。
该结构的基本设计思路是采用放电间隙将ZnO电阻与电网隔离，使ZnO电阻的荷电率为零，从而保护ZnO阀片，延长其使用寿命。但是，无论该保护器本身，还是对被保护的电器设备而言，该种结构都存在着严重的设计缺陷。
1、在电网正常运行工况下，M点的电位基本为零，在接地相中串联放电间隙完全没有必要，反而会增加系统的对地杂散电容，同时增加了放电的分散度，使工频电压分布不均匀，造成试验和安装上的难度。
2、串联间隙的分散度很大，导致保护器动作一致性差，过电压发生时，动作值较低的保护器优先动作，将系统电压箝制住，其他保护器不再动作，该保护器就需要承担系统所有的过电压能量，导致该保护器击穿损坏。
3、保护水平首先决定于间隙的冲击放电电压，由于间隙的截断比和分散度较大，与ZnO的配合有一定的难度，冲击放电电压高，则保护裕度小，危及设备安全；冲击放电电压低，则起不到保护ZnO阀片的目的。
4、由于间隙的隔离，ZnO良好的非线性特性无法发挥，在间隙放电之前，ZnO非线性电阻起不到缓和过电压波头陡度和降低振荡频率的作用，当过电压波头陡度大时，将会使设备的匝间绝缘击穿。
5、随着放电次数的增加，绝缘间隙的阻值必然发生变化，导致冲击放电值上下波动，分散度很大，有时可以达到30%以上，因此，经过数次放电后，其保护值会有较大幅度的变化，使保护的稳定性变差，使用电设备和自身的安全性得不到可靠的保障。
2.2 三间隙过电压保护器
图3 三间隙结构过压保护器
three gaps overvoltage protector |
三间隙结构的过电压保护器结构如图3所示，它是在四间隙结构基础上，为了解决接地相串联间隙增加了系统的对地杂散电容以及两间隙叠加造成分散度过大等问题，而设计的一种改进结构。它取消了保护器接地相中串联的间隙，使保护器相对地回路的放电间隙减少到一个，解决了四间隙结构保护器增加对地杂散电容的问题，也使其分散度有所降低。但是，其相相之间的工频放电仍然是两个放电间隙的叠加，分散度还是很大。另外，保护水平是由ZnO非线性电阻的残压U
残所决定，要使相间与相地保护水平一致，每单柱ZnO电阻的U
1mA电压也必须一样，那末，相间二个间隙，相地一个间隙，则两者的冲击放电值无法做到一致。
图4 六间隙组合式过压保护器
six gaps combinatorial overvoltage protector |
2.3 六间隙组合式过电压保护器
该结构的过电压保护器主要是为了解决放电回路中由于两个间隙叠加，保护的分散度较大，导致保护性能不稳定而改进的。它把相间与相地放电间隙都降为1，实现了无论相间保护还是相对地保护都只有一个间隙的目的，使放电的分散度大大降低。其缺点在于，由于组合式保护器一般采用三相四柱式结构，六个放电间隙使其工艺安装造成困难，成本增加，体积加大。
2.4 棱型间隙组合式过电压保护器
为了克服六间隙结构中内部间隙的增多造成接线以及安装的复杂性。出现了如图5所示的单间隙结构，其主要结构特征是将常规的两极放电间隙改变为四极放电间隙，由四个放电电极组成一种正棱型结构，使电极两两之间间距相等，从而实现相对地与相间的工频放电值相同，同时将放电间隙减少到一个，使分散度降低。其缺点在于，由于四个放电电极相互连动，间隙难以调整，在工艺上很难保证间隙放电值的准确性。
图5 棱型间隙组合式保护器
arris gap and combinatorial protector |
综上分析，自从九十年代初期组合式过电压保护器引入放电间隙来提高保护器自身的安全性能以来，很多厂家围绕间隙的结构、性能进行了多次改进，其目的不外乎尽量减少放电间隙的分散度，增加保护器的稳定性。但是，如前所述，引入放电间隙带来了诸多弊端，即使解决了放电分散度和对地杂散电容问题，也仅仅解决了众多缺点中的一个，其它缺陷仍然存在，不能从根本上解决问题。近年来，国内许多专家撰文指出：“无间隙氧化锌避雷器性能优越于串间隙避雷器”、“串间隙的金属氧化物避雷器不是一种发展方向”。所以，串联放电间隙对于保护设备绝无好处，只是为了保护ZnO电阻的安全不得已而为之。
3、无间隙组合式过电压保护器
3.1 无间隙过电压保护器技术性能分析
ZnO电阻的非线性显著优于SiC，而且通流容量大、残压平稳、漏电流小，这正是ZnO避雷器取代SiC避雷器的根本原因，如果仍然沿用阀式SiC避雷器的串联间隙结构，则无法体现ZnO电阻的优点。而取消间隙则可以使ZnO电阻优良的非线性特性得到充分发挥，克服放电间隙带来的诸多弊端。在过电压未达到U1mA之前，ZnO电阻呈高阻状态，ZnO电阻的电容性及阻尼性可以缓和过电压的波头陡度并减缓振荡频率。当过电压超过U1mA时，ZnO电阻呈低阻状态，利用其非线性对系统过电压实现限制。对于被保护的电气设备而言，无间隙结构是一种不可逆转的发展方向，问题的关键在于取消放电间隙后，能否保证ZnO电阻长期安全地运行。
ZnO电阻的非线性曲线及其特征参数的描述见图6，表征ZnO非线性电阻保护性能的参数残压比为：K1=U残/U1mA （1）
表征ZnO电阻的寿命指标为荷电率：
图6 ZnO的伏安特性曲线
the curve about current and
voltage of ZnO |
K
2=U
e/U
1mA （2）
Ue --长期施加在ZnO电阻上的工作电压
要保证ZnO电阻长期安全地运行，根据IEC标准，荷电率需要小于0.75。在此前提下，对于6KV和10KV电力系统，我们可以计算出ZnO电阻的安全运行的基本条件。
无间隙过电压保护器基本原理见图1，正常工况下，M点为零电位，对6kV系统，施加在每相单元ZnO电阻上的电压为：
Ue =UAM =6.3×1.15/ =4.18kV。
将Ue =4.18，K2=0.75代入（2）式可得：
U1mA=Ue/ K2 =4.18/0.75 =5.57kV
对于一定的生产工艺和配方，残压比K1是固定的，目前，用于过电压保护器的ZnO电阻的残压比K1一般为1.3。
将U1mA=5.75 kV，K1=1.3代入（1）式可得：
U残= K1×U1mA= 1.3×5.75 =7.25kV
那么U相间=2×7.25kV=14.5kV
同样，对于10kV系统，可以计算出：
U相间=24.16kV
所以，残压比为1.3的ZnO阀片，对于6kV系统，当相间过电压设计保护值不低于14.5kV，10kV系统不低于24.16kV时，过电压保护器是安全可靠的。如果要求进一步降低ZnO电阻的残压值，则必须改变ZnO电阻的配方或改善组装工艺。
3.2无间隙组合式过电压保护器性能改进
如果要求进一步扩大保护裕度，可以通过改善ZnO电阻的配方或组装工艺，降低其残压比来实现，而不是增加间隙。在改变ZnO配方难度大、成本高的情况下，分级保护工艺倒不失为一种发展方向。
分级保护的组合式过电压保护器原理图见图7，每个保护单元的ZnO电阻由1、2两级组成，第2级为ZnO电阻与火花电极XG的组合。
在正常工况下，系统电压由两部分共同承担，其荷电率为：K2=Ue/（U1mA1+ U1mA2），通过调整第2级的U1mA2，可以使荷电率满足要求，保证ZnO电阻长期、安全地运行。同时，在这个保护阶段保护器保留了无间隙结构的优点。
当过电压超过（U1mA1+ U1mA2）并达到一定值时，火花电极将第2级ZnO电阻短接，标称放电电流下的残压值U残仅为第1级ZnO电阻的残压U残1，其残压比为：
K1= U残1/（U1mA1+ U1mA2）
在ZnO电阻配方不变的前提下，保护器的残压比可以大大降低，从而扩大保护裕度，实现对弱绝缘设备的保护。对于同样的设计动作值，可以降低ZnO电阻的荷电率，提高保护器的安全可靠性。
无间隙改进型融合了无间隙结构和串间隙结构的优点，既能够使ZnO电阻的非线性特性得到充分发挥，又将保护范围扩大到对弱绝缘设备的可靠保护，同时避免了串联放电间隙而带来对保护设备的不稳定和不可靠因素。对设备保护的全面性、可靠性与保护器自身的安全性达到了较好的统一。
5、结语
1） 组合式过电压保护器不仅可以防止由于雷电产生的相对地过电压，而且能够可靠保护相间过电压。保护的全面性大大提高，必将成为一种新的发展方向。
2） 串间隙组合式保护器仅仅是为了保护自身的ZnO电阻而采取的一种权宜措施，它使保护的可靠性与稳定性大大下降，所以，并不是过电压保护器的发展方向。
3） 无间隙过电压保护器在对电器设备的保护性能方面，利用ZnO电阻的纯物理特性，性能优越于串间隙结构的保护器，保护性能稳定可靠。
4） 如果要求进一步扩大保护裕度，可以通过改变ZnO电阻的配方、改善其电气性能等方面着手。无间隙改进型组合式保护器保留了无间隙结构的优点，同时，降低了ZnO的残压比，提高了保护裕度，能够实现保护的全面性、可靠性与安全性的统一。
参考文献
[1] 彭宗仁等.氧化锌避雷器串联间隙放电特性的研究，电瓷避雷器.1994年第1期。
[2] 李学思.三相组合式过电压保护器.电瓷避雷器.1989年第1期。
[3] 谢书勇.真空断路器的操作过电压.西安高压电瓷研究所。
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