星三角组合式过电压保护器的性能简析

陈华沛

（安徽三和电力技术有限公司，合肥 235300）

在发电厂、钢铁、煤炭、化工、石油等行业中，随着真空断路器等的大量使用，由此产生的操作过电压的危害也越来越引起人们的关注。在通常的情况下开关截流和多次重燃时，相间过电压为对地过电压的1.5倍。而开关三相同步截流时，相间过电压为对地过电压的2倍。因此，真空断路器开断高压电动机时产生的相间操作过电压在通常情况下是相地操作过电压的1.5～2.0倍。真空断路器开断高压电动机时，特别是在开断启动过程中的电动机时，截流过电压和三相同时开断过电压可能超过4倍的额定电压.，高频重复重击穿过电压可能超过5倍的额定电压，严重危及电动机的绝缘。

目前市场上常用的过电压防护产品有单支氧化锌避雷器、四星型带串联间隙组合式过电压保护器、四星型组合式无间隙过电压保护器、阻容吸收器等，但保护效果及保护产品本身的安全性和稳定性均不十分理想。

1 目前市场常用几种过电压防护产品的比较

1.1 金属氧化物避雷器

金属氧化物避雷器主要是针对大气过电压设计的，可有效限制系统中由雷击等引起的大气过电压。但是，对于真空断路器产生的相间操作过电压起不到很好的限制作用。

1.2 无间隙四星型组合式过电压保护器

图1 无间隙四星型组合式过电压保护器

其结构如图1所示，保护器由4组ZnO阀片单元组成。系统正常运行时三相平衡，保护器中性点M点为零电位，系统的相电压仅由相单元的ZnO阀片承担，接地的那组ZnO阀片不承担电压，相单元ZnO阀片荷电率很高，所以该结构保护器在运行中老化很快，很难长期安全运行。而且在不同运行工况下，中性点电位不确定，可能造成地相ZnO阀片过载损坏。若提高保护器的U1mA，则将失去对用电设备绝缘的保护功能。

1.3 带串联间隙四星型过电压保护器

带串联间隙四星型过电压保护器分为四间隙和三间隙两种结构。该过电压保护器因有放电间隙的存在，正常运行时放电间隙将ZnO阀片和电网相隔离，不存在荷电率问题，残压可以做到相对很低。但放电间隙本身也带来很多问题，比如放电间隙分散性大导致的放电值不稳定，若冲击放电电压高，则保护裕度小，不能对设备进行很好的保护；若冲击放电电压低，则不能对ZnO电阻进行很好的保护。同时放电电极在重复动作若干次后极易损坏，大大降低其使用寿命。放电间隙导通速度慢，会带来放电延时，往往系统过电压幅值已超过设备耐压值放电间隙还未导通。另外，放电间隙击穿时会产生突变的截波，对电动机等设备的匝间绝缘也会带来很大伤害。

1.4 阻容吸收器

阻容吸收器中的电容对削弱过电压波头陡度及降低过电压幅值能起到一定的作用，但无明确的过电压限制阀值，很难与设备的绝缘水平进行配合。而且，由于电网中高次谐波涌入阻容器，易导致RC过热甚至烧毁，事故率很高。正常运行时，阻容吸收器会增大系统的电容电流，此类产品应用范围受到很大的限制，很多系统不能大量使用。

2 星三角组合式过电压保护器

星三角组合式过电压保护器是一种新型的过电压保护装置，其结构如图2所示。星三角组合式过电压保护器采用无间隙结构，可以发挥ZnO电阻良好的伏安特性，无动作分散性和放电延时等放电间隙带来的一系列问题，动作值稳定且不受各种波形影响。通过独特的星—三角连接，使荷电率大大降低，同时解决了相间和相地保护水平的均衡性问题，对相间和相地的过电压均能起到可靠的保护作用，可以有效保护用电设备绝缘免受过电压侵害。

星三角组合式过电压保护器因采用无间隙结构，可以对保护器内ZnO阀片的泄漏电流、动作次数等进行实时动态监测，了解保护器的具体运行情况。

图2 星三角组合式过电压保护器

下面以10kV电动机型保护器为例说明其保护特性和安全性能。

国标GB311.1-1997规定，最高电压在1kV≤Um≤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，我们做一下分析。

2.1 10kV电动机的绝缘水平

工频耐压水平UR

式中，Ud为电动机额定电压（10.5kV）。

雷电冲击耐压水平

操作冲击耐压水平

2.2 星三角组合式过电压保护器参数

根据JB/T10496的规定，无间隙组合式过电压保护器的直流1mA参考电压相间不小于23.2kV，相地不小于18.6kV。我们取相单元阀片组U相1mA=11.6kV，地单元阀片组U地1mA=7kV。根据目前国内ZnO阀片的制作水平，取K1=1.7，K1为5kA标称雷电冲击电流下残压比。

系统中操作过电压主要由于真空断路器开断过程中产生的截流过电压，目前断路器的截流值都在数安培以内，所以可以取该操作冲击电流下的ZnO阀片残压比K2=1.2。

则该保护器的操作冲击过电压保护水平为

可以看出，星三角过电压保护器相间和相地的残压值均小于电动机的冲击耐受水平，满足对电动机的保护要求。

下面对该保护器在电力系统运行中的荷电率做分析。荷电率是表征ZnO阀片在某一电压下能否长期运行的一个重要指标，氧化锌电阻片的荷电率可表示为

式中，Ue为系统持续运行电压峰值，U1mA为ZnO阀片直流1mA参考电压。

当系统正常运行时，相对地ZnO阀片的最大荷电率为

相间ZnO阀片的最大荷电率为

当系统发生单相接地故障时，相地ZnO阀片的最大荷电率为

发生单相接地故障时，相对地阀片的最大荷电率较高，但是荷电率较高主要影响氧化锌元件的寿命。一般认为，荷电率＜0.75时，氧化锌元件寿命可以达到100年，而系统在单相接地故障下运行只是一种短时的暂态运行状态，在这种状态下即使是较高的荷电率，也不会明显地影响氧化锌元件的使用寿命。所以，上述各组氧化锌元件在各种运行状态下都能够满足长期安全运行的要求。

3 结论

由以上结果可知，星三角组合式过电压保护器可以对系统中操作过电压和大气过电压进行很好的保护作用，且荷电率很低，可以长期稳定的在系统中安全运行。

[1]李锦鹏.组合式过电压保护器技术性能分析[J].工矿自动化,2004(1):44-46.