10 kV中压系统过电压保护器的选型及应用的注意事项

甘 维

(江西晶昊盐化有限公司， 江西樟树 331200)

1 前言

在10 kV中压系统中，真空断路器大量使用，在操作分断感性负载时,由于截流、重燃或三相同时开断等因素而产生较高电压，其峰值一般是电源电压的3倍以上，这种较高电压能量容易对设备绝缘造成损坏。如不采取抑制措施，会给电网带来冲击，可能会造成断路器越级跳闸导致全面停电的严重后果，不利于电力系统的安全稳定运行。因此，利用金属氧化锌的非线性电阻特性为核心材料制作而成的能量抑制类设备也蓬勃发展起来，例如：避雷器MOA、组合式过电压保护器等因保护特性的不同分别运用在不同的电力设备上，为电力系统的稳定运行提供保护。根据使用情况，针对市面上几款主流的过电压保护器的工作原理及选型进行分析。

2 金属氧化锌避雷器

一些老式的工业企业采用10 kV系统都是中性点不接地运行方式，仍有不少抑制过电压设备采用的是避雷器(下简称MOA)的方式作为过电压保护。见图1，避雷器上端接在相线下端接地。而10 kV系统运行中的电机，相对地及相间绝缘能所承受的过电压值理论计算用下式可得：

式中：Ue——电动机额定电压，V；K——冲击系数，取1.15～1.25；0.75——老化系数。

若K取1.15代入式中得;

根据GB11032-89,10 kV的MOA的操作冲击电流残压U残≥25 kV，对照MOA保护水平U相地=25.6 kV、U相间经过两只避雷器的串联残压是U相地的2倍，即U相间=51.2 kV，可以看出，该保护方式对系统中相对地过电压可以起到一定的保护作用而对相间过电压则无法起到保护。

图1 MOA避雷器基本原理Fig.1 Basic principle of MOA arrester

在架空线路上，供电系统可能承受的过电压冲击主要是由于雷击产生的雷电侵入波过电压，表现形式主要是单相对地过电压。10 kV系统避雷器通常采用直径30 mm的氧化锌阀片和环氧树脂等材料真空浇筑而成，2 ms方波通流量能达到150 A左右，能将较大的雷电冲击能量通过内部氧化锌阀片引向大地，从而减小对电网的能量冲击。

由于氧化锌避雷器MOA在相对地过电压能取到较好的保护以及性价比优势，一般被广泛使用在架空线路上。

3 组合式过电压保护器原理及缺陷

采用氧化锌阀片的非线性显著通流容量大、残压平稳、漏电流小等优点制作组合式过电压保护器对相地、相间过电压都具有抑制作用，保护功能更完善。且大多数保护器都配备了监视仪，能实时显示保护器的运行状态，有些保护器还能使用通信方式将监视信息集中传送至监控后台。可让检修人员及时发现设备存在的安全隐患，尽早进行更换。组合式过电压保护器主要是由氧化锌阀片的不同组合制作而成，主要分为有间隙型和无间隙型。

3.1 串联间隙型过电压保护器的构成

图2 四间隙过压保护器Fig.2 Four gaps overvoltage protector

3.2 主要存在的问题

由于保护器中有间隙的存在，并且间隙间的距离也影响了每相U1mA电压，间隙还增加了系统对地的杂散电容，使工频电压分布不均匀。由于间隙分散度大，导致保护器动作同步性差，较灵敏的保护器优先动作，将系统电压限制住，其他保护器则不再动作。随着放电次数的增加，其内部材料会发生不同程度老化从而导致保护值会发生变化。而这种老化不易被监视仪所检测，当系统再次发生过电压时，氧化锌阀片极易被击穿，增加相间短路故障的发生率。

由于该类带间隙保护器在实际运用中易发生爆炸事故，起不到保护作用，保护器本身还成为故障隐患，出现爆炸情况的问题比较多，故大多数用户都有意识地规避使用串联间隙型组合过电压保护器。

4 无间隙四柱型、六柱型保护器保护原理及分析

4.1 无间隙四柱组合式过电压保护器

无间隙四柱组合式过电压保护器接线见图3。由A、B、C、D四个保护单元两两组合成六个保护通道，分别保护三相对地过电压和相间过电压。

图3 无间隙组合式过电压保护器Fig.3 Gapless combined type overvoltage protector

4.2 无间隙四柱过电压保护器技术性能分析

当系统正常运行，氧化锌阀片不导通。当系统过电压超过U1mA时，氧化锌阀片呈通流状态，利用其非线性电阻特性对系统过电压实现钳制。

氧化锌阀片的非线性曲线及其特征参数的描述见图4。

图4 氧化锌阀片的伏安特性曲线Fig.4 Volt ampere characteristic curve of zinc oxide valve plate

非线性电阻保护性能的参数残压比为：

K1=U残/U1mA

(1)

氧化锌阀片的寿命指标为荷电率：

K2=Ue/U1mA

(2)

式中：Ue——长期施加在氧化锌阀片上的工作电压。

要保证氧化锌阀片长期安全地运行，根据GB11032-2000标准，荷电率需要小于0.75。在此前提下，对于10 kV电力系统，可以计算出氧化锌阀片的安全运行的基本条件。

无间隙四柱过电压保护器基本原理见图3，正常工况下，M点为零电位，对10 kV系统，施加在每相单元氧化锌阀片上的电压为：

将Ue=6.97，K2=0.75代入(2)式可得：

U1mA=Ue/K2=6.97/0.75=9.29 kV

目前国产用于过电压保护器的氧化锌阀片的残压比K1一般为1.3。

将U1mA=9.29 kV，K1=1.3代入(1)式可得：

U残=K1×U1mA=1.3×9.29 =12.077 kV

那么U相间=2×12.077 kV=24.154 kV

因此，残压比为1.3的氧化锌阀片，10 kV系统不低于24.154 kV时，过电压保护器是安全的。

4.3 无间隙四柱过电压保护器存在的问题

由于无间隙四柱型过电压保护器人为制造了中性点，原来整只氧化锌避雷器所承受的相对地运行电压，变成了半只避雷器来承担，使得相间氧化锌单元长期运行荷电率过高。为了相间阀片单元运行的可靠性，不得不提高相间阀片单元的额定电压，由于相间过电压主要为操作过电压，因此，适当提高相间阀片额定电压可以满足绝缘配合的要求。但要兼顾相对地过电压水平，在相间阀片单元额定电压提高的同时，地相阀片单元的额定电压被降低。当系统发生单相接地或者弧光接地时，地相单元承受电压作用，由于分压效应，过低的额定电压使得相地单元有可能发生热崩溃。

4.4 无间隙六柱型组合式过电压保护器

4.4.1 无间隙六柱组合式过电压保护器技术性能

六柱组合式过电压保护器，图5为六柱结构，相间和相地为独立的、完整的氧化锌阀片单元，再利用氧化锌阀片非线性电阻特性作为保护机理的一种保护装置，所有的氧化锌组件独立运行，套入上式计算所得10 kV运行电机相地之间25.6 kV耐受极限以及该类产品的相地动作电压18.6 kV时，在面对相地之间的过电压保护器是能起到保护作用的。相间过电压也能控制在23.2 kV且各单元独立互不干扰，能很好地抑制雷电过电压和操作过电压。

保护器为无间隙、无人为中性点，体积与四柱保护器一样大。保护器动作依靠氧化锌阀片物理特性，没有截波存在，无放电延时，响应速度快，响应速度为纳秒量级，动作稳定。

图5 六柱保护器原理图Fig.5 Schematic diagram of six column protector

保护器还配有最新的在线监测仪，不仅能记录保护装置的动作次数，而且还能够在该保护装置内部氧化锌阀片的泄漏电流超过所设的安全值时，在线监测仪上将会立即发出报警信号。该报警信号在监测仪上显示的同时，还可通过RS485或CAN通讯将报警信息送到后台监控系统，通知运行或维护人员将有问题的六柱保护器更换，避免了事故的发生。

4.5 两类组合保护器的优缺点对比

四柱型组合过电压保护器通常情况下都能对设备起到保护作用，由于加入了人为中性点，在设备发生一相金属性接地故障后，其余没有发生故障相随着电压升高再加上分压作用存在一定的设备损坏风险。六柱型组合过电压保护器由6只完全独立的保护单元组合而成，保护动作时各部分不会相互影响，完全克服了因人为中性点而产生的分压问题。

在选择组合式过电压保护器时应根据保护对象的不同、电压等级的不同、通流量的不同，所选的型号也有些许变化，选型时需严格按设备所需进行。

5 组合式过电压保护器在安装使用中的注意事项

除了正确的选型能给设备的运行带来全方位的保护外，使用过程中加强维护保养也是增加设备使用稳定性的重要因素之一。

(1)10 kV组合式过电压保护器一般安装在配电柜的出线室，通常需要垂直安装。在投运前做耐压试验时应该将保护器一次引线断开，否则容易在耐压实验过程中被击穿。

(2)对于过电压保护器需要重点关注其保护器上的监视参数，因为保护器每次动作对氧化锌阀片都是不可逆的。需严格按照规程要求定期对设备绝缘和泄露电流进行测试，如发现绝缘电阻明显降低或者被击穿，应立即更换以确保配电设施安全运行。U1mA泄露电流检测周期一般3 a/次。

(3)一些高压室建设在企业建筑的一楼，电缆沟设计一般低于建筑基准水平，江南区域雨水充足，地下水系也很发达。如封堵不好则容易造成电缆沟渗水。再加上配电柜的进线口封堵不好，这样的水汽很容易顺着电缆进入配电柜，极易造成安装在出线室的过电压保护器表面形成凝露损害设备绝缘形成爬电现象。应加强对设备的巡检尽早发现隐患，避免由于长时间爬电而形成的相间短路。如有必要还可在配电室外制作低于电缆沟的集水井，并增加抽水装置，通过控制配电室区域的地下水位确保电缆沟内不积水。

(4)为确保设备的运行安全，企业应尽可能创造条件，比如在高压室安装空调用于室内及设备的除湿，由于每年梅雨季节，高压室内很容易被潮气入侵，高压室长时间的受潮，最终潮气会渗入高压柜内。柜内导电体材质为铜材，负荷变化形成的温差极易在表面形成凝露。因室内受潮每年发生的高压系统设备放电现象也很普遍，有些很难彻底根除最终酿成安全事故。

6 结束语

随着科学技术进步，电力行业各种保护措施也不断更新和发展，由于有间隙组合式过电压保护器易发生爆炸逐步被无间隙组合式过电压保护器取代。无间隙保护器能有效抑制相对相、相对地过电压，因而具有独特优势和使用价值。正常操作过电压保护器动作后会自动恢复，不会发生短路故障。但任何保护设备都有其使用寿命和耐受极限，当所承受的能量超过保护器所能承受能力时，氧化锌阀片会由于过热击穿形成短路故障，此时保护器连接线会迅速烧毁，将故障状态的过电压保护器脱离于系统，使过电压设备保护退出运行，有效地保护用电设备安全。

电力系统设备的安全稳定运行是企业能否正常生产的重要保障之一，组合式过电压保护器因其良好的保护性能、体积较小且不占配电柜空间等优点，被电力系统认可并得到广泛应用。在实际使用过程中，一定要加强巡查维护保养，创造安全使用环境，使保护效果得到更好体现。