星三角組合式過電壓保護器的性能簡析

陳華沛

（安徽三和電力技術有限公司，合肥 235300）

在發電廠、鋼鐵、煤炭、化工、石油等行業中，隨著真空斷路器等的大量使用，由此產生的操作過電壓的危害也越來越引起人們的關注。在通常的情況下開關截流和多次重燃時，相間過電壓為對地過電壓的1.5倍。而開關三相同步截流時，相間過電壓為對地過電壓的2倍。因此，真空斷路器開斷高壓電動機時產生的相間操作過電壓在通常情況下是相地操作過電壓的1.5～2.0倍。真空斷路器開斷高壓電動機時，特別是在開斷啟動過程中的電動機時，截流過電壓和三相同時開斷過電壓可能超過4倍的額定電壓.，高頻重復重擊穿過電壓可能超過5倍的額定電壓，嚴重危及電動機的絕緣。

目前市場上常用的過電壓防護產品有單支氧化鋅避雷器、四星型帶串聯間隙組合式過電壓保護器、四星型組合式無間隙過電壓保護器、阻容吸收器等，但保護效果及保護產品本身的安全性和穩定性均不十分理想。

1 目前市場常用幾種過電壓防護產品的比較

1.1 金屬氧化物避雷器

金屬氧化物避雷器主要是針對大氣過電壓設計的，可有效限制系統中由雷擊等引起的大氣過電壓。但是，對于真空斷路器產生的相間操作過電壓起不到很好的限制作用。

1.2 無間隙四星型組合式過電壓保護器

圖1 無間隙四星型組合式過電壓保護器

其結構如圖1所示，保護器由4組ZnO閥片單元組成。系統正常運行時三相平衡，保護器中性點M點為零電位，系統的相電壓僅由相單元的ZnO閥片承擔，接地的那組ZnO閥片不承擔電壓，相單元ZnO閥片荷電率很高，所以該結構保護器在運行中老化很快，很難長期安全運行。而且在不同運行工況下，中性點電位不確定，可能造成地相ZnO閥片過載損壞。若提高保護器的U1mA，則將失去對用電設備絕緣的保護功能。

1.3 帶串聯間隙四星型過電壓保護器

帶串聯間隙四星型過電壓保護器分為四間隙和三間隙兩種結構。該過電壓保護器因有放電間隙的存在，正常運行時放電間隙將ZnO閥片和電網相隔離，不存在荷電率問題，殘壓可以做到相對很低。但放電間隙本身也帶來很多問題，比如放電間隙分散性大導致的放電值不穩定，若沖擊放電電壓高，則保護裕度小，不能對設備進行很好的保護；若沖擊放電電壓低，則不能對ZnO電阻進行很好的保護。同時放電電極在重復動作若干次后極易損壞，大大降低其使用壽命。放電間隙導通速度慢，會帶來放電延時，往往系統過電壓幅值已超過設備耐壓值放電間隙還未導通。另外，放電間隙擊穿時會產生突變的截波，對電動機等設備的匝間絕緣也會帶來很大傷害。

1.4 阻容吸收器

阻容吸收器中的電容對削弱過電壓波頭陡度及降低過電壓幅值能起到一定的作用，但無明確的過電壓限制閥值，很難與設備的絕緣水平進行配合。而且，由于電網中高次諧波涌入阻容器，易導致RC過熱甚至燒毀，事故率很高。正常運行時，阻容吸收器會增大系統的電容電流，此類產品應用范圍受到很大的限制，很多系統不能大量使用。

2 星三角組合式過電壓保護器

星三角組合式過電壓保護器是一種新型的過電壓保護裝置，其結構如圖2所示。星三角組合式過電壓保護器采用無間隙結構，可以發揮ZnO電阻良好的伏安特性，無動作分散性和放電延時等放電間隙帶來的一系列問題，動作值穩定且不受各種波形影響。通過獨特的星—三角連接，使荷電率大大降低，同時解決了相間和相地保護水平的均衡性問題，對相間和相地的過電壓均能起到可靠的保護作用，可以有效保護用電設備絕緣免受過電壓侵害。

星三角組合式過電壓保護器因采用無間隙結構，可以對保護器內ZnO閥片的泄漏電流、動作次數等進行實時動態監測，了解保護器的具體運行情況。

圖2 星三角組合式過電壓保護器

下面以10kV電動機型保護器為例說明其保護特性和安全性能。

國標GB311.1-1997規定，最高電壓在1kV≤Um≤252kV的范圍內，電氣設備的相間絕緣耐受電壓與相對地絕緣耐受電壓值相同。對于在運行中的高壓電動機，其相對地和相對相之間的絕緣所能承受的過電壓數值，我們做一下分析。

2.1 10kV電動機的絕緣水平

工頻耐壓水平UR

式中，Ud為電動機額定電壓（10.5kV）。

雷電沖擊耐壓水平

操作沖擊耐壓水平

2.2 星三角組合式過電壓保護器參數

根據JB/T10496的規定，無間隙組合式過電壓保護器的直流1mA參考電壓相間不小于23.2kV，相地不小于18.6kV。我們取相單元閥片組U相1mA=11.6kV，地單元閥片組U地1mA=7kV。根據目前國內ZnO閥片的制作水平，取K1=1.7，K1為5kA標稱雷電沖擊電流下殘壓比。

系統中操作過電壓主要由于真空斷路器開斷過程中產生的截流過電壓，目前斷路器的截流值都在數安培以內，所以可以取該操作沖擊電流下的ZnO閥片殘壓比K2=1.2。

則該保護器的操作沖擊過電壓保護水平為

可以看出，星三角過電壓保護器相間和相地的殘壓值均小于電動機的沖擊耐受水平，滿足對電動機的保護要求。

下面對該保護器在電力系統運行中的荷電率做分析。荷電率是表征ZnO閥片在某一電壓下能否長期運行的一個重要指標，氧化鋅電阻片的荷電率可表示為

式中，Ue為系統持續運行電壓峰值，U1mA為ZnO閥片直流1mA參考電壓。

當系統正常運行時，相對地ZnO閥片的最大荷電率為

相間ZnO閥片的最大荷電率為

當系統發生單相接地故障時，相地ZnO閥片的最大荷電率為

發生單相接地故障時，相對地閥片的最大荷電率較高，但是荷電率較高主要影響氧化鋅元件的壽命。一般認為，荷電率＜0.75時，氧化鋅元件壽命可以達到100年，而系統在單相接地故障下運行只是一種短時的暫態運行狀態，在這種狀態下即使是較高的荷電率，也不會明顯地影響氧化鋅元件的使用壽命。所以，上述各組氧化鋅元件在各種運行狀態下都能夠滿足長期安全運行的要求。

3 結論

由以上結果可知，星三角組合式過電壓保護器可以對系統中操作過電壓和大氣過電壓進行很好的保護作用，且荷電率很低，可以長期穩定的在系統中安全運行。

[1]李錦鵬.組合式過電壓保護器技術性能分析[J].工礦自動化,2004(1):44-46.