断路器操作过电压分析与限制措施

真空断路器操作过电压分析与限制措施
一、真空断路器开断过电压简介
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。

1. 截流过电压是由于电流的突然截断而产生的。

当断路器开断后，由于电感中的电流不能突变，只能向负荷侧的相地及相间电容充电。

因电容值一般较小，负荷侧相地及相间将会出现较高幅值的过电压。

2. 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。

因此，电容被充电时可能达到的最大电压数值要大，击穿次数越多，过电压幅值越高。

3. 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。

真空断路器开断高压电动机时产生的操作过电压的特点为，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，相间操作过电压有时可能会超过4倍的额定电压，严重危及电动机等设备的绝缘。

二、电气设备的绝缘水平
国标GB311.1规定，最高电压在1kV≤U m≤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。

一般电动机的一分钟工频耐压值为2U e+1。

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：
U S=2（2U e+1）×1.15×75%
式中：1.15为电动机绝缘的操作冲击系数；
U e为电动机的额定电压。

以6kV电压等级电动机为例，其相对地和相对相之间绝缘的冲击耐压水平按上式计算结果如下：
U S=2（2×6+1）×1.15×75%=15.9kV
三、过电压保护器应满足的条件
在发电厂以及冶金、化工、煤炭、石油等行业中，为避免由于真空断路器截流产生的操作过电压，特别是相间过电压对系统的危害，过电压保护器应当满足以下条件：（1）为能有效地防止过高的操作过电压对电气设备的绝缘造成危害，过电压保护器的保护水平应低于被保护对象的电气设备的绝缘冲击耐压水平。

（2）由于电气设备的相间绝缘水平与相地绝缘水平一致，因此过电压保护器的相间保护水平与相地保护水平也应一致。

（3）在正常和单相接地工况并考虑了电压波动15％的情况下，过电压保护器自身应能安全可靠地运行。

即持续运行电压应按下式选择：
U ch=1.1×1.15×U e
四、几种过电压保护器的性能分析
1. 阀式避雷器(FS.FZ 系列)
阀式避雷器由SiC 加串联间隙构成，其工放值按只限制大气过电压设计，相对地工放值为４倍相电压有效值。

例如：6kV 避雷器的工频放电电压为16kV ，相间更高，对相间和相对地的操作过电压基本无限制作用。

2. 无间隙Ｚn Ｏ避雷器（Ｙ５Ｗ系列）
表征氧化锌阀片长期运行的寿命指标为荷电率：
η=1mA
U Ue 15.11.12⨯⨯ 其中，U e 为设备的额定电压，U 1mA 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Ｕ1mA 按相电压选取，则荷电率较高，特别是在单相接地情况下，Ｚn Ｏ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Ｚn Ｏ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Ｚn Ｏ承担，接地的那只Ｚn Ｏ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Ｚn Ｏ过电压保护器
此保护器的相间有两个间隙，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间隙的组合式Ｚn Ｏ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（LBP ）
LBP 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LBP 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） LBP 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1。

上升前沿为1.2μs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（20μs-50ms）的任意波形电压，放电电压值均相等，保护性能稳定。

（3）LBP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。

五、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选取，以保证自身安全。

六、使用场合
广泛应用于发电、供电和企业的35kV、10kV、6kV的用电系统中，用来保护电动机、发电机、变压器、开关、母线、电容器等电气设备。

每段35kV、10kV、6kV的用电系统中都有很多面高压开关柜，每面高压开关柜里面都装有三只普通氧化锌避雷器或一台三相组合式过电压保护器。

参考文献：1、“带串联间隙四星形接法的MOA”，《电磁避雷器》第五期，1995年王川、杜世俊。

2、许颖，《3-66KV中性点非有效接地系统无间隙氧化锌避雷器存在的问题》，
《中国电力》，第六期，1994年。