|
摘要：分析比较了在高压厂用电系统中保护真空断路器操作过电压的几种方式，提出在工程设计中采用何种保护方式的建议。
关键词：操作过电压； 保护方式； 分析比较； 工程设计
中图分类号：TM 774
文献标识码：B
文章编号：1006－6047(1999)04－0037－03
随着电力系统的不断发展，发电厂对厂用电系统断路器的选择要求也越来越高。由于真空断路器开断容量大，可频繁操作，检修周期长，并可实现高压厂用配电装置的无油化，所以在发电厂厂用电系统中得到广泛应用。但因真空断路器本身具有强烈的熄弧能力，在操作过程中极易产生对设备绝缘危害很大的操作过电压。过电压形式主要有截波过电压，重燃过电压和同步开断过电压。为确保保护真空断路器操作的厂用电气设备安全运行，必须安装操作过电压保护装置。
1 操作过电压的保护方式
目前工程设计中可考虑采用的真空断路器操作过电压的保护方式有以下几种：氧化锌避雷器保护，又分为普通氧化锌避雷器保护和带串(并)联间隙的氧化锌避雷器保护；三相组合式过电压保护器保护；R－C阻容过电压吸收器保护。
在发电厂厂用电系统中由真空断路器操作的电气设备主要为电动机和低压变压器，所以在此只讨论对这两类设备的操作过电压保护。
6 kV (10 kV)变压器由于设备制造的绝缘水平较高，其标准冲击耐压为60 kV (75 kV)，根据GB 11032－89《交流无间隙金属氧化物避雷器》的规定，电站避雷器在操作冲击电流下残压为23 kV (38.3 kV)，所以采用氧化锌避雷器，即可实现对真空断路器操作产生的过电压保护。当然，如采用上述其他保护方式，保护性能更优越。
6 kV (10 kV)电动机的绝缘水平较低，其设备制造的出厂实验冲击耐压值仅为同级电压变压器的25%～40%。且在运行过程中，由于受到机械、电、热和化学的联合作用，电机的绝缘将会老化。因此，运行中电机主绝缘的实际冲击耐压值还要比出厂耐压值低，所以真空断路器操作产生的过电压对其危害最大。本文主要研究真空断路器操作过电压时对高压厂用电动机的影响和保护。
2 各种保护方式的特点
2.1 氧化锌避雷器(MOA)保护
2.1.1 普通MOA保护
无间隙MOA的保护伏安特性如图1所示：
图1 无间隙氧化锌避雷器伏安特性
MOA特性值为：残压比 K1=U500A/U1mA，荷电率 K2=Ue/U1mA(一般氧化锌避雷器K2=0.75，高水平的阀片避雷器K2=0.8)。
(1)保护性能分析。根据GB 11032－89《交流无间隙金属氧化物避雷器》规定，电动机保护氧化锌避雷器的参数，持续运行电压Ue=4.0 kV,1 mA直流参考电压U1mA≥11.3 kV，操作冲击电流下残压Ubc≤15 kV。
6 kV电动机相对地和相对相之间的绝缘所能承受的过电压水平为Up=×(2×6+1)×0.75×1.15=15.9 (kV)＞15 kV(MOA残压)。根据《旋转电机基本技术要求》GB 755－87中功率小于10 000 kW电机的绝缘绕组，试验电压(对地和匝间绝缘)要求为1 000 V+2倍额定电压(2×6 kV+1 kV)；0.75为惯用法绝缘配合系数；1.15为系统可能出现最高工频工作电压系数。MOA可保护电动机的相对地绝缘，但保护裕度很小。且采用普通MOA保护时，在相对相操作冲击电流下其残压2×Ubc=2×15=30 (kV)＞Up，不能保护电动机的相对相的绝缘。
(2)在工频过电压运行状态下存在的问题。在高压厂用电系统发生单相接地故障时，非故障相的相对地电压将会升高，此时MOA所承受的是Ue=1.15U线，则其K2=×1.15×U线/U1mA=0.86。在这样高的荷电率下，MOA不能够长时间承受。因此，MOA在系统单相接地或谐振时发生操作过电压情况损坏较多。
要提高MOA在系统保护中的运行安全性，须将普通MOA的持续运行电压提高到线电压，即Ue=1.1×6 kV，K2=0.75,则U1mA=×1.1×6/0.75=13.0,U500A=K1×U1mA=18.2 (kV)＞Up=15.9 kV。依据《交流无间隔金属氧化物避雷器》GB 11032－89中的要求，制造厂一般将K１取为≥1.4。这样MOA又无法实现对电动机的任何绝缘保护。
所以，采用普通MOA保护电动机绝缘，存在着既要满足MOA的安全持续运行电压的要求，又要实现对相对地和相对相之间绝缘保护的矛盾。而按国标生产的氧化锌避雷器不能解决这个矛盾，只有进一步提高氧化锌避雷器的性能，或改进氧化锌避雷器的结构，充分利用ZnO的特性，才能实现氧化锌避雷器对电动机的保护。
2.1.2 带串(并)联间隙MOA保护
(1)性能分析。 带串联间隙的MOA，国内产品目前残压为19 kV,西门子公司产品可达15 kV；国内可生产残压为15 kV的带并联间隙的MOA。由于采用串联间隙，因此直流1 mA参考电压选择时可不必考虑荷电率，只需保证间隙在单相接地等工频过电压下能可靠熄弧。所以，阀片的直流1 mA参考电压选取略大于系统正常运行时的最大峰值电压即可保证避雷器安全运行。
对于带并联间隙的MOA，当避雷器系统操作过电压下动作时，可有效分流冲击电流，减小了阀片的通流容量，从而提高了避雷器运行的安全性。
从上述分析可知，采用带串(并)联间隙的MOA保护高压厂用电系统操作过电压，可提高MOA的安全性。且带串联间隙的MOA的性能优于带并联间隙的MOA。但也不能保护电动机的相对相的绝缘。
(2)存在的问题。对于带串联间隙的MOA，由于串联间隙在运行过程中存在氧化的问题，所以长期运行后使间隙的性能产生改变，从而影响保护器的绝缘保护性能，并增加了间隙放电的分散度。
对于带并联间隙的MOA，由于其阀片的直流1 mA参考电压与普通MOA的一样，若高压厂用电系统发生单相接地故障后未及时切除，非故障相的相对地电压将会升高，在高荷电率情况下长期运行，将损坏MOA。
综上所述，采用带串(并)联间隙MOA保护真空断路器操作过电压，可以在保证设备安全运行的前提下，保护电动机的相地绝缘，但不能保护电动机的相对相的绝缘。
一般情况下，真空断路器开断后产生的过电压，主要为相地过电压。由于真空断路器各相开断的截流相差不大，且各相回路的电感(L)和电容(C)基本相同，相间电压值一般不会很大，只有在特殊情况下才发展为较高的相间过电压。所以采用带串(并)联间隙MOA保护电动机基本可满足工程要求。
2.2 三相组合式过电压保护器保护
2.2.1 保护原理(见图2)
由图2可知，三相组合式过电压保护器与氧化锌避雷器相比，从理论上讲，可以将相间过电压保护值减低50%。其主要技术参数：
CG为串联间隙； FR为氧化锌阀片
图2 保护器原理图
系统额定电压为6(10) kV；
保护器持续运行电压7.6(12.7) kV；
工频放电电压≥10.4(16.9) kV；
直流1 mA参考电压≥9.9(16.4) kV；
阀片残压比＜1.55；
标准冲击放电残压≤15.4(25.5) kV；
500 A操作冲击电流残压≤14.9(24.8) kV。
2.2.2 保护器的特点
(1) 采用四星形接线，可将相间过电压大大降低，与普通MOA相比，可降低60%～70%，可靠地保护了电动机的相间绝缘。
(2) 同带串联间隙的MOA一样，由于采用了氧化锌阀片与间隙串联的结构，提高了保护器的使用寿命，且使保护器在系统出现单相接地、间隙性弧光接地和谐振过电压等状态下均可安全运行。
2.2.3 应用三相组合式过电压保护器存在的问题
(1) 同带串联间隙的MOA。
(2) 由于三星形中性点的对地绝缘悬浮，在实际运行中出现过对地绝缘击穿现象，从而在操作过电压下使保护器发生爆炸的情况。
2.3 R－C阻容过电压吸收器保护
2.3.1 保护原理
电动机及空载变压器回路装设R－C吸收器的工作原理见图3，真空断路器操作后产生的截流将在设备电感L中储藏有LI２/2的电磁能量，并在由L0和C0组成的回路上形成震荡。
C0为杂散电容；L0为负载电感；R，C1为吸收器电容、电感；
I为开断截流2.5～6 A
图3 R－C吸收器工作原理图
依据能量守恒定理
K1是电阻和涡流损耗作用下的电压幅值衰减系数，电动机为0.6～0.8，变压器为0.25；其震荡频率为
从以上两个公式可见，接入R，C后，可将真空断路器操作过电压幅值限制在允许范围内，并可大大降低过电压的震荡频率，减少了真空断路器的重燃几率。
实际工程应用中，采用R=100～400 Ω，C=0.05～0.1 μF的R－C阻容过电压吸收器即可将操作过电压幅值减低到电源电压峰值的2倍以下，震荡频率降低到接近50 Hz工频。
2.3.2 吸收器的特点
(1) R－C吸收器可随时吸收回路的过电压，当真空断路器切断电动机或变压器时， R－C的加入可使操作过电压的震荡衰减较快，较好地限制了过电压的幅值和震荡频率。
(2) 因R－C吸收器限制过电压的原理与MOA不同，它不存在残压问题，而是靠操作过电压高频出现后引起容抗(ZＣ=1/(2πfc))降低，增大电容器上电流，来吸收产生过电压震荡的能量，从而限制操作过电压。正常工频工作状态下，电流很小，所以其使用寿命较长。
2.3.3 应用中存在的问题
(1) 采用R－C吸收器，增加了对地电容，将可能影响对高压厂用电系统的接地方式，高压厂用电系统中性点必须经电阻接地或经消弧线圈接地。所以在目前工程中一般采用的高压厂用电中性点不接地的系统，使用R－C吸收器，将改变高压厂用电系统的单相接地保护方式，并需增加中性点接地设备。
(2) 以前国内仅能生产油浸式R－C吸收器，其体积大，安装不方便，维护工作量大，并且存在渗油现象，因此限制了应用。目前国内已能生产干式R－C吸收器，但产品质量尚不过关，出现过电容击穿，甚至R－C吸收器爆炸的情况，且其实际运行的经验也少，所以在使用上也不普及。
3 结论和建议
通过对真空断路器操作过电压的几种保护方式的分析和比较，对于中性点为不接地系统的高压厂用电系统，采用带串(并)联间隙氧化锌避雷器保护操作过电压，简单经济，且基本满足工程设计要求；在对电动机相间绝缘要求高的情况下，可考虑采用三相组合式过电压保护器保护。对于中性点为经电阻接地系统的高压厂用电系统，建议采用干式R－C阻容过电压吸收器保护，但其投资较大
|
网友评论：（只显示最新10条。评论内容只代表网友观点，与本站立场无关！）
