有載分接開關(guān)級(jí)間過電壓的保護(hù)裝置

分接開關(guān)級(jí)間過電壓的保護(hù)裝置摘要：介紹分接開關(guān)級(jí)間過電壓產(chǎn)生機(jī)理及火花間隙、ZnO壓敏電阻保護(hù)裝置的工作原理、過電壓保護(hù)特性和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：分接開關(guān)、級(jí)間、過電壓、保護(hù)級(jí)間過電壓概況在有載分接開關(guān)（以下簡稱分接開關(guān)）中，絕緣問題亦為主要問題之一。由于分接開關(guān)與變壓器繞組相連接，因而分接開關(guān)絕緣水平取決于變壓器的設(shè)備的最高電壓、調(diào)節(jié)范圍、調(diào)壓部位、調(diào)壓方式、繞組聯(lián)結(jié)法和繞組結(jié)構(gòu)布置方式等。眾所周知，每臺(tái)有載調(diào)壓變壓器都要按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)、感應(yīng)電壓試驗(yàn)、全波及截波沖擊電壓試驗(yàn)，必要時(shí)還進(jìn)行操作波沖擊耐壓試驗(yàn)和局部放電測量。不同試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方式使得分接開關(guān)絕緣間距上呈現(xiàn)非常不同份量的電壓負(fù)荷。此外，運(yùn)行中的有載調(diào)壓變壓器還要承受長期工作電壓和過電壓，從而導(dǎo)致在分接開關(guān)上也同樣承受上述的不同電壓負(fù)荷的考核。對(duì)于切換開關(guān)和分接選擇器組合的電阻式分接開關(guān)的絕緣系統(tǒng)，正常運(yùn)行的分接開關(guān)絕緣距離a。（級(jí)間）上只承受一個(gè)級(jí)電壓負(fù)荷。在感應(yīng)電壓試驗(yàn)時(shí)可能出現(xiàn)達(dá)2.5倍的級(jí)電壓負(fù)荷。這類負(fù)荷與分接位置無關(guān)，而且易受結(jié)構(gòu)控制，其最大值Usmax=5kV。它的相應(yīng)沖擊電壓強(qiáng)度還是比較低的，只近似地高出一個(gè)等級(jí)而已。全波雷電沖擊3%-7%10%~20%最大12%最大25%截波雷電沖擊5%-9%15%~30%最大15%最大40%圖1絕緣間距ao上的電壓梯度圖1所示為分接選擇器帶有轉(zhuǎn)換選擇器時(shí)繞組的原理布置和切換開關(guān)上產(chǎn)生的電壓梯度。當(dāng)分接選擇器帶極性選擇器時(shí)，在兩個(gè)可能的中間位置（轉(zhuǎn)換選擇器位于K、+，工作分接在K，預(yù)選分接在n，或者轉(zhuǎn)換選擇器位于K、一，工作分接在K，預(yù)選分接在1）上產(chǎn)生的最大電壓梯度幾乎一樣。在這兩個(gè)位置上分接繞組的振蕩電位都出現(xiàn)在絕緣間距ao上。當(dāng)分接選擇器帶有粗級(jí)選擇器時(shí)，兩個(gè)中間位置（轉(zhuǎn)換選擇器位于0、一，工作分接在K，預(yù)選分接在1，或者轉(zhuǎn)換選擇器位于0、+，工作分接在1，預(yù)選分接在K）時(shí)在絕緣間距a。上出現(xiàn)的電壓梯度可能不相同，但通常是相同數(shù)量級(jí)。當(dāng)位于前一個(gè)中間位置時(shí)，絕緣間距ao圖1絕緣間距ao上的電壓梯度在不同設(shè)計(jì)的多臺(tái)變壓器上測得的電壓梯度清楚地表明.特別是在粗細(xì)調(diào)繞組布置時(shí)，切換開關(guān)單數(shù)邊和雙數(shù)邊之間必定會(huì)出現(xiàn)很高的沖擊電壓梯度，這點(diǎn)必須予以特別注意。但在這個(gè)絕緣間距上產(chǎn)生的工頻電壓梯度，分接選擇器為一個(gè)中間位置時(shí)，梯度只有一級(jí)電壓；分接選擇器為三個(gè)中間位置時(shí)，梯度等于零。

圖1所示的測量結(jié)果表明，在帶粗級(jí)選擇器的情況下，全波雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)在間距a。上的梯度高達(dá)輸入沖擊水平的25%；截波雷電沖擊試驗(yàn)時(shí)則升到輸入沖擊水平的40%。從一臺(tái)Um=245kV和絕緣水平950kV的變壓器得知，間距aO上的梯度分別為248kV及380kV。在特定的環(huán)境下，欲在切換開關(guān)和過渡電阻間采用較大的絕緣間隙來承受這個(gè)電壓負(fù)荷是不經(jīng)濟(jì)的，較大的分接開關(guān)將影響整臺(tái)變壓器的尺寸。因此，切換開關(guān)中的這個(gè)絕緣間距a。不能按這個(gè)等級(jí)的梯度來設(shè)計(jì)。通常雷電沖擊耐受電壓在120?160kV范圍內(nèi)是能做到的。因此，必須采取措施保證分接開關(guān)的安全和正常運(yùn)行。級(jí)間過電壓保護(hù)措施為了對(duì)其控制，必須在級(jí)間a。上采取過電壓保護(hù)措施。圖2所示為切換開關(guān)內(nèi)部絕緣間距a。過電壓保護(hù)的兩種可能的原理圖。用火花間隙和非線性電阻器能限制作用于絕緣a。上的電壓。它們是安裝在切換開關(guān)中并與過渡電阻器相串聯(lián)?；鸹ㄩg隙保護(hù)裝置(a) (b)圖2.絕緣間距aO上過電壓保護(hù)裝置(a)(a) (b)圖2.絕緣間距aO上過電壓保護(hù)裝置(a)火花間隙保護(hù)，(b)非線性電阻保護(hù)火花間隙的放電特性在一個(gè)相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，它受到各種因素的影響，例如沖擊電壓形式、切換開關(guān)油介質(zhì)狀況和火花間隙表面燒損的影響?；鸹ㄩg隙的沖擊電壓響應(yīng)水平，通常選在90kV(0%)和130kV(100%)的范圍之內(nèi)。當(dāng)火花間隙點(diǎn)火時(shí)，就有由級(jí)電壓引起的后續(xù)電流流過。此時(shí)過渡電阻被用作為續(xù)流的限流電阻；同時(shí)在火花間隙擊穿后，它還起著阻尼電阻的作用，防止振蕩的產(chǎn)生。當(dāng)過電壓衰減后，火花間隙必須具有熄滅兩倍續(xù)流的電弧。該電弧在續(xù)流第一次過零時(shí)熄滅，并且其續(xù)流值是在100?300A的范圍內(nèi)。圖3火花間隙的結(jié)構(gòu)形式100 -90 if80604020

(.EulrzHOS)新的火花間隙火花間隙規(guī)定承受值2 3 4 5試品8070605040302010圖3火花間隙的結(jié)構(gòu)形式100 -90 if80604020

(.EulrzHOS)新的火花間隙火花間隙規(guī)定承受值2 3 4 5試品8070605040302010新的火花間隙'故電后的火花間隙8090100110120130140全波沖擊電壓(kV)圖4圖4火花間隙工頻電壓試驗(yàn)放電特性圖5火花間隙沖擊電壓試驗(yàn)放電特性非線性電阻保護(hù)裝置非線性電阻器作為切換開關(guān)的過電壓保護(hù)系統(tǒng).適用于預(yù)計(jì)會(huì)頻繁地發(fā)生過電壓梯度的場合。由于非線性電阻器與過渡電阻器相串聯(lián)的，所以它也會(huì)長期地承受著級(jí)電壓。不過，由級(jí)電壓在該電阻器上產(chǎn)生的電損耗可以忽略不計(jì)。因?yàn)榉蔷€性電阻器的保護(hù)水平是按級(jí)電壓的工作工頻電壓的15?20倍設(shè)計(jì)的。當(dāng)過電壓襲來時(shí)，非線性電阻迅速參與過電壓過程，擊穿后表現(xiàn)出很大的電導(dǎo)率，使非線性電阻上出現(xiàn)的殘壓不致于過高。一旦過電壓衰減后，加在非線性電阻只有一個(gè)工頻級(jí)電壓時(shí)，非線性電阻器的電導(dǎo)率突然下降而將工頻續(xù)流限制到很小數(shù)值。這里非線性電阻和閥門一樣起著自動(dòng)節(jié)流的作用，從而阻止在極陡的過電壓負(fù)荷下電壓超荷。非線性電阻器在限制過電壓上沒有延滯并可連續(xù)動(dòng)作，能防止發(fā)生高于按非線性電阻器特性選定的保護(hù)水平的電壓過沖。而火花間隙響應(yīng)延時(shí)，所以不能避免電壓過沖。因此，它比火花間隙保護(hù)特性具有更大優(yōu)越性。早期階段，非線性電阻器是用碳化硅（SiC）元件。目前引用了大功率的氧化鋅（ZnO）壓敏電阻之后，直到現(xiàn)在應(yīng)用的主要還是這些元件。圖6為氧化鋅壓敏電阻、碳化硅元件和線性電阻器三者的電流一電壓特性曲線。為了便于更好地比較，各種電阻器的曲線都以工作點(diǎn)7500V/100A（75Q）定尺，使三條曲線都匯結(jié)于此點(diǎn)。在圖6上，ZnO以其獨(dú)特的非線性特性而顯示出明顯的優(yōu)越性。非線性電阻器是由分接開關(guān)制造廠 圖6線性和非線性電阻器伏安特性曲線逐個(gè)地按使用中承受的各種強(qiáng)度（級(jí)電壓、全波和截波的雷電沖擊水平）來確定尺寸的。分接開關(guān)裝備非線性電阻器已有成功經(jīng)驗(yàn)。但在切換開關(guān)常規(guī)試驗(yàn)中，非線性電阻器仍然需要逐個(gè)檢查。在采用ZnO壓敏電阻的級(jí)間過電壓保護(hù)的有載分接開關(guān)中，其ZnO閥片技術(shù)參數(shù)要求如下：標(biāo)稱電壓UimA:在1mA直流下,6kV±10%；泄漏電流：0.75U1mA直流電壓下不大于50mA；允許工作電壓：＜2kV50Hz；在2.5kA電流沖擊下的電壓降：波形8/20*，＜12kV，典型值10kV。為了確保流過ZnO壓敏電阻的沖擊電流和工頻續(xù)流不超過通流容量，借助過渡電阻和整個(gè)ZnO壓敏電阻裝置自身內(nèi)阻及接入一個(gè)線性碳電阻作為限流電阻。通過線性碳電阻來調(diào)整，從而保證整個(gè)ZnO壓敏電阻裝置在過電壓保護(hù)時(shí)負(fù)載不超過下述的規(guī)定值：沖擊電流峰值：1.2/50四（全波沖擊）W1800A，1/5gs（截波沖擊）W2000A；殘余電壓值：1.2/50*（全波沖擊）W110kV，1/5gs（截波沖擊）W130kV。過電壓保護(hù)線路的配置因使用情況不同而異，并根據(jù)變壓器在試驗(yàn)和運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的負(fù)荷來確定。按交流電壓負(fù)荷配置，串聯(lián)的壓敏電阻元件數(shù)目是以變壓器的額定級(jí)電壓為基準(zhǔn)，其值為：1（取整數(shù)）圖7ZnO壓敏電阻沖擊電流8/203試驗(yàn)線路1（取整數(shù)）圖7ZnO壓敏電阻沖擊電流8/203試驗(yàn)線路于表1。ZnO壓敏電阻過電壓保護(hù)特性試驗(yàn)是在圖7同一附加沖擊電流加載的試驗(yàn)線路上進(jìn)行，通過同時(shí)測量絕緣距離上出現(xiàn)殘余電壓來檢驗(yàn)。每次沖擊電流試驗(yàn)時(shí)均拍攝沖擊電流和殘余電壓示波圖。

表1匹配數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果ZnO壓敏電阻兀件數(shù)目234567最高工作級(jí)電壓(V)75015002250300037504500允許的交流試驗(yàn)電壓(kV)468101214采用圖7的試驗(yàn)線路中，為了調(diào)節(jié)沖擊電流，預(yù)先接入60q線性電阻以替代ZnO壓敏電阻。試驗(yàn)示例：采用5只ZnO壓敏電阻+3只線性碳電阻進(jìn)行保護(hù)特性的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3所示。表2 5只ZnO壓敏電阻+3只線性碳電阻進(jìn)行保護(hù)特性的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)電流沖擊電流峰值(A)ft性殘余電壓(kV)沖擊次數(shù)相總計(jì)UVW1000A(峰值)73-8043223499沖擊電流(單幅的)4522341011600-1700A（峰值）+93-10013052107283沖擊電流(單幅的)12152782511900-2000A（峰值）+105-11226262678沖擊電流(振蕩的)28262680表3 5只ZnO壓敏電阻保護(hù)裝置在在1mA直流下的壓敏電阻電壓變化率 (單位V)測試元件U相W相試驗(yàn)前試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)后變化率(％)試驗(yàn)前試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)后變化率(%)55829583058105760-1.18639162266106-4.464'6290630463006340+0.79566856685580-1.5535809583058305740-1.19574857485600-2.5725507551655105350-2.85542754245380-0.8716270614861406062-3.32554855205450-1.77從上述試驗(yàn)的結(jié)果可見，所有各次沖擊電流試驗(yàn)均順利進(jìn)行。試驗(yàn)后檢測壓敏電阻標(biāo)稱工作電壓變化率不大于10%，所有壓敏電阻工作狀況均為正常。因此，ZnO壓敏電阻過電壓保護(hù)裝置即使經(jīng)大量試驗(yàn)后仍處于可靠狀態(tài)。結(jié)束語根據(jù)IEC60214-1和GB10230.1《分接開關(guān)第1部分性能要求和試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)的第5.1.5條防護(hù)瞬時(shí)過電壓的限制裝置的要求，組合式的分接開關(guān)級(jí)間必須采取過電壓防護(hù)措施?；鸹ㄩg隙應(yīng)該使用在過電壓保護(hù)系統(tǒng)只是偶爾或很少點(diǎn)火的場合，例如CM型分接開關(guān)。ZnO壓敏電阻器作為切換開關(guān)的過電壓保護(hù)系統(tǒng).適用于預(yù)計(jì)會(huì)頻繁地發(fā)生過電壓梯度的場合，例如CMDIII1000型或R型分接開關(guān)。如今這兩種方法在應(yīng)用上是成功的。參考文獻(xiàn)IEC6021