有載分接開關級間過電壓的保護裝置

分接開關級間過電壓的保護裝置摘要：介紹分接開關級間過電壓產生機理及火花間隙、ZnO壓敏電阻保護裝置的工作原理、過電壓保護特性和應用前景。關鍵詞：分接開關、級間、過電壓、保護級間過電壓概況在有載分接開關（以下簡稱分接開關）中，絕緣問題亦為主要問題之一。由于分接開關與變壓器繞組相連接，因而分接開關絕緣水平取決于變壓器的設備的最高電壓、調節(jié)范圍、調壓部位、調壓方式、繞組聯(lián)結法和繞組結構布置方式等。眾所周知，每臺有載調壓變壓器都要按現(xiàn)行國家標準進行工頻耐壓試驗、感應電壓試驗、全波及截波沖擊電壓試驗，必要時還進行操作波沖擊耐壓試驗和局部放電測量。不同試驗項目和試驗方式使得分接開關絕緣間距上呈現(xiàn)非常不同份量的電壓負荷。此外，運行中的有載調壓變壓器還要承受長期工作電壓和過電壓，從而導致在分接開關上也同樣承受上述的不同電壓負荷的考核。對于切換開關和分接選擇器組合的電阻式分接開關的絕緣系統(tǒng)，正常運行的分接開關絕緣距離a。（級間）上只承受一個級電壓負荷。在感應電壓試驗時可能出現(xiàn)達2.5倍的級電壓負荷。這類負荷與分接位置無關，而且易受結構控制，其最大值Usmax=5kV。它的相應沖擊電壓強度還是比較低的，只近似地高出一個等級而已。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換選擇器時繞組的原理布置和切換開關上產生的電壓梯度。當分接選擇器帶極性選擇器時，在兩個可能的中間位置（轉換選擇器位于K、+，工作分接在K，預選分接在n，或者轉換選擇器位于K、一，工作分接在K，預選分接在1）上產生的最大電壓梯度幾乎一樣。在這兩個位置上分接繞組的振蕩電位都出現(xiàn)在絕緣間距ao上。當分接選擇器帶有粗級選擇器時，兩個中間位置（轉換選擇器位于0、一，工作分接在K，預選分接在1，或者轉換選擇器位于0、+，工作分接在1，預選分接在K）時在絕緣間距a。上出現(xiàn)的電壓梯度可能不相同，但通常是相同數量級。當位于前一個中間位置時，絕緣間距ao圖1絕緣間距ao上的電壓梯度在不同設計的多臺變壓器上測得的電壓梯度清楚地表明.特別是在粗細調繞組布置時，切換開關單數邊和雙數邊之間必定會出現(xiàn)很高的沖擊電壓梯度，這點必須予以特別注意。但在這個絕緣間距上產生的工頻電壓梯度，分接選擇器為一個中間位置時，梯度只有一級電壓；分接選擇器為三個中間位置時，梯度等于零。

圖1所示的測量結果表明，在帶粗級選擇器的情況下，全波雷電沖擊試驗時出現(xiàn)在間距a。上的梯度高達輸入沖擊水平的25%；截波雷電沖擊試驗時則升到輸入沖擊水平的40%。從一臺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，欲在切換開關和過渡電阻間采用較大的絕緣間隙來承受這個電壓負荷是不經濟的，較大的分接開關將影響整臺變壓器的尺寸。因此，切換開關中的這個絕緣間距a。不能按這個等級的梯度來設計。通常雷電沖擊耐受電壓在120?160kV范圍內是能做到的。因此，必須采取措施保證分接開關的安全和正常運行。級間過電壓保護措施為了對其控制，必須在級間a。上采取過電壓保護措施。圖2所示為切換開關內部絕緣間距a。過電壓保護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中并與過渡電阻器相串聯(lián)?；鸹ㄩg隙保護裝置(a) (b)圖2.絕緣間距aO上過電壓保護裝置(a)(a) (b)圖2.絕緣間距aO上過電壓保護裝置(a)火花間隙保護，(b)非線性電阻保護火花間隙的放電特性在一個相當大的范圍內變化，它受到各種因素的影響，例如沖擊電壓形式、切換開關油介質狀況和火花間隙表面燒損的影響?；鸹ㄩg隙的沖擊電壓響應水平，通常選在90kV(0%)和130kV(100%)的范圍之內。當火花間隙點火時，就有由級電壓引起的后續(xù)電流流過。此時過渡電阻被用作為續(xù)流的限流電阻；同時在火花間隙擊穿后，它還起著阻尼電阻的作用，防止振蕩的產生。當過電壓衰減后，火花間隙必須具有熄滅兩倍續(xù)流的電弧。該電弧在續(xù)流第一次過零時熄滅，并且其續(xù)流值是在100?300A的范圍內。圖3火花間隙的結構形式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火花間隙的結構形式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放電特性圖5火花間隙沖擊電壓試驗放電特性非線性電阻保護裝置非線性電阻器作為切換開關的過電壓保護系統(tǒng).適用于預計會頻繁地發(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，所以它也會長期地承受著級電壓。不過，由級電壓在該電阻器上產生的電損耗可以忽略不計。因為非線性電阻器的保護水平是按級電壓的工作工頻電壓的15?20倍設計的。當過電壓襲來時，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工頻級電壓時，非線性電阻器的電導率突然下降而將工頻續(xù)流限制到很小數值。這里非線性電阻和閥門一樣起著自動節(jié)流的作用，從而阻止在極陡的過電壓負荷下電壓超荷。非線性電阻器在限制過電壓上沒有延滯并可連續(xù)動作，能防止發(fā)生高于按非線性電阻器特性選定的保護水平的電壓過沖。而火花間隙響應延時，所以不能避免電壓過沖。因此，它比火花間隙保護特性具有更大優(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7500V/100A（75Q）定尺，使三條曲線都匯結于此點。在圖6上，ZnO以其獨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制造廠 圖6線性和非線性電阻器伏安特性曲線逐個地按使用中承受的各種強度（級電壓、全波和截波的雷電沖擊水平）來確定尺寸的。分接開關裝備非線性電阻器已有成功經驗。但在切換開關常規(guī)試驗中，非線性電阻器仍然需要逐個檢查。在采用ZnO壓敏電阻的級間過電壓保護的有載分接開關中，其ZnO閥片技術參數要求如下：標稱電壓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ZnO壓敏電阻裝置自身內阻及接入一個線性碳電阻作為限流電阻。通過線性碳電阻來調整，從而保證整個ZnO壓敏電阻裝置在過電壓保護時負載不超過下述的規(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。過電壓保護線路的配置因使用情況不同而異，并根據變壓器在試驗和運行時出現(xiàn)的負荷來確定。按交流電壓負荷配置，串聯(lián)的壓敏電阻元件數目是以變壓器的額定級電壓為基準，其值為：1（取整數）圖7ZnO壓敏電阻沖擊電流8/203試驗線路1（取整數）圖7ZnO壓敏電阻沖擊電流8/203試驗線路于表1。ZnO壓敏電阻過電壓保護特性試驗是在圖7同一附加沖擊電流加載的試驗線路上進行，通過同時測量絕緣距離上出現(xiàn)殘余電壓來檢驗。每次沖擊電流試驗時均拍攝沖擊電流和殘余電壓示波圖。

表1匹配數據計算結果ZnO壓敏電阻兀件數目234567最高工作級電壓(V)75015002250300037504500允許的交流試驗電壓(kV)468101214采用圖7的試驗線路中，為了調節(jié)沖擊電流，預先接入60q線性電阻以替代ZnO壓敏電阻。試驗示例：采用5只ZnO壓敏電阻+3只線性碳電阻進行保護特性的試驗，試驗結果見表2和表3所示。表2 5只ZnO壓敏電阻+3只線性碳電阻進行保護特性的試驗結果試驗電流沖擊電流峰值(A)ft性殘余電壓(kV)沖擊次數相總計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相試驗前試驗時試驗后變化率(％)試驗前試驗時試驗后變化率(%)55829583058105760-1.18639162266106-4.464'6290630463006340+0.79566856685580-1.5535809583058305740-1.19574857485600-2.5725507551655105350-2.85542754245380-0.8716270614861406062-3.32554855205450-1.77從上述試驗的結果可見，所有各次沖擊電流試驗均順利進行。試驗后檢測壓敏電阻標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裝置即使經大量試驗后仍處于可靠狀態(tài)。結束語根據IEC60214-1和GB10230.1《分接開關第1部分性能要求和試驗方法》標準的第5.1.5條防護瞬時過電壓的限制裝置的要求，組合式的分接開關級間必須采取過電壓防護措施?；鸹ㄩg隙應該使用在過電壓保護系統(tǒng)只是偶爾或很少點火的場合，例如CM型分接開關。ZnO壓敏電阻器作為切換開關的過電壓保護系統(tǒng).適用于預計會頻繁地發(fā)生過電壓梯度的場合，例如CMDIII1000型或R型分接開關。如今這兩種方法在應用上是成功的。參考文獻IEC6021