在城市10kV配电所中,目前通常采用Y5W-17/50型无间隙氧化锌避雷器装在变压器回路中,作为真空断路器开断空载变压器操作过电压保护。根据目前真空断路器均采用低截流过电压断路器的情况,设真空断路器截流最大过电压的倍数不超过3.1p.u.。在10kV系统中,对应3.1p.u.相对地的电压为3.1×10/(有效值)。这种操作过电压水平将低于变压器的绝缘水平(额定短时工频耐受电压:油浸电力变压器30kV,干式电力变压器28kV),即不会损坏变压器绝缘,也就是说不需要对真空断路器开断空载变压器产生过电压进行保护。
现将真空断路器、变压器及氧化锌避雷器产生过电压、耐受过电压及抑制过电压的有关技术性能简要分析如下。
我国真空断路器已有几十年的发展历史。截止2002年底,我国生产的10kV户内真空断路器型号从ZN1-10发展到IN98-12。其中自行设计的产品以ZN28-12产量大,装在KYN1-10手车式成套开关柜中,广泛用于城市10kV配电所中。不久前,内装ZN63A-12(参照VD4)型真空断路器的中置柜也开始在这些配电所中使用。我国早期研制的真空灭弧室都使用铜铋(Cu/Bi)触头材料,以后研制的灭弧室均使用铜铬(Cu/Cr)触头材料,大大降低了后面将要叙述的截流电流值,即操作过电压值。
注:本表摘自国际《高压输变电设备的绝缘配合》(GB3111101997)的表3和表410kV干式电力变压器的绝缘水平如表2所示.
注:本表摘自国标《干式电力变压器》(GB645001986)的表6
10kV油浸电力变压器的绝缘水平如表1所示。
从表1、表2可见,干式电力变压器的绝缘水平要比油浸变压器的低。由于防火要求,现在城市高层建筑的地下配电所均采用干式电力变压器。
10kV典型的配电用无间隙氧化锌避雷器的技术参数如表3所示。
注:本表摘自国标《交流无间隙金属氧化物通雷器》(GB1103202000)的表6
当真空断路器开断电感电路中的小电流(如电动机、空载变压器)时,将产生截流过电压。这种过电压的产生是由于真空断路器在截流开断后,负载内部将发生一个电磁振荡过程,直到将所贮存的能量全部损耗完为止。在此振荡过程中,负载两端将出现一个过电压。当真空断路器开断较大的感性电流(如电动机启动电流或电炉变压器电流)时,即使截流过电压不大,但由于真空断路器触头分离瞬间,断口绝缘的恢复强度有限,会发生多次击穿,导致所谓截流重燃过电压。它的幅值高、陡度大,从而击穿电动机和变压器的匝间绝缘。
真空断路器截断电流的大小主要决定于触头材料。为了降低操作过电压,要求触头材料的截流值低。我国早期开发的断路器(如ZN3-10、ZN4-10、ZN5-10)的真空灭弧室都使用铜铋(Cu/Bi)触头材料,触头截流水平很高,可达10-12A。后来开发的真空灭弧室均采用铜铬(Cu/Cr)触头材料,将截流水平降为3～5A。例如,国产ZN63A-12型(参照VD4型)真空断路器的VS系列真空灭弧室采用铜铬触头,根据截流值的概率分布曲线,96.6%累积概率的截流值不大于5A。这一截流值对应的最大过电压倍数在中性点绝缘运行系统中的实测值最高不超过3.1p.u.,一般均在2.5p.u.以下。
在负载进线端并联电阻R和电容C串联保护装置(RC过电压吸收器),可以使真空断路器开断空载变压器产生的过电压得到抑制。这是因为电容C既可减缓过电压上升陡度,又可降低负载的波阻抗,因而可以降低截流过电压。而在发生截流时,电阻R能消耗负载电路中的高频振荡能量,使电压得到有效的抑制。当断路器触头间电弧重燃时,电阻R又增大了高频放电电路的衰减系数,使高频电流迅速衰减和减少幅值,并可减少重燃次数,使多次重燃过电压得以明显下降。城市10kV配电所真空断路器的过电压保护问题——陈西庚由于它们能降低过电压的陡度,有效防止损坏匝间绝缘。因此,RC过电压吸收器是目前保护真空断路器在开断电动机、空载变压器等小电流负载时产生的截流过电压效果最好的装置。多年前,我国已成批生产RC过电压吸收器,并成功用在10kV实际装置中。
RC过电压吸收器的优点是明显的,但实际使用中也存在以下缺点:
(1)由于体积大,如某厂生产的LG12-0.1/100-3型(每相电容0.1μF,电阻100Ω)RC过电压吸收器的体积(三相、10kV)为560mm×1 15mm×335mm(长×宽×高),有些成套开关柜的小车中就装不下。安装在尺寸较紧凑的开关柜中,也容易存在绝缘事故隐患。
(2)产生高次谐波。由于连接导体的电感不能忽略,这些电感与电容组成的高频谐振回路是产生三次谐波的污染源,严重时甚至需要附加滤波装置。
(3)增加配电系统的电容电流。例如,前面提到的LG12-0.1/100-3的RC过电压吸收器,每只在10kV配电系统中将产生0.543A电容电流,不利于10kV配电系统中单相接地时的电弧自动熄灭,容易产生弧光接地过电压。当出线回路多时,甚至需要装设消弧线圈。
在负载进线端并联氧化锌避雷器保护装置。采用避雷器限制各种类型过电压是目前最常用的有效方法。在各种类型的避雷器中,无间隙氧化锌避雷器是由氧化锌非线性高性能电阻片叠叠装而成。它工作在伏-安特性的高欧姆状态(高阻态),仅流过几微安的容性电流,在过电压袭击下能急速转入高导电状态而产生对地电流。一旦限制器端电压降到长期允许值以下,即恢复高阻态。它不仅能防止雷电流对电气设备的危险,还适合于限制各种操作过电压。目前,它们已广泛用在10kV配电所作为10kV母线上电气设备的雷电过电压和操作过电压保护,也作为真空断路器开断空载变压器产生过电压的保护。装置十分简单是它的主要优点。
但无间隙氧化锌避雷器有以下缺点:
(1)只能限制过电压的幅值,不能限制过电压的陡度,对变压器的匝间绝缘不利。
(2) 10kV配电网单相接地时或铁磁谐振过电压时氧化锌避雷器动作损坏较多。目前已将安装在城市10kV配电所中的无间隙氧化锌避雷器的额定电压从10kV提高到17kV,以减少避雷器动作损坏。但从前面表1和表2可见,此时由于避雷器的残压提高,相应降低了变压器的保护裕度(即降低了绝缘配合系数)。
(3)即使提高了无间隙氧化锌避雷器的额定电压,从而提高了避雷器的热容量(即承载能力),减少动作损坏,但仍然不能完全避免谐振过电压和电弧接地过电压时爆炸的可能性。
有串联间隙氧化锌组合避雷器由4个特性相同的单元组合而成,每一个单元都含有火花间隙和氧化锌电阻片。有串联间隙氧化锌组合避雷器采用了氧化锌电阻片和间隙的各自优点,使两者互为保护。间隙使电阻片与电网运行电压隔离或只承受低电压,大大改善了电阻片组长期工作条件。电阻片使间隙无续流、无截波,其寿命大大延长。由于串联间隙的存在,它使正常工作时没有泄漏电流通过,也不必考虑泄漏电流阻性分量的劣化作用,避雷器可以用数量较少的电阻片,结构简单,这时残压很低,如果火花间隙的放电电压也很低,则可使避雷器具有很低的保护水平。总之,有串联间隙后,大大改善了前面所述无间隙氧化锌避雷器的性能。这是有间隙氧化锌组合避雷器的主要优点,因此它一直受到国内外专家的推荐,用来取代目前无间隙氧化锌避雷器,保护绝缘较薄弱的电动机的操作过电压。
但根据几年来运行观察,发现有些613kV电动机用组合避雷器的稳定性不好,在6.3kV中性点绝缘运行系统中,在幅值为2.5～3.0p.u.(8.67～10.4kV)持续时间可长达数小时的铁磁谐振过电压的作用下,仍引起数次爆炸事故。据分析,这是因为电动机的绝缘水平低,为保证保护裕度,制造厂有意降低组合避雷器的工频放电电压引起的。但对于电力变压器等电气设备,由于绝缘水平相对较高,保护裕度较大,可以提高避雷器的工频放电电压,从而提高稳定性,不至于出现过热引发的爆炸事故。
摘要：本文针对城市10kV配电所广泛采用真空断路器操作10，0．4kV电力变压器的情况，简述真空断路器开断空载变压器产生过电压的机理；并对三种常用浪涌吸收器(RC过电压吸收器、无间隙氧化锌避雷器、有间隙氧化锌组合避雷器)的保护原理及其优缺点进行分析，并提出指导性的意见。
关键词：配电所,真空断路器,过电压保护
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