串联间隙过电压保护器工频放电电压的选择讨论

串联间隙过电压保护器工频放电电压的选择讨论
过电压保护器(以下简称保护器),又称组合式避雷器,是中压系统(6~35kV)限制雷电过电压、真空断路器操作过电压以及电力系统中可能出现的其它一些暂态过电压的典型产品。

其大多数采用串联间隙配置和四星型接法,与常规金属氧化物避雷器相比,具有较高的耐受系统持续电压升高的能力,可在系统发生接地故障时保证自身安全;具有较低的雷电冲击放电电压和残压水平,可以为绝缘水平比较弱的设备提供良好的保护;具有较强的相间保护功能。

其基本的电气结构如下图:
其中接地极的放电间隙可以省略
保护器通常贴近开关安装于成套柜中,也可以作为独立元件直接户外安装。

其核心元件依然是金属氧化物阀片(一般简称氧化锌片),根据金属氧化物阀片的自身特点,以及国外同类产品的相关标准,采用该元件为核心工作元件的产品,电压参数中控制下限为起始工作电压,控制上限为最大工作电流下残压。

以普通10kV配电型无间隙金属氧化物避雷器YH5WS-17/50为例,来简单说明一下这类产品的使用原则。

YH5WS-17/50控制下限为工频阻性1mA参考电压不小于17kV,控制上限为8/20波型标称电流下残压峰值不大于50kV,此即为17/50的来历。

金属氧化物阀片是典型的压敏电阻,该产品本身就是过电压保护设备。

其有自身安全性和对被保护设备安全性两重的考虑。

控制残压上限,是确保对被保护设备提供达到电网绝缘配合的过电压保护;控制起始工作电压的下限,是确保对自身提供长期安全使用的保证。

如果残压偏高,对被保护设备不利,要求残压尽量低;如果起始工作电压偏低,对金属氧化物阀片自身不利,要求起始工作电压尽量高。

那么50kV的残压高出系统相电压数倍,是否可以起到保护作用呢?回答是肯定的。

这个问题可以分成两部分来讨论。

一方面,感应雷和操作雷对电力系统设备产生的瞬间冲击,其可能出现的电压幅值是不能完全确定的,与每次的能量大小有关。

但是根据概率统计的原理,其分布符合正态函数规律,即
插公式1
式中R为绝缘故障率
该式的图示如下:
插曲线图1
采用统计法对雷击电压幅值进行测算,安全裕度是一个同绝缘故障率相联系的变数。

国际电工委员会(IEC)推荐的保护上限为2%概率点,也就是说,要做到98%的情况下可以保护,余下的2%属于小概率事件,不予考虑,否则为这2%将消耗巨大的人力物力,不符合经济投资的要求。

另一方面,避雷器是电力系统所有电力设备绝缘配合的基础元件,其它电力设备基本上都是依据避雷器的典型保护水平来确定耐压能力指标的。

针对作用于绝缘的典型过电压种类和绝缘裕度方面的差异,一般进行绝缘配合时,按系统最高电压Um值划分为两个范围:
范围1:3kV~220kV
范围2:330kV及以上
这里只讨论范围1的情况,范围2属于超高压范畴,和本文所涉及的产品无关系。

在范围1系统中,运行的电气设备,除了型式试验要进行雷电冲击试验外,一般出厂和验收只做短时工频耐受电压测试。

这是因为雷电冲击电压对绝缘的作用,可以用工频电压等效。

短时(一般为1min)工频耐压与雷电冲击耐压的等效算法是:
插公式2
公式中:K I为雷电和操作电压的冲击配合系数,受避雷器与设备距离、设备绝缘老化和变压器工频励磁等因数影响。

根据行业规范,当避雷器与被保护设备很近时,K I取1.2;当避雷器与被保护设备较远时,KI取1.4。

由此可以推导出,
额定雷电冲击耐压BIL=K I U PI
U PI为标称雷电流下避雷器残压
还以上面的10kV为例,依据该公式可以算出,常规电力设备的雷电耐压高达75~95kV,与GB311.1的要求一致。

把残压限制在50kV,对设备的保护作用就是明显的,除非该设备本身不能达到国标的相关耐压要求。

但是在有些电气元件密集的特殊环境(比如成套柜中),以及对特殊的弱绝缘被保护设备(比如旋转电机),常规的残压限制不能满足,所以需要给氧化锌阀片串联间隙分压,以进一步降低残压。

例如10.5kV旋转电机,其标称的工频耐压为2Ue+3,按上面的公式2换算成冲击耐受,约为34kV。

同电压等级电机型避雷器残压为31kV,虽然低于34,但是达不到20%绝缘裕度的要求,所以用无间隙避雷器保护电机是比较困难的。

而串联间隙后,将残压降到20%的保护裕度,就是很容易的了。

无间隙避雷器的出厂测试,一般不采用工频参考电压测试而采用直流,原因是:小电流条件下阀片电压的容性分量比较大,测试阻性值不容易准确,不能作为可
靠的判断避雷器是否劣化的标志。

所以说直流1mA仅仅是一个测试用的参数,和实际工作情况完全不同。

以YH5WZ-17/45为例,国标规定的直流1mA下限为24kV,但一般生产厂家都尽量控制得高一些,达到26~27kV,这样产品本身的使用稳定性会高很多。

当然,由于有控制最大残压的要求,这个参数也不可能无限制的提高上去。

下面有间隙保护器的电压参数控制问题。

保护器是有串联间隙产品,其起始工作电压反映为间隙击穿电压,而不再是1mA参考电压。

采用的不是GB11032的无间隙标准,而是JB/T-9672的串联间隙标准。

该标准与GB7327有间隙阀式避雷器的标准对同电压等级和同使用场所的产品,其间隙工频放电电压下限的规定是一致的。

例如6kV的产品,电机型为15kV,电站型为16kV。

关于标准中为什么定为15和16,是按照不小于间隙灭弧电压的2倍来导出的。

放电间隙击穿后,间隙中介质强度的恢复需要时间,所以允许最大的恢复电压(即:灭弧电压)比工频放电电压要低。

一般用切断比K来表示。

插公式3
磁吹阀式避雷器用的磁吹间隙性能最好,K值在1.5以下,过电压保护器用的
自吹间隙,其切断比约为1.6~1.8。

为了自身的安全性,有间隙产品的额定电压,是
按照灭弧电压来制订的,而不是击穿电压,同时还需要考虑一定的安全裕度。

所以一般按工频放电电压为避雷器额定电压的2倍左右来执行。

以6kV产品为例,额定电压为7.6kV,那么间隙的工频放电值应该控制在额定电压的2倍左右,即15~16kV。

若工频放电电压的取值过低,有可能出现间隙击穿工作后不能安全灭弧,导致氧化锌阀片吸收过多的续流能量,降低使用寿命甚至炸裂。

有间隙产品的电压上限控制,同样为最大工作电流下残压峰值。

由于有间隙存在,有间隙产品的残压比无间隙产品要低,因此保护性能要高一些。

在很多需要继续加强保护的场所,国家检测中心也推荐使用有间隙产品替代无间隙产品。

下面谈一下有间隙产品的例行试验的问题。

有间隙产品的出厂和验收测试,规定采用工频放电电压测试。

不过这个测试仅仅是一个为了方便用户的试验参数,与实际工作情况完全不同,实际的工况根本不是工频过电压,而是高幅值的瞬间脉冲。

间隙的实际工作性能的测试,应该对应采用1.2/50冲击放电电压来模拟实际工作情况。

但是由于冲击电压发生器很多用户没有,所以标准推荐采用工频测试来代替冲击测试。

这种情况有些类似于无间隙避雷器采用直流1mA测试代替工频阻性1mA测试一样。

所以工频放电电压的测试,其目的不是表征该产品的性能有多好,而是为了用一个可以测试比较的数据来方便用户验收产品和定期检测,用以判断产品的性能有无出现退化,用以判断是否应该更换。

如果认为工频放电电压偏低就是保护性能好,是没有根据的。

事实上工频放电电压偏低,不一定保护性能就好,倒是可以肯定的是,这样的产品使用寿命和自身安全性是不太理想的。

还以6kV为例,工频放电电压偏低的产品,其额定电压(也就是间隙灭弧电压)根本不是标注的7.6kV,而是同样偏低一些。

在系统出现较高持续电压波动或者谐振严重时,有可能会误工作。

用工频可以代替冲击测试,同样是依据的等效性原理。

间隙击穿的电压高低,是受冲击电压波形影响的。

以1.2/50冲击放电电压峰值来考核产品的实际工作电压,是比较合理的办法,接近实际的工作情况。

冲击放电电压和工频放电电压不是单纯的峰值/有效值的关系,受波形影响,还存在一个冲击系数(也称冲击因数),一般用β表示。

插公式3
所以对于带串联间隙的产品,合理的要求应该是:工频放电电压要足够高,以延长使用寿命,防止误工作,冲击放电电压要尽量低,保证良好的保护特性。

也就是说,应该设法降低冲击系数(这里仅讨论前述电压范围1的情况,在超高压下情况有不同)。

用工频测试等效冲击,前提是生产企业必须给出其产品的冲击系数,比如是1.0,或者1.2等,这样用户才可以去等效计算,知道其产品真正的工作特性。

目前的高性能间隙,对控制冲击系数可采用了均压法和照射预放电电极结构,这样做可以把1.2/50冲击放电的冲击系数,控制在0.75左右,远远低于1。

我公司
产品就是这样做的,可以在我公司产品说明书中查找到对应的冲击系数。

在工频放电电压完全相同的情况下,我们的产品实际工作过电压下的间隙放电电压,仅是冲击系数为1的产品的0.75 倍。

这样我们就可以把工频放电电压抬高一些,进一步提高产品自身的安全性,同时一点不降低工作性能。

还以6kV为例,如果有一个厂家冲击系数为1的产品,工频放电电压为14左右,而我们的是18左右,那么在实际工作波形下,其工作电压峰值分别是19.8和19.1,我们的还要好一些。

对应在产品自身安全性上,我们的产品也会提高很多,这就做到了既保护了自己,又保护了别人。