过电压保护装置使用指南

过电压保护装置使用指南

前言

真空断路器、真空负荷开关、真空接触器、真空分断器和真空重合器（以下简称真空开关设备）因具有体积小、重量轻、高性能、高可靠性、维护检查方便、适合频繁操作等优点，因此迅速地占领了市场，在各个领域都得到了广泛的应用。

但是真空开关设备由于其灭弧能力特别强，因此在开断电动机、变压器、电炉变压器、电抗器和电容器等负载时容易引起截流、多次重燃和三相同步开断操作过电压。 

随着稳定安全供电重要性的增强，对提高系统可靠性要求愈加严格。而操作过电压危害极大，在很大程度上影响着系统的稳定性和可靠性，因此了解操作过电压的产生、性质和特点，对正确选用过电压保护装置是十分重要的。

本文对操作过电压的产生、性质及特点以及如何正确选用过电压保护装置进行粗浅的分析，供设计和用户选型时参考，同时也热忱欢迎提出宝贵意见。

一、操作过电压的产生、性质和特点：

操作过电压是指真空开关设备在分、合闸时产生的高幅值、高频率的瞬间振荡电压。这个电压对运行着的各种电器设备危害极大，因此必须合理选用适当的过电压保护装置以降低乃至消除这个过电压。

众所周知，真空灭弧室中的电弧是由从触头蒸发出的中性金属蒸汽中的原子、离子和电子组成，它们由触头提供后，迅速地扩散到灭弧室中，冷却后附着在电弧屏蔽罩和触头的表面上。在电流自然零点附近及电流过零后，这些粒子的快速运动使得真空开关设备具有极高的绝缘恢复能力，但是随之也产生了极陡的截流现象和极高的高频灭弧能力。这是产生过电压的极其重要因素。此外，因这些粒子的产生源为触头，所以上述的各种特性还会很大程度上受触头材料特性的影响。

1、1截流过电压

真空灭弧室中的电弧的构成如前所述，在开断小电流（如空载变压器）时，在电流过零前后，这些粒子的供给量不足以补充扩散量，这时电弧变得极难维持，使电流变得极不稳定，在某一电流值（不同触头材料特性决定的电流值）以下时，在电流自然过零点之前电流就被开断，这就是截流现象。

在忽略电动机、变压器等电器设备的损耗时，开关设备K中流过电感L的电流I在I0处被截断，因电感L中的电流不能突变，所以积蓄在L中的的电磁能向电容器C充电，在C的端子上产生了所谓的截流过电压。负荷侧的等效回路如下图：                          

                                L-负荷的等效电感

                              c-负荷侧的等效电容

                                e-截流时电源的电压

截流时L中的磁能WL=1/2LI0²和C中的电能WC=1/2CU²互相转换，因此WL=WC，即1/2LI0²=1/2CU²，U=√L/C·I0，这就是截流过电压。为方便起见，这里把 √L/C称为截流过电压特性阻抗。                                             

在不考虑L-C之间能量转换时的损耗时，暂态恢复电压的最大

值Umax=√（Z·I0）²+（√2E）²式中E为电源电压的有效值；当考虑L-C之间能量转换时的损耗时，则为U=√（K·Z·I0）²+（√2E）² 式中K为损耗系数，K<1，不同的电器设备其K值亦不相同。

从以上分析可以得知，过电压是由回路的参数L和C及截流值I0 决定的。

截流过电压有以下特点：

1)、截流过电压与截流值I0有关，I0愈大，过电压愈高。I0与触头材料有关，目前国内真空灭弧室均采用铜-铬触头，其I0值一般为3-5A。

2)、系统中多为感性负载，因此L较大，而C较小，故√L/C值较大，因此截流过电压的幅值很高。同样其振荡频率f=1/2π√LC也很高，可达数KHZ到数十KHZ。

3)、截流过电压大多数情况下，只发生在开断小电流的回路中，因此在开断空载变压器时最为危险。

4)、在开断电抗器、电容器及长电缆时，很难发生高的截流过电压。但在开断这些负载却极易产生高幅值、高频率的重燃过电压，这一点应引起人们的极大注意。

总之，截流过电压是一个高幅值、高频率、极陡的电压，同时也是产生多次重燃和三相同步开断过电压的基础。要想降低这个过电压，从f=1/2π√LC和U=√L/C·I0式可知，可以加大回路中的电容，例如接入阻容过电压吸收器。

2、2多次重燃过电压

    在真空开关设备开断的过程中，当动触头运动到某一距离时，动、静触头极间的绝缘恢复强度低于暂态恢复电压时，就会发生重燃，极间流有对应于开关设备附近回路常数的高频燃弧电流。开断这个电流时产生的电压就是重燃过电压。此后如果极间仍不能耐受暂态恢复电压时，燃弧和开断就会反复进行，就会发生电压逐步级升，就会产生多次重燃过电压。多次重燃过程中同时也伴随着回路中L和C中的能量互相转换，使暂态恢复电压振荡频率极高（达数十KHZ以上)，同时也使暂态过电压急剧升高。多次重燃并不是无休止的继续，当极间的绝缘恢复强度超过暂态恢复电压时终止，或当燃弧电流不通过零点时，就一直持续到下一个电流零点熄弧。

    多次重燃过电压的特点是：

1）多次重燃过电压是一个频率更高、陡度更大和幅值更高、危险性更大的过电压。

2）多次重燃过电压多发生在开断不易持续燃弧的小电流回路里，

如：小容量鼠笼型电动机的启动电流开断；电炉及电动机自耦变压器降压启动的中性点开关的开断；在变压器的一次侧开断二次侧的短路电流时；开断电抗器回路；特别是开断（切)电容器组时发生多次重燃时，都会发生异常高的过电压。当开断（切)电容器组时，重燃发生一次，电容器端子上就会产生3倍的过电压，一但持续发生，就会成5倍、7倍的增加。这就可能使电容器的绝缘击穿，同时也会给电容器回路中的变压器和互感器等设备带来危险，故电容器回路应力求在无重燃的条件下开断。

2、3三相同步开断过电压

在前面所叙述的截流过电压和多次重燃过电压现象就有三相同

步开断过电压现象。开关在开断时不可能三相完全同时开断，（我国12kv断路器规定不同期性≤2ms ），总有一相首先开断（称之谓首开相），此时未被开断余下的两相的相电流就变成为三相负荷电流√3/2值的单相电流，在电角度90º后迎来电流自然过零点，此时一旦发生三相同步开断，后开断的俩相电流√3/2值电流被截断了，并产生高的截流过电压。

如果此时的负荷为容性负荷（如空载长线、长电缆和电容器组

等），开断这个负荷极易产生重燃过电压。

在开断电容负荷时，因电容负荷的残存电压施加在开关的极间，

当极间不能耐受这残余电压时，就会发生重燃而产生重燃过电压。

开关在开断时，如a相首先开断，比它晚90º，b c相被开断。

此时a相的开关极间出现的过电压为3.5pu，该电压通过中性点，在b、c相分别产生4.13 pu和5.87 pu的理论最大值过电压。这种在容性负荷回路中发生重燃时过电压非常的高。因此在这种情况下应选用重燃概率低的开关产品，如C2级断路器。

   三相同步开断过电压的特点是：

1）三相同步开断过电压也是由截流过电压和多次重燃过电压造成的。

2）三相同步开断过电压如按a相—b相—c相的开断顺序时，其

过电压是c相﹥b相﹥a相，也就是说最大过电压发生在后开断的二相，而且最后开断的相过电压最大。

  3）三相同步开断过电压可以发生在开断任何负荷时，但以开断

容性负荷为最大。

4、感应过电压

    当真空开关设备操作时，其产生的操作过电压有时会引起低压侧二次回路的感应故障，特别是近年来，装有半导体等电子元件的控制设备更多地使用在电力设备中，感应过电压会造成误动作及元件的损坏。

感应过电压进入二次回路的主要途径有：由变压器等静电、感应电压共同造成；高压电力电缆在低压、控制元件用电缆中的感应电压；由GIS高压开关的高压主回路和低压充气罐壁的静电感应电压引发的感应电压造成的等等。

无论任何场合，感应过电压都是由主回路的开关设备在操作时产生的高频操作过电压造成的。故应采取适当的措施，选择合适的过电压保护装置。

5、真空开关设备的合闸过电压

    合闸过电压，是指开关设备在合闸时产生的异常电压，主要是由开关合闸不同步，以及在合闸过程中发生予击穿期间产生的异常现象等造成的。一般情况下，合闸过电压因为其峰值小于正常运行的电器设备对地电压2.5倍，就不需要特别的过电压保护。

但值得注意的是，在容性负荷的情况下，发生予击穿电流切断时的高频合闸电流，会重复发生开断—重燃—再重燃，这与多次重燃过电压的现象相同。

综上所述，真空开关设备在操作时产生的操作过电压对运行着的电器设备危害极大，可以造成电动机、变压器、电炉变压器、电抗器和电容器的绝缘击穿、回路设备故障、开关柜相间和真空灭弧室外部沿面闪络等事故。因此必须选用适当的过电压保护装置来降低这个过电压，以达到系统可靠安全的运行。

二、操作过电压保护装置使用指南

2、1不同负荷设备过电压保护分析

  表中所示为不同的负荷设备和过电压保护装置的典型配合

保护装置 

△:有效果,但通常不用

  ×:无效果

   以下分别介绍各种保护装置的特点和不同负荷设备的过电压保护:

A)、阻容过电压吸收器：

将电容器（应该用保护型电容器）和电阻串联连接后，再接到负荷侧与地之间，它可有效地抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，无论对哪种负荷设备都非常有效。不同使用回路都有一个最佳参数，电动机和变压器等最佳参数为：电容值为0.1μF，电阻值为100Ω。电容器的最佳值因使用回路不同而有很大差别，必须根据具体的系统和回路选择合适的参数。

操作过电压是一个缓波前过电压，其波头时间为20～5000μs，而阻容过电压吸收器起作用的时间（响应时间）仅为0.1μF×100Ω=10μs，也就是说过电压第一个峰值刚上升时（此时幅值较低）它就开始发挥其应有的作用。其结果是使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低，再加上电阻的阻尼作用，使振荡迅速衰减。

截流过电压是发生多次重燃过电压和三相同步开断过电压的基础，如果能有效地和降低截流过电压，将使重燃和三相同步开断过电压明显减少，甚至不发生。

在前面截流过电压中已经叙及阻容过电压吸收器的作用，这里不在重复。另外，阻容过电压吸收器回路在发生过电压时，由于XC急剧变小，而负荷中的XL急剧变大，使得阻容过电压吸收器变成一个非常好的吸收过电压回路。

做为抛砖引玉，顺便研讨一下阻容过电压吸收器能否保护大气（雷电）过电压问题。

迄今为止，保护大气过电压，通常都使用避雷器，那么阻容过电压吸收器是否能保护大气过电压？GB3983-83标准指出“具有接地中性点的并联电容器的相电容通常能够充分地降低雷电或操作冲击电压。即使该冲击波起源于相当靠近电容器处 ”。这就说明阻容过电压吸收器也同样能保护大气过电压。

众所周知，大气过电压和操作过电压本质上没有什么差别。在GB311.1-1997的标准中，把前者称为“快波前过电压”，而把后者称为“缓波前过电压”。两者差别仅在“快”和“缓”上，而没有本质上的不同，因此阻容过电压吸收器完全能保护大气过电压。

阻容过电压吸收器是接在开关的负荷侧与地之间，正常情况下（三相完全对称），中性点电位为零，对地没有电容电流，当中性点发生漂移时，特别是发生单相接地短路时，对地会有一定的电容电流。

对于中性点不接地系统，我国规定可以带故障运行2小时，对发电厂厂用电系统的规定是“单相接地电流在10A及以上时，厂用电动机回路的单相接地保护当瞬时动作于跳闸”。不装阻容过电压吸收器时，厂用电接地电容电流一般不太大，但加装了阻容过电压吸收器后会增加一些接地电容电流。

单相接地短路后，中性点的电位由零上升到相电位，健全相上的电压由相电压上升到线电压，忽略电阻时，此时的单相接地短路电流IC=√3UNωc。

对于中性点直接接地或经电阻接地的系统，单相接地短路会被立即切除，此时的单相接地短路电容电流对系统无影响，可不必考虑。

B）避雷器：

利用氧化锌阀片的非线性电阻特性，通过放电动作后的残压来过电压的幅值，它只能起到限幅的作用，不能降低过电压的频率和陡度。因此从性能和作用上看，远不如阻容过电压吸收器。此外，尚有如下不足和缺陷：残压高、（残）压比差、荷电率低、通流能力差、易损坏。对上述不足，分别叙述如下：

1）无间隙氧化锌避雷器

由于避雷器动作时承受过重的负载及保护特性（残压）偏高，难以同电动机绝缘相配合，因此，这种避雷器不能做为电动机的过电压保护装置。实践中电动机时有损坏的直接原因也在于此。国标GB11032-2000中规定：电动机额定电压为6.3kv的避雷器参数是：额定电压UR=8kv，持续运行电压UC=6.3kv，在100A操作冲击电流下的残压为15 kv，当考虑的避雷器的（残）压比U100A/U1mA=1.4时，其残压为15×1.4=21 kv，而6.3kv的电动机耐受电压只有√2（2U+1）×0.75×1.15=16.5kv，低于避雷器的残压。显然这种避雷器不能保护电动机。

另外，在中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中，发生单相接

地短路时，健全相上的电压升至线电压，并允许运行2小时，这将使这种避雷器承受过重的负载严重过热而烧毁。这就是这种避雷器因通流能力过低而损坏的直接原因。

2）带串联间隙的氧化锌避雷器

这种避雷器是因为其阀片制造水平低，在持续运行状态下阀片的可靠性受到影响时，迫不得已才加串联间隙来防止高压直接施加在阀片上，而对加串联间隙带来的各种弊端和缺陷也就只好任其存在。按理当阀片制造水平提高，耐老化性、热稳定性提高后，能在持续运行电压下可靠工作时，间隙就应取掉。但实际情况确大大相反，市场上到处可见这种产品，实令人不可思议。而且被一些生产厂家倾其所能，大肆吹捧，其宣传力度之大，范围之广，实令人叹为观止，大有非我莫属之势，也确实迷惑了一批人，但究其实质，实有顾此失彼，画蛇添足之嫌。

首先观察一下这个串联间隙，有了间隙，就有间隙放电电压问题，同时也就有了如何确定这个间隙放电压的问题。稍有高压知识的人都知道，间隙无论做成何种形状，其放电电压的分散性都很大，在同一地点和同一大气条件下，每一次的放电电压都不尽相同，再加上我国地域辽阔，气象条件差别很大，生产厂家所确定的放电电压，到用户使用的地方就会变得差别很大。生产厂家给出的工频放电电压数据已失去了其应有的意义。此外，间隙不论是何种材料做成的，当间隙放电时，是靠电弧把两个电极连接在一起的，电弧的温度非常高，而且熄弧又特别困难，往往使电极有部分或局部熔化，甚至烧毁电极，此外，间隙会使避雷器的伏秒特性变差，冲击系数大。除了间隙本身存在的问题外，这种避雷器仍然存在残压高（不能保护电动机）、通流能力低、易损坏等缺陷。庆幸的是，现在大多数人已经认识到了这种避雷器存在的各种弊端。因此，2003年新能电力公司下文，要求在全局范围内不许使用“三叉戟”式避雷器。

3）带并联间隙的氧化锌避雷器

带并联间隙的目的是为了降低避雷器的残压，以使其残压和电动机的绝缘相配合，从表面上看这个目的是达到了，但实质上，由于间隙的问题依然存在，而且由于间隙放电后短接部分阀片，使原有的阀片减少，结果使其通流能力进一步降低，损坏率增加，可靠性降低。值得一提的是，目前有些避雷器的生产厂家，为了降低避雷器的残压，用减少阀片数量的办法来达到目的，其结果是增加了故障率，降低了可靠性。如采用加大阀片体积的办法，将大大增加避雷器的体积和成本。

此外，无论何种避雷器用在保护电容器（组）的场合，因电容

器是一个贮能元件，往往有残存的电荷存在，而且避雷器由于荷电率和通流能力低等缺陷，因此，在这种场合下，必须注意避雷器的放电耐受能力。

在避雷器和阻容过电压吸收器同时并联使用的的场合下，现场

试验表明：避雷器根本不动作，也就是说，它根本没起作用。而且在避雷器单独使用的时候，过电压的幅值较高。接入阻容过电压吸收器后，过电压的幅值降得很低。因此，在已装有避雷器的情况下，应加装阻容过电压吸收器。关于这一点，请参阅《广东电力》2003年第四期刊登的“真空断路器投切并联电抗器试验研究”一文。

综上所述，用避雷器保护操作过电压，无论保护何种负荷设备，

其性能和效果都不如阻容过电压吸收器好。

2．2阻容过电压吸收器的过去和现在

阻容过电压吸收器在保护操作过电压时其性能和效果优于避雷器已是不争的事实，而且越来越被人们所承认和认可。

但是，过去各厂家生产的该产品故障率很高，致使许多设计部门和成套厂都不愿意和不敢使用，这究竟是什么原因呢？

其一，过去阻容过电压吸收器所用的电容器均不是“保护电容器”。有的用多个甚至上百个低压电容器串联后当作高压电容器用，有的把氧化锌电阻阀片和电容器并联，有的带串联间隙，真是五花八门，不一而足，但无论用什么办法，其电容器极间的工频耐受电压只有额定电压的2.15倍，而且耐压时间只有10S。这远远达不到国标GB311.1-1997的要求。例如10KV的电容器，其极间工频耐受电压只有21.5KV/10S，和GB311.1-1997标准要求的42KV/1min相差太远。而且阻容过电压吸收器是装在高压开关柜内，其绝缘水平和开关柜内所有电气元件的绝缘水平不相配合，因此这些产品在使用说明书中写到：“因为试验标准不同，作耐压试验时，阻容吸收器要单独进行。绝不能和开关柜以及其它设备一起试验。”违背了“GB311.1-1997高压输变电设备的绝缘配合”的原则。同时也和其被保护的设备（变压器和电抗器的绝缘水平35KV/1min，这里仅以10kv产品为例，其他电压等级的产品同样如此）不相配合，也就是说，这类阻容吸收器根本不能保护别的设备，（前述的带串联间隙和阀片、并联阀片等办法，只是为了保护自己）因为它自己的耐受电压最低，因此，在有操作过电压时，肯定首先损坏的是阻容吸收器。

应该指出，过去国内没有适合做阻容过电压吸收器的电容器，电容器标准GB/T2900.16-1996给出这种电容器的名称是“保护电容器”其定义为“接于电力线路与地之间用以吸收冲击过电压的电容器”。但仅仅只给出了名称和定义而没有制定出相应的标准，因此，也没有厂家去生产这种电容器。

目前阻容过电压吸收器尚无国家标准和明确的归口单位，可以说是处于无状态，其结果是生产厂家各行其是，有很多厂家生产的产品都没有做过型式试验，甚至连出厂试验都不做就推向了市场，使整个市场鱼龙混杂，难以分辨，劣质产品充斥市场，这是造成阻容过电压吸收器故障率高的主要原因之一。

当前我们国家经济正处于持续高速发展中，各种各样的用电设备不断投入运行，特别是整流设备的使用日渐增多，使得电网产生非常多的高次谐波，这些高次谐波不仅影响在电网中运行的各种设备，也严重影响了阻容过电压吸收器。众所周知，随着谐波频率的增高，阻容过电压吸收器回路的容抗XC=1/ωc成倍下降，使阻容过电压吸收器回路的电流大大增加，这种附加损耗使得电容器和电阻器过热，如果此时电容器的tanδ超过标准或电阻器设计不当（电阻丝截面偏小时），就可能烧毁电容器和电阻器。另外，由于高次谐波的作用，如果某一阶次的高次谐波恰好和阻容过电压吸收器回路发生谐振时，很大可能是烧毁阻容过电压吸收器（此时可以改变回路中L和C参数，破坏这个谐振），这是阻容过电压吸收器故障率高的原因之二。

我公司研制和生产了一种新型的阻容过电压吸收器ZR20系列的产品。该产品采用的是符合“保护电容器”标准和要求的干式高压电容器，其绝缘水平完全达到了GB311.1-1997标准要求,适合海拔3000米以下的任何场合使用.该产品电性能稳定可靠,并配置热容量大、散热性能良好的无感电阻器，其优良的性能和极高的可靠性在同类产品中可谓出类拔萃，是用户使用的首选和放心的产品。我公司的宗旨是质量第一、用户至上、服务周到，欢迎广大用户使用我公司的产品。

西安高压电器研究所

                             温州虹电气成套有限公司

刘作栋