有载分接开关级间过电压的保护装置

摘要： 介绍分接开关级间过电压产生机理及火花间隙、ZnO压敏电阻保护装置的工作原理、过电压保护特性和应用前景。

关键词：分接开关、级间、过电压、保护

一. 级间过电压概况

在有载分接开关(以下简称分接开关)中，绝缘问题亦为主要问题之一。由于分接开关与变压器绕组相连接，因而分接开关绝缘水平取决于变压器的设备的最高电压、调节范围、调压部位、调压方式、绕组联结法和绕组结构布置方式等。

众所周知，每台有载调压变压器都要按现行国家标准进行工频耐压试验、感应电压试验、全波及截波冲击电压试验，必要时还进行操作波冲击耐压试验和局部放电测量。不同试验项目和试验方式使得分接开关绝缘间距上呈现非常不同份量的电压负荷。此外，运行中的有载调压变压器还要承受长期工作电压和过电压，从而导致在分接开关上也同样承受上述的不同电压负荷的考核。

对于切换开关和分接选择器组合的电阻式分接开关的绝缘系统，正常运行的分接开关绝缘距离a。(级间)上只承受一个级电压负荷。在感应电压试验时可能出现达2．5倍的级电压负荷。这类负荷与分接位置无关，而且易受结构控制，其最大值Usmax = 5kV。它的相应冲击电压强度还是比较低的，只近似地高出一个等级而已。

 图1所示为分接选择器带有转换选择器时绕组的原理布置和切换开关上产生的电压梯度。当分接选择器带极性选择器时，在两个可能的中间位置 (转换选择器位于K、+，工作分接在K，预选分接在n，或者转换选择器位于K、－，工作分接在K，预选分接在1) 上产生的最大电压梯度几乎一样。在这两个位置上分接绕组的振荡电位都出现在绝缘间距aO上。当分接选择器带有粗级选择器时，两个中间位置 (转换选择器位于O、－，工作分接在K，预选分接在1，或者转换选择器位于O、＋，工作分接在l，预选分接在K)时在绝缘间距a。上出现的电压梯度可能不相同，但通常是相同数量级。当位于前一个中间位置时，绝缘间距aO上的梯度反映的是细调分接绕组产生的振荡电位；而在后一个中间位置时，绝缘间距aO上的梯度反映的则是粗调分接绕组产生的振荡电位。

 在不同设计的多台变压器上测得的电压梯度清楚地表明．特别是在粗细调绕组布置时，        图1  绝缘间距aO上的电压梯度

切换开关单数边和双数边之间必定会出现很高

的冲击电压梯度，这点必须予以特别注意。但在这个绝缘间距上产生的工频电压梯度，分接选择器为一个中间位置时，梯度只有一级电压；分接选择器为三个中间位置时，梯度等于零。

图1所示的测量结果表明，在带粗级选择器的情况下，全波雷电冲击试验时出现在间距a。上的梯度高达输入冲击水平的25％；截波雷电冲击试验时则升到输入冲击水平的40％。从一台Um = 245kV和绝缘水平950kV的变压器得知，间距aO上的梯度分别为248kV及380kV。在特定的环境下，欲在切换开关和过渡电阻间采用较大的绝缘间隙来承受这个电压负荷是不经济的，较大的分接开关将影响整台变压器的尺寸。因此，切换开关中的这个绝缘间距a。不能按这个等级的梯度来设计。通常雷电冲击耐受电压在120～160kV范围内是能做到的。因此，必须采取措施保证分接开关的安全和正常运行。

二. 级间过电压保护措施

为了对其控制，必须在级间a。上采取过电压保护措施。图2所示为切换开关内部绝缘间距a。过电压保护的两种可能的原理图。用火花间隙和非线性电阻器能作用于绝缘a。上的电压。它们是安装在切换开关中并与过渡电阻器相串联。 (a)                 (b)

1.  火花间隙保护装置 图2.  绝缘间距aO上过电压保护装置

    最简单的级间过电压保护装置如图2 (a) 所示，即       (a) 火花间隙保护，(b)非线性电阻保护

在工作分接与预选分接间置一火花间隙。它的放电特性

是这样的，确实保护与火花间隙并联的分接开关级间绝缘不发生闪络。在稳定状态下，呈现在火花间隙上是一个级电压。当过电压袭来时，火花间隙先击穿，于是级间绝缘得到可靠保护。

    火花间隙的放电特性在一个相当大的范围内变化，它受到各种因素的影响，例如冲击电压形式、切换开关油介质状况和火花间隙表面烧损的影响。火花间隙的冲击电压响应水平，通常选在90kV  (0％)和130kV(100％)的范围之内。当火花间隙点火时，就有由级电压引起的后续电流流过。此时过渡电阻被用作为续流的限流电阻；同时在火花间隙击穿后，它还起着阻尼电阻的作用，防止振荡的产生。当过电压衰减后，火花间隙必须具有熄灭两倍续流的电弧。该电弧在续流第一次过零时熄灭，并且其续流值是在100～300A的范围内。

火花间隙的结构形式见图3所示。因火花间隙点火时会烧损弧角，引起放电特性的变化，见图4和图5所示。因此，火花间隙应该使用在过电压保护系统只是偶尔或很少点火的场合。当变压器进行冲击试验时，如果分接开关位于临界的中间位置，则应该预计到，一旦出现的冲击梯 图3  火花间隙的结构形式

度超过响应水平，火花间隙即有可能点火。

图4  火花间隙工频电压试验放电特性                  图5  火花间隙冲击电压试验放电特性

2．非线性电阻保护装置

非线性电阻器作为切换开关的过电压保护系统．适用于预计会频繁地发生过电压梯度的场合。由于非线性电阻器与过渡电阻器相串联的，所以它也会长期地承受着级电压。不过，由级电压在该电阻器上产生的电损耗可以忽略不计。因为非线性电阻器的保护水平是按级电压的工作工频电压的15～20倍设计的。当过电压袭来时，非线性电阻迅速参与过电压过程，击穿后表现出很大的电导率，使非线性电阻上出现的残压不致于过高。一旦过电压衰减后，加在非线性电阻只有一个工频级电压时，非线性电阻器的电导率突然下降而将工频续流到很小数值。这里非线性电阻和阀门一样起着自动节流的作用，从而阻止在极陡的过电压负荷下电压超荷。

非线性电阻器在过电压上没有延滞并可连续动作，能防止发生高于按非线性电阻器特性选定的保护水平的电压过冲。而火花间隙响应延时，所以不能避免电压过冲。因此，它比火花间隙保护特性具有更大优越性。

早期阶段，非线性电阻器是用碳化硅(SiC)元件。目前引用了大功率的氧化锌(ZnO)压敏电阻之后，直到现在应用的主要还是这些元件。图6为氧化锌压敏电阻、碳化硅元件和线性电阻器三者的电流一电压特性曲线。为了便于更好地比较，各种电阻器的曲线都以工作点7500V／100A(75Ω)定尺，使三条曲线都汇结于此点。在图6上，ZnO以其独特的非线性特性而显示出明显的优越性。

    非线性电阻器是由分接开关制造厂           图6  线性和非线性电阻器伏安特性曲线

逐个地按使用中承受的各种强度(级电压、全波和截波的雷电冲击水平)来确定尺寸的。分接开关装备非线性电阻器已有成功经验。但在切换开关常规试验中，非线性电阻器仍然需要逐个检查。    

在采用ZnO压敏电阻的级间过电压保护的有载分接开关中，其ZnO阀片技术参数要求如下：

●   标称电压U1mA：在1mA直流下, 6 kV±10％；

●  泄漏电流：0.75 U1mA直流电压下不大于50μA；

●   允许工作电压：≤2kV  50Hz； 

●   在2.5kA电流冲击下的电压降：波形8／20μs，≤12kV，典型值10kV。

 为了确保流过ZnO压敏电阻的冲击电流和工频续流不超过通流容量，借助过渡电阻和整个ZnO压敏电阻装置自身内阻及接入一个线性碳电阻作为限流电阻。通过线性碳电阻来调整，从而保证整个ZnO压敏电阻装置在过电压保护时负载不超过下述的规定值：

●   冲击电流峰值：1.2／50μs (全波冲击) ≤1 800A ，1／5μs (截波冲击) ≤2 000A ；

●   残余电压值：1.2／50μs (全波冲击) ≤110kV ，1／5μs (截波冲击) ≤130kV 。

过电压保护线路的配置因使用情况不同而异，并根据变压器在试验和运行时出现的负荷来确

定。按交流电压负荷配置，串联的压敏电阻元件数目是以变压器的额定级电压为基准，其值为：

                 n = (整定级电压Us/ 750) ＋ 1 （取整数）                      

    根据上式的计算，导出的匹配的数据，列

于表1。

    ZnO压敏电阻过电压保护特性试验是在图

7同一附加冲击电流加载的试验线路上进行，

通过同时测量绝缘距离上出现残余电压来检

验。每次冲击电流试验时均拍摄冲击电流和

残余电压示波图。 图7  ZnO压敏电阻冲击电流8／20μs试验线路

表1                                   匹配数据计算结果

    试验示例：

采用5只ZnO压敏电阻＋3只线性碳电阻进行保护特性的试验，试验结果见表2和表3所示。

 表2               5只ZnO压敏电阻＋3只线性碳电阻进行保护特性的试验结果

     表3        5只ZnO压敏电阻保护装置在在1mA直流下的压敏电阻电压变化率       (单位V)

从上述试验的结果可见，所有各次冲击电流试验均顺利进行。试验后检测压敏电阻标称工作

电压变化率不大于10％，所有压敏电阻工作状况均为正常。因此，ZnO压敏电阻过电压保护装置即使经大量试验后仍处于可靠状态。

三．结束语

根据IEC60214-1和GB10230.1《分接开关 第1部分 性能要求和试验方法》标准的第5.1.5条防护瞬时过电压的装置的要求，组合式的分接开关级间必须采取过电压防护措施。火花间隙应该使用在过电压保护系统只是偶尔或很少点火的场合，例如CM型分接开关。ZnO压敏电阻器作为切换开关的过电压保护系统．适用于预计会频繁地发生过电压梯度的场合，例如CMDⅢ1000型或R型分接开关。如今这两种方法在应用上是成功的。

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参考文献

1.  IEC60214-1 Tap-changers  Part 1：Performance  requirements  and  test  methods  (2003)

2． MR. Technical Data：General  part  TD61. Germany.

3.  科雷默尔著. 有载分接开关原理和应用. 沈祖俊译. 沈阳： 辽宁科学技术出版社，2000.

4.  张德明. 变压器有载分接开关. 沈阳： 辽宁科学技术出版社，1998.

5． 张德明. 变压器分接开关选型与使用. 北京： 中国电力出版社，2006.