中压电网过电压防护技术的发展与技术分析

刘 鹏，刘 海，郭思君

（1.十堰巨能电力集团，湖北十堰 442000；2.芜湖科越电气有限公司，安徽芜湖 241009）

引言

3～66 kV 中压电网作为企业主要的供配电方式，电网的质量与安全直接关系到企业供用电设备的安全以及供电的连续性，而供电质量最直接的表现形式是保证供电系统的电压、电流在一个合理的范围内。针对供电系统过电压的防护从90 年代初的避雷器发展到如今，技术庞杂、产品众多，而企业技术人员对过电压防护技术缺乏深入的了解，很难做出针对性的、合理的选择。产品选择不当，过电压的防护达不到预期的效果，甚至部分产品本身形成了新的故障点。而等电位的存在，过电压防护不当往往“火烧连营”，导致多台设备的烧损和大面积停电事故偶有发生，过电压防护产品本身的事故也会导致故障的扩大化，给企业造成直接和间接的经济损失。所以，根据企业供电网络的特性制定合理的保护方案，并选择针对性的产品，是十分必要的。

1 过电压防护技术的发展阶段

从上世纪80年代开始，随着国民经济快速稳定地发展，电力消费保持了高速增长的态势，国家电网以及企业供电网络快速扩大，对供电安全的要求也越来越高，随之，保障电网安全运行的产品技术通过国外引进以及自主研发实现快速提升，其中，针对3～66 kV 中压电网的过电压防护技术也开始快速地更新换代，本文按照时间顺序和产品技术的创新程度将其分为三个发展阶段。

第一阶段——传统技术阶段：1995 年之前，国内供电网络以架空线路为主，运用少油开关进行开断，适用于这种供电网络，对过电压的防护多是采用避雷器。

第二阶段——独立产品多元化发展阶段：1995年至2005 年的十年，过电压防护技术爆发式发展，避雷器发展到组合式过电压保护器并逐步完善；PT柜发展到消弧柜、抑制柜并逐步普及。这一阶段的产品都是针对某一种故障而采取单一的防范措施，孤立运行，所以称之为“独立产品”。

第三阶段——整体控制理论的提出与发展阶段：2005 年国内首次提出等电位下的过电压整体控制技术，过电压防护技术上升到基于等电位下的整体控制阶段。

2 传统技术阶段

2.1 技术来源

避雷器最早出现于19世纪末期，用于架空输电线路，防止雷击损坏供用电设备而导致供电中断。20 世纪20 年代，出现了铝避雷器、氧化膜避雷器和丸式避雷器；30 年代出现了管式避雷器；50 年代出现了碳化硅避雷器；70 年代以后，随着氧化锌材料的应用，开始采用金属氧化物避雷器，并沿用至今。

2.2 技术原理

金属氧化物避雷器是利用ZnO 电阻的非线性限制雷电波产生的侵入过电压，采用单柱式结构，连接在A、B、C 三相与地之间，早期的电网规模较小且多为架空线路，开关的开断速度较慢，所以，过电压的表现形只有雷击产生的相对地过电压，在此背景下，避雷器简单实用。

2.3 性能分析

90 年代后期，随着企业用电的大幅度增长，电网越来越大、电缆输电增多、真空断路器普及等，电网需要承受的不仅是外部的雷电过电压，更多的是内部过电压，包括操作过电压、谐振过电压、间歇性弧光接地过电压等。因此过电压防护，不仅需要限制电力系统中因雷电引起的过电压，更需要限制系统内部过电压。在此背景下，避雷器的应用范围变窄，只适用于户外架空线路。

3 独立产品多元化发展阶段

1995 年至2005 年，国内工矿企业快速发展，电网迅速扩大，国外技术大量进入中国，各种因素导致国内的过电压防护技术爆炸式发展，过电压防护出现了很多新的理论，这一阶段的产品技术归纳如下。

3.1 串间隙组合式过电压保护器

3.1.1 技术来源

该技术是在80年代模仿前苏联的产品样本，由国内技术人员仿造的，1995年以后逐步推广。

3.1.2 技术原理

对过电压防护全面性的要求，需要保护装置具有相对地、相间同等的保护功能，如图1 所示，对A、B、C、D（地电位）四个电位的六个电位差通过中性点M 设置AB、AC、BC、AD、BD、CD 六个放电通道，每个放电通道由氧化锌电阻和放电间隙串联构成，通过调整放电间隙和氧化锌电阻的阈值，使得六个放电通道具有相对地、相间同等的过电压限制作用。

图1 串联间隙过压保护器

3.1.3 性能分析

串联间隙的目的是利用间隙隔离电网电压，减少ZnO电阻的泄漏电流，延缓ZnO电阻的老化，增加ZnO 电阻的使用寿命。但是，实际运行中击穿爆炸的事故率很高，主要原因在于：①间隙放电对ZnO电阻冲击导致击穿；②间隙的放电一致性差，导致ZnO 电阻击穿；③间隙分压，ZnO 电阻减少40%左右，热容量不够导致的击穿。④间隙的隔离，ZnO电阻无法缓和过电压波头的陡度、降低振荡频率，波头陡度过大，将会使ZnO 电阻或设备的匝间绝缘击穿。

3.2 无间隙组合式过电压保护器

3.2.1 技术来源

2000 年前后，ZnO 电阻技术得到了很大的提升，泄漏电流可以做到＜5 μA，因为泄漏电流导致的ZnO 电阻老化问题得到解决，串联间隙已不具备必要性。在此背景下，出现了无间隙组合式过电压保护器。该技术最早见于2004 年第8 期《高电压技术》的“3～66 kV 电力系统过电压保护器的应用与发展”一文。

3.2.2 技术原理

无间隙组合式过电压保护器原理如图2 所示，延续了串间隙保护器的结构特点，但是，每个放电通道不再设置放电间隙，利用ZnO 电阻的物理特性实现对过电压的限制。伏安特性如图3 所示，在过电压未达到U1mA之前，ZnO 电阻呈高阻状态，ZnO 电阻的电容性及阻尼性可以缓和过电压的波头陡度并减缓振荡频率。当过电压超过U1mA时，ZnO 电阻呈低阻状态，利用其非线性对系统过电压实现限制。

图2 无间隙过电压保护器

图3 ZnO电阻的伏安特性曲线

3.2.3 性能分析

无间隙结构是一种不可逆转的发展方向，问题的关键在于取消放电间隙后，能否保证ZnO 电阻长期安全地运行。

ZnO 电阻的残压比为：K1=U残/U1mA；荷电率：K2=Ue/U1mA。如果 K1取值 1.3，K2取值 0.75，Ue为 ZnO 电阻的工作电压。根据图2～3，以10 kV为例，可得Ue=

国家标准规定的10 kV 保护器，残压不大于25 kV，根据上述计算，在K1=1.3，K2=0.75，已经保留足够安全系数的前提下，相间残压可以做到22.8 kV，所以，无间隙结构是安全的。该技术产品2001 年投入市场，经过20 年的运行检验，事故率不仅低于串联间隙保护器，也低于传统避雷器。

3.3 消弧柜

3.3.1 技术来源

2002 年中国电科院许颖在《电网技术》上发表“对消弧线圈‘消除弧光接地过电压’的异议”一文，明确提出消弧线圈自动跟踪补偿装置不可能"消除弧光接地过电压"。在此背景下，《电力科学与工程》2002 年第4 期发表论文“电力系统弧光接地保护的研究”，这是首次公开的消弧柜理论。

3.3.2 技术原理

消弧柜原理如图4，采用将弧光接地故障相直接金属接地的原理，通过可分相控制的高压断路器JZ 与系统连接，正常工况下，JZ 触头全部断开，系统按照中性点不接地的方式正常运行。发生单相间歇性弧光接地过电压时，零序电压上升，故障相电压下降，健全相电压震荡上升。此时，断路器JZ 将故障相的触头闭合，系统由间歇性弧光接地转变为金属接地，强制性将弧光消除，把过电压限制在1.73UФ以下。

图4 消弧柜基本原理图

3.3.3 性能分析

消弧柜的原理简单可靠，但是会导致系统缺相运行，甚至供电中断。实际运行中消弧柜误动频繁，原因在于没有考虑弧光接地的持续时间，对于持续时间不长，能够自恢复的偶发性过电压故障，消弧柜动作，又无法确定故障原因，形成一种“假误动”，将事故扩大化。所以，消弧柜仅适用于对设备或人身安全保护要求较高，供电连续性要求不高的场所，比如金加工、农网等，而必须保证供电连续性的冶金、化工等大型工矿企业，应谨慎使用。

3.4 能量抑制柜

3.4.1 技术来源

由于消弧柜的缺相运行以及“假误动”问题，2002 年出现了“高能ZnO 电阻用于发电机灭磁”的理论，应用于对电网过电压能量的吸收，提出过电压抑制柜的原理。

3.4.2 技术原理

原理如图5、曲线配合如图6 所示，利用高压氧化锌电阻（ZnO1）的限压功能与高能氧化锌电阻（ZnO2）的能量抑制功能，通过曲线的配合，实现过电压峰值限制与能量吸收的组合保护，解决过电压持续时间较长引起的保护器击穿和消弧柜误动等问题。

图5 抑制柜原理图

图6 ZnO曲线配合

3.4.3 性能分析

抑制柜是通过ZnO 电阻的物理特性实现保护，可靠性高。关键在于ZnO 电阻的承受能量必须大于过电压的能量，而过电压的能量与过电压峰值、电流、持续时间有关，假设10 kV 系统的电容电流为30 A，若要带故障运行2 h，则需要480 路高能ZnO电阻并联运行，成本太高，工艺复杂。因此，抑制柜的设计承受时间不能太长，根据运行测算，抑制柜只适合抑制持续时间不超过5 s 的过电压，否则，会造成ZnO电阻的击穿。

4 基于等电位下的整体控制技术

4.1 技术来源

前述的过电压防范技术都是针对某一种过电压或某个参数实施的单一保护措施，而等电位下的所有设备承担的是同等的过电压冲击，独立产品由于缺少参数的配合，导致动作值低的产品事故率偏高，动作值高的产品不能发挥作用，使保护的可靠性大大降低。

在此背景下，2005 年国内首次提出“等电位下的电网电压整体控制技术”，经过10 年的完善与发展，《冶金动力》2015年第9期发表了“3～66 kV过电压保护整体设置方案的探讨”，自此，等电位下的过电压整体控制技术开始广泛的使用。

4.2 技术原理

过电压对电网和设备的危害主要决定于过电压峰值、波头陡度和过电压能量。因此，过电压防护的基本原则就是限制峰值、缓和波头陡度、抑制电压突变的能量。

基本原理如图7，按照等电位原则分布式设置无间隙过电压保护器1，在过电压发生的初始阶段，利用ZnO 电阻缓和过电压波头的陡度；过电压达到U1mA值时，ZnO 电阻导通限制过电压的峰值；以母线段为单位设置能量抑制装置2，用来抑制电压突变的能量；每个等电位系统设置能量泄放单元3，当电压突变的能量超过抑制装置的的设计承受能力时，将故障相金属接地，实现过电压能量的对地泄放。

图7 基于等电位下的整体控制系统

4.3 性能分析

基于等电位的过电压整体控制系统，引致于同一个电位的所有保护器参数配合一致，触发条件按照系统中设备的绝缘耐受能力统一设置，动作一致，以同样的阻抗处于并联状态，大大增加过电压保护的通流能力和对过电压能量的抑制能力。

每段母线设置的能量抑制装置实现对过电压能量的抑制，该等电位系统所有的能量抑制装置处于并联状态，参数一致。

每个等电位系统设置一个能量泄放装置，在长时间、大能量过电压发生时实现过电压能量的对地泄放。

有益效果是：多级保护设置，逐级实施，各保护单元参数配合，相互保护。同时，每级保护单元处于并联状态，参数一致，增加了保护的可靠性。可以大大减少过电压对用电设备和保护设备的冲击，避免形成积累性损伤和即时性击穿，形成整体的一体化的保护系统。

5 结语

（1）过电压防护技术的发展，并不表示在先技术的过时，可能适用范围变窄，但针对性更好。

（2）技术的更新、产品的增多，使得产品选择更加细化，对供电网络及用电设备的保护是有利的，需要企业技术人员根据供电网络的特性和需求，做出正确的选择。

（3）基于等电位下的整体控制系统能够大大增加保护的可靠性，需要企业技术人员制定出完善的技术方案，做好产品的匹配。