|
阻容吸收器是一種特殊的吸收操作過電壓設備，由于工作原理上與氧化鋅避雷器類限幅設備不同,，由于目前大多數地方是使用氧化鋅避雷器類限幅設備限制操作過電壓的,，導致很多用戶不知道如何選擇阻容吸收器才是合適的。本文用7個關鍵詞來辨析非線性阻容吸收器的技術要點,，希望對用戶選擇產品有一定幫助,。
關鍵詞1——頻敏
區(qū)別阻容吸收器和氧化鋅避雷器類限幅設備，關鍵的地方在于前者是“頻敏”,，而后者是“壓敏”,，阻容吸收器核心上是一種破壞震蕩條件，降低震蕩頻率的保護設備,。
阻容吸收器是一個串聯RC保護電路,，與系統(tǒng)的R、C,、L同時起作用,。操作過電壓其實質是開關開端時產生的電磁能量震蕩過程，在這個過程中一旦滿足諧振條件,，將產生比操作過電壓持續(xù)時間長得多的串聯諧振,，直到破壞諧振條件為止。在回路中沒有吸收器存在時,，總電容值很小,，導致震蕩頻率f很高。電容C的引入,，可以大大提高回路總電容值,，降低震蕩頻率。最佳的效果應是降低頻率正好到工頻（50Hz）,，基本計算公式如下：
f=ω/2π （1）
ωL=1/ ωC （2）
由于每個電路的初始L和C都不同,，同時諧振本身不一定是線性設備引起的，最佳值是不可能靠計算得到的,，只能依據真空斷路器大致的情況進行經驗比較,。根據多年運行經驗，取電容0.1μF時,，一般可以將f限制在150Hz以下,，因此0.1就成為一個比較通用的值。理論上說,，若對具體電路可以做到精確測算,，容量再大些對保護效果會更好（這就是有些地方設計采用0.2的原因）,，但若未精確測算，盲目增大電容量,，導致f過小將產生副作用,。
阻容吸收器的電阻R是一個阻尼元件，一方面對震蕩頻率有影響,，一方面對電容器自身保護有利,。
R存在一個臨界值,，過高或過低對降低頻率均不利,，所以存在電阻值不應小于100Ω的說法。R值適當增高有利于保護電容本身安全,，防止電容過載燒毀,。故一般高安全性的阻容吸收裝置，都適當的增大了R的值（一般最高做到400Ω）,。但是R值如果太大,，將大大提高時間常數τ，導致暫態(tài)時間延長,，不利于保護的高效性,。
關鍵詞2——匝間保護
感性負載的匝間電位梯度與電流陡度（di/dt）成正比，操作過電壓的震蕩頻率可達到幾十到幾百kHz,，陡度極高,。這種陡度對電機和變壓器的匝間絕緣危害很大，同時易使斷路器發(fā)生重燃?，F場許多事故實例都證明,，在操作過電壓的作用下，電機和變壓器的損壞部位大多集中在匝間,，且以進線端匝間為主,，這表明陡度對帶繞組的電氣設備危害事實上很大。
圖一 線圈的匝間擊穿
氧化鋅限幅型過電壓保護設備,，是依據限幅原理進行過電壓瀉放的,，未達到瀉放幅值的高頻震蕩不響應。因此對改變操作過電壓的震蕩頻率,，降低陡度無能為力,。即使選擇使用殘壓限制效果最理想的氧化鋅類過電壓保護設備，也無法避免高頻震蕩導致的匝間損壞事故,。而相反阻容吸收器的阻容回路就是為了破壞震蕩條件,，降低陡波陡度而設計的，可以有效降低繞組間電位梯度,，成功抑制高陡度對電氣設備的危害,。
關鍵詞3——弱絕緣保護
電氣設備的絕緣水平是指設備絕緣能耐受的試驗電壓值（比如通常做的1min工頻耐受電壓測試,，還有長時間工頻耐受電壓、雷電沖擊耐受電壓,、操作沖擊耐受電壓等多種指標）,，在此電壓作用下，絕緣不發(fā)生閃絡,、擊穿或其他損壞現象,。合理的絕緣配合是電力系統(tǒng)安全可靠運行的基本保證，要求過電壓保護設備的工作特性,，能夠和電氣設備的絕緣耐受指標配合起來,，確保帶過電壓保護裝置的電氣設備不承擔超過自身絕緣耐受指標的過電壓沖擊。
對電機這種典型的弱絕緣設備（自身絕緣耐受能力不高的設備）,，業(yè)內一直存在采用氧化鋅限幅型設備保護困難的說法,，絕緣配合總是很困難，下面進行一下簡單計算說明原因,。
對于在運行中的高壓電動機,，其相對地和相對相之間的絕緣所能承受的過電壓數值，可用下式進行計算：
U= (2Ue+1)×0.75×K （3）
式（3）中 Ue：高壓電動機的額定電壓kV
K：沖擊系數,。取1.1～1.4
若取K=1.15,，則
對10kV的高壓電動機
U= (2×10+1) ×0.75×1.15=25.6kV
對6kv的高壓電動機
U=（2×6+1）×0.75×1.15=15.9kV
由于6-10kV中壓電力系統(tǒng)的中性點是不接地的，當此系統(tǒng)發(fā)生單相接地時仍允許繼續(xù)帶故障運行兩小時,，這樣,，在此情況下，氧化鋅避雷器所承受的工頻電壓最大Ug為：
對10kV高壓電動機
Ug= ×1.15×U （4）
= ×1.15×10
=16.3kV
對6kV高壓電動機
Ug= ×1.15×U
= ×1.15×6
=9.76 kV
因為,，為了保證氧化鋅避雷器的安全運行,，其標稱電壓U1mA必須大于Ug，所以,，對10 kV氧化鋅避雷器通常取U1mA=18.5～19.5kV,；對6kV氧化鋅避雷器，通常取U1mA=10.5～11.5kV,。
又按我國目前避雷器的制造水平,，其通過100A時的電壓U100A與U1mA之比約為1.4。這樣,，可以算得當避雷器中流過100A時其上的殘壓UC為：
對10kV避雷器
UC=1.4（18.5～19.5）=25.9～27.3kV
對6kV避雷器
UC=1.4（10.5～11.5）=14.7～16.1kV
將電壓UC和前面的電機耐受電壓U進行比較,，可以看到，UC幾乎等于U,，沒有絕緣配合的安全裕度了,，這和變壓器類絕緣配合安全裕度好的設備（10kV變壓器1min工頻耐受電壓高達 ×42kV）形成了鮮明的對比。所以用氧化鋅避雷器保護高壓電動機的絕緣配合是非常勉強的,，其可靠性較差,。
在這種情況下,，要限制過電壓的幅值，最好的辦法是增入一個微法級的電容,。C值增大電壓的幅值會對應正比下降,。
另一方面，要限制過電壓的振蕩頻率,，降低操作波陡度,，也只有增加振蕩回路中的電容C（見上個關鍵詞的討論），這樣才可以減少過電壓對匝間絕緣的破壞,。因此一些國外廠商提供給中國的發(fā)電機斷路器兩側自帶并聯電容,，也是為此目的。
關鍵詞4——自控接入
前面說到,，阻容吸收器的電阻R是一個阻尼元件,，一方面用于降低震蕩頻率,，一方面用于對電容器自身進行保護,。震蕩頻率的影響前面在說電阻選擇依據時已經有說明，這里關鍵是談一下電阻非線性存在對吸收器自身安全性的意義,。
新一代阻容吸收器為什么采用自控接入型電阻,，是與阻容吸收器的發(fā)展過程有很大關系的。傳統(tǒng)的阻容吸收器采用的是線繞電阻,，無感繞法,，本身功率有限，一般300W左右,。后來有些制造企業(yè)采用了陶瓷電阻代替線繞電阻,，功率可以提高到500W。圖2是一種典型的線繞電阻阻容吸收器,，上端的圓柱型金屬網就是線繞電阻,。
圖二 線繞電阻的阻容吸收器
阻容吸收器電阻的理論功率，可以由接地電容電流大小來測算,，公式如下：
Ic=Ue/Xc=Ue2πfC （5）
以10kV系統(tǒng)為例,，相電壓為10000/ =5.77kV。
當電容值取0.1µF時,，容抗Xc約為3萬,，和數百歐姆的阻抗相比，阻抗的矢量部分可以忽略不計,，最終的電流基本上是電容決定的,。
因此最終的I=Ic=0.185A，為正常電壓下通過阻容吸收器的持續(xù)電流,。
根據這個電流可以計算正常電壓下電阻的功率,。假設電阻的阻值為200Ω,，則最終功率為7W左右，很小,，因此理論上說阻容吸收器電阻的熱容量是足夠的,。
但是，真實的阻容吸收器,，在采用數百瓦電阻以后,，依然經常出現電阻持續(xù)發(fā)熱發(fā)紅，甚至燒毀事件,。更奇怪的是這樣的狀況并不是斷路器操作期間由于震蕩發(fā)生的,，而是系統(tǒng)“正常”的時候發(fā)生的。實際使用中的阻容吸收器,，即使500W電阻往往還感覺功率不足有隱患,。這是為什么呢？
我們前面說到,，事實上阻容吸收器是頻敏元件,，頻敏元件是比壓敏元件對諧波更敏感的設備。系統(tǒng)存在的高次諧波多少,，在常規(guī)的電網監(jiān)控設備上不能有效反映,，因為在有效值上并不明顯。然而實際上高次諧波的高頻會數倍的增加阻容吸收器電阻和電容的負擔,，使其實際的工作狀態(tài)根本不是理論的50Hz,。在這樣的情況下，理論計算得到的安全裕度（這里特指功率）根本毫無意義,，因此阻容吸收器的電阻電容都無法有效估算壽命,。
電網的諧波污染，不是保護某種具體設備的專用保護器可以治理的,。即使是氧化鋅類壓敏設備,，容量更大對諧波更不敏感，其設計依據,，也要求避開諧波干擾,，防止諧波造成產品使用壽命不穩(wěn)定（見DL/T804 避雷器使用導則）。因此傳統(tǒng)的線性電阻類阻容吸收器不能有效適應中國電網諧波污染不確定的實際情況,，即使是進口阻容吸收器也不能確定可靠的使用壽命,。
在這種情況下，借用避雷器防止諧波干擾的手段,，采用自控接入法避開日常運行中系統(tǒng)的高次諧波,，就是一種最佳的策略。自控接入后，需要進行操作過電壓防護時數百歐姆電阻和電容才接入,，而當系統(tǒng)無操作時,，工作元件是與系統(tǒng)隔離的，可以有效防止系統(tǒng)諧波的干擾,。同時阻容吸收器正常的接地電流也不再是安培級,，而是微安級。
關鍵詞5——節(jié)能環(huán)保
上面說了,，傳統(tǒng)的線性阻容,，存在持續(xù)的電阻有功電流，是在額外浪費電能轉變成熱能,。上式（5）曾經做了理論計算,，得到電阻功率不足10W的理論值，這個電能浪費基本是可以接受的,。然而我們又知道,，由于諧波干擾的存在，實際上電阻發(fā)熱的情況遠遠高過理論的幾W,，而是經常達到數百瓦,，這就不是一個小數目了。
假設一個電站使用25臺線性阻容吸收器,，每臺持續(xù)消耗200W的電能,，那總體浪費就達到了5千瓦，這與綠色環(huán)保的21世紀技術革新理念是背道而弛的,。即使簡單計算電能損耗造成的電費損失，每度按0.5元計算,，一年也將額外支出數萬元,，是一比不小的負擔。
相反,，采用非線性阻容吸收器,，只在操作瞬間進行工作，大多數時間是不消耗電能的,，基本上和常規(guī)避雷器造成的干擾相當,，是不額外造成電能浪費的。而其保護性能要優(yōu)于氧化鋅類壓敏保護設備,，從長遠上降低了設備的事故率,，減少了異常狀況的時間，所以也可以說比避雷器更加環(huán)保,。
關鍵詞6——簡化設計
從以上計算可知,，每臺線性阻容吸收器的接地電容電流將達到0.2A左右（35kV產品更高）。如果在一條母線上連接著數十臺線性阻容吸收器，再加上電機回路的電容電流有可能超過規(guī)程規(guī)定的允許值,，則在電機中性點必須裝設消弧線圈或電阻以保護設備的安全運行,。因此，在電機回路特別是在發(fā)電機回路中選擇設備時,，不僅要考慮電機回路的電容電流,，同時要考慮分支回路的對地電容和用于真空斷路器的阻容吸收器接地電容電流，這一問題往往被設計人員及運行管理人員所忽視,。
為了確保繼電保護設計的安全性,，在裝有線性阻容吸收器的系統(tǒng)，必須考慮接地電容電流的累加值,。使用數量多的時候,，這個累加值能達到數十安培。同時這個電流也不是固定不變的,，系統(tǒng)諧波污染的變化,，單相接地故障等長持續(xù)時間異常狀況的出現，都可能導致這個電流值出現明顯變化,。這樣一來,，系統(tǒng)整體的繼電保護設計，將由于線性阻容吸收器的存在而復雜化,。
為了簡化系統(tǒng)設計,，安裝非線性阻容吸收裝置是一個最好的選擇。一方面可以具有比較良好的操作過電壓防護,；另一方面由于不再出現持續(xù)的接地電容電流,，可以把繼電保護設計簡化到和不裝阻容吸收器一樣。既防止設計時的疏忽,，也減少復雜計算導致的失誤,。
關鍵詞7——相間保護
相間保護原理，是依據避雷器組合式設計而推廣出的一種阻容吸收器組合式設計方案,，也稱四星形接法,。具體連接方式如下圖：
圖三 阻容吸收器的四星型接法示意圖
四星型接線方式，是為了提高相間保護能力,，防止相間過電壓而進行的改革設計,，最早應用在氧化鋅壓敏型保護設備上，行業(yè)習慣上稱三相組合式過電壓保護器,。這種接線方式首先將三相進行星形聯接,，然后通過公共的中性點，再聯接一極中性點保護極,，最終成為四極結構,。第四極傳統(tǒng)上可以做成單獨的一柱,，排列在三相柱旁邊，外觀上就是四柱型,，見圖四示意,。
圖四 傳統(tǒng)的四星型產品結構特點
這種四柱結構方式，從外觀上可以很明顯的看出四星型的四個極,，不容易誤以為是常規(guī)的三個單相配一個金屬底座的圖二類單相產品,。但是這樣的結構存在一個不正的問題。由于大多數操作過電壓保護設備都是就近斷路器安裝的,，用于就近限制操作過電壓產生的源頭,，因此大多數此類設備是安裝在開關柜里面的。開關柜的正常結構是三相母排居中,，外觀上四柱的過電壓保護設備,，安裝接線會對不正三相母排，而有一個錯位,。錯位導致某兩相出線可能比較接近,，安裝運輸過程中不注意的話，容易造成絕緣距離或者爬電距離不足,，導致事故隱患,。
圖五 新型的四星型產品結構特點
因此新一代的三相組合式產品，一般都進行了外觀改革,，改為圖五的結構,。圖五是三柱外觀，而把中性點接地極做到了底座中,。這樣三相接線可以對正成套柜的母排,，不會由于偏心造成某兩相天然的絕緣距離隱患。同時依然保留了組合式設計的相間保護功能,，是更優(yōu)于單相阻容吸收器的產品,。
|
