常規(guī)MOA存在的主要問題-氧化鋅避雷器測試儀生產(chǎn)商供稿
分析了中性點非有效接地系統(tǒng)中氧化鋅避雷器存在的問題，提出一種帶串聯(lián)間隙、四星形接法的組合式MOA 。提高了MOA的保護特性。
1 引言
發(fā)電廠以及冶金、化工、煤炭、石油等行業(yè)中，由于高壓電動機、電爐等設(shè)備起停頻繁，產(chǎn)生嚴(yán)重的操作過電壓。由于操作過電壓特別是相間過電壓幅值較高，使得廠用電系統(tǒng)事故頻繁．造成損失。通常供電系統(tǒng)采用氧化鋅避雷器 (以下簡稱MOA) 限制過電壓，但實際運行情況表明，高壓電動機和變壓器絕緣仍發(fā)生擊穿．相同閃絡(luò)等事故也時有發(fā)生。這是因為：無論是無間隙的 MOA 還是帶串聯(lián)或并聯(lián)間隙的 MOA，其接線方式多為星形接線，而操作地壓主要產(chǎn)生在高壓電動機、變壓器的相與相之間。所以各種形式的MOA對于相同的絕緣不能進行很好的保護。
常規(guī)的MOA由于考慮自身的安全。其直流ImA參考電壓UImA一般選值較高。從而使殘壓過高。這樣就使得MOA過高的殘壓與被保護設(shè)備的絕緣水平配合不當(dāng)，因此MOA 保護高壓電動機對絕緣作用比較勉強。MOA 存在的另一個問題是持續(xù)運行電壓選值低，僅為相電壓，因而在中性點非有效接地系統(tǒng)中MOA在單相接地時損壞較多。這樣又增加了系統(tǒng)的事故，如果將 MOA 的持續(xù)運行電壓選為線電壓，使MOA的UImA值及殘壓更高，達不到保護特性不能降低韻要求。
本文介紹一種帶串聯(lián)間隙并采用四星形接法的MOA，對相間和相地均能起到保護作用，而且自身又可安全可靠地運行。經(jīng)實際運行表明，效果十分明顯。
2 常規(guī)MOA存在的主要問題
MOA中氧化鋅閥片的伏安特性如圖l所示。在圖1中，UImA為直流ImA參考電壓。U100A為MOA中流過100A操作沖擊電流時的殘壓。Uc為MOA的持續(xù)運行電壓。
K1=U100A/UImA (1)
在通常情況下，制造水平較高的氧化鋅電阻片的殘壓比K1=1.4。氧化鋅電阻片的荷電率可表示為
K2=
Uc／UImA (2)
荷電率是表征ZnO閥片在某一電壓下長期運行的壽命指標(biāo)。如果K2=0.75．則閥片可在0.75UImA的電壓下長期運行。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，氧化鋅電阻片的壽命指標(biāo)是這樣確定的，將ZnO閥片置入115℃加速老化箱中．外加Uc=0.75 UImA/
的電壓．測其初始漏電流Ioh。經(jīng)過1000h后測其終止時漏電流I100h。如果I100h＜2Ioh，則認(rèn)為該閥片在常溫下、荷電率K2=0.75時可運行100年。通常制造水平高的ZnO閥片K2=0.8，而在設(shè)計及使用中一般取k2＜0.8。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com
根據(jù)國際GB11032-89，6kV系統(tǒng)保護電動機的MOA持續(xù)運行電壓Uc=4kV。直流ImA參考電壓UImA＞11.3kV。對于6kV電動機其相對地和相對之間的絕緣所能取受的過電壓值為:
UR=
(2Us+1)×0.75×1.15 (3)
式中Us------系統(tǒng)額定電壓
常規(guī)的MOA相對地100A操作沖擊電流時殘壓可由(1)式求出，將Us=6kV，K1=1.4，UImA=11.3kV代入(3)和(1)式可以求得
UR=15.9kV，U100A=15.8kV。
通常開關(guān)截流和多次重燃時相間過電壓為對地過電壓的1.5倍。而開關(guān)三相同步截流時相間過電壓為對地過電壓的2倍。由于常規(guī)的MOA是星形接法，其相對相之間的100A操作沖擊電流的殘壓為：
U相間=2U100A
從上面可以看出，由于U100A與UR相當(dāng)，因此常規(guī)的MOA對高壓電動機相對絕緣保護作用比較勉強。又由于U相間遠(yuǎn)大于U100A，所以對相與相之間絕緣則完全不能進行保護。
MOA也存在荷電率過高的問題。對于6kV系統(tǒng)的MOA，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其持續(xù)運行電壓為相電壓的有效值，即Uc=Us×1.1
=4kV。將Uc=4kV代入荷電率公式(2)可得K2=0.5，這樣的荷電率是可以長期運行的。如果發(fā)生單相接地．作用在健全相的MOA 上所承受的持續(xù)運行電壓的 
倍相電壓，甚至更高。此時荷電率K"2為：
K"2=
× 
Uc/UImA (5)
將Uc=4Kv，UImA=11.3kV代入上式可以得到K"r=0.95。如此高的荷電率MOA是承受不了的。因此常規(guī)的MOA必然在單相接地或諧振時產(chǎn)生過電壓情況下?lián)p壞較多。當(dāng)然，有些同志也指出，電機是不允許經(jīng)常一相接地的，更不允許長時間接地運行。
根據(jù)上面的分析可以看出，常規(guī)的MOA由于其額定電壓和持續(xù)運行電壓選值偏低。在一些情況下不僅不能起到保護設(shè)備的作用，反而增加了電力系統(tǒng)的事故。如將MOA本身的安全性得到了提高到線電壓，雖然 MOA 的持續(xù)運行電壓Uc提高，但也大大提高了相對地和相對相的電壓保護值。
以6KV為例，如果Uc選為線電壓。根據(jù)上面的公式可以求出在K1=1.4、K2=0.75的情況下U100A=20kA、U相間=40kV。如此高的電壓保護值根本不能保護電動機的絕緣。
3 提高MOA的保護性能
首先考慮提高ZnO閥片的制造水平來解決問題，假定將ZnO閥片的制造水平提高到目前的最高水平，即取
K1=1.27、K2=0.85。
此時保護比K則為：
K=K1/K2=U100A/
Uc (6)
由上式可求出MOA相對地100A操作沖擊電流的殘壓幅值為：(4)U100A=
kUc (7)
相對相之間100A操作沖擊電流的殘壓幅值可由(4)式求得。
上面已經(jīng)指出．當(dāng)發(fā)生單相接地時MOA上承受的持續(xù)運行電壓為
倍的相電壓。以
6kV系統(tǒng)為例，當(dāng)發(fā)生單相接地時持續(xù)運行電壓為U"c=
Uc=7.6kv．將U"c取代（7)式中的Uc并取ZnO閥片的最高制造水平即K=1.5，從(7)式中可得相對地之間的操作沖擊電流殘壓為U100A=16kV．再由(4)式可求出相對相之同的殘壓為U相間=32kV，都超過了電機絕緣所允許的值UR=15.9kV。
由此可見，提高ZnO閥片的制造水平不能解決問題，應(yīng)當(dāng)改進MOA結(jié)構(gòu)，充分利用ZnO的特性。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com
要改進MOA的結(jié)構(gòu)，必須尋求另外的途徑。帶串聯(lián)間隙的MOA因間隙存在，閥片無荷電率問題，不存在荷電率K2 。因而K=K1/K2不成立。因為間隙的存在僅有殘壓比K1的問題，殘壓U100A原則上可隨UImA任意選取。國外生產(chǎn)的帶串聯(lián)間隙的MOA達到U100A=15kV．但其相同電壓為30kV。
為了使U100A=U相間，除了加串聯(lián)間隙還必須改變MOA的接線方式。即將傳統(tǒng)的星形接法改為四星形接法，如圖2所示。
圖2所示是一種新型的帶串聯(lián)間隙的組合式氧化鋅避雷器(TBP)，TBP由四個帶放電間隙的氧化鋅電阻單元構(gòu)成，采用組合式結(jié)構(gòu)并以四星形方式聯(lián)接。由于TBP是對稱結(jié)構(gòu)，因此其中的任意三個端子都可接A、B、C三相。另一個端子接地線。采用這種特殊的結(jié)構(gòu)和接線方式．使得相間過電壓大為降低，提高了保護性能。現(xiàn)場使用情況也表明，TBP解決了用電最統(tǒng)中的操作過電壓問題。
表1示出了TBP的主要參數(shù)。
4.1 與常規(guī)的MOA相比較
在TBP中采用間隙，使ZnO和間隙互為保護。間隙使ZnO的荷電率為零。不存在老化問題。ZnO良好的非線性伏安特性又使間隙放電后無截波、無續(xù)流，間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，提高了其壽命，壽命可達103次以上。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com
帶串聯(lián)間隙的TBP由于充分利用了ZnO閥片的優(yōu)點，間隙無需滅弧。因此只需一個間隙而且結(jié)構(gòu)筒單．一個間隙的結(jié)構(gòu)使間隙分散度大的問題得到解決，一般由制造誤差引起的分散度在10%以內(nèi) 。另外，單間隙使放電值不再受外殼環(huán)境因素變化的干擾，放電電壓分散度在5%以內(nèi)。
TBP通過改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間瓷環(huán)村料的介電系數(shù)。使得其沖擊系數(shù)接近于l，也就是上升前沿為1.2 μs的沖擊電壓放電值和上升前沿為5ms的工頻電壓放電壓放電值一致。這樣。在操作沖擊電壓波形范圍內(nèi)(20us-50ms) 的任意波形電壓，放電電壓值均相等。
TBP采用四星形接線方式，可將相同過電壓大大降低。與常規(guī)的MOA相比．相間過電壓下降了60%-70%，保護的可靠性大為提高。另外，相對相、相對地保護電壓值低．可將操作過電壓可靠地限制在被保護設(shè)備的絕緣允許范圍內(nèi) 。而且在單相接地、間隙性弧光接地和諧振過電壓下可長期安全運行。
4.2 與阻容過電壓吸收器相比較
目前國內(nèi)在某些場合也采用阻容過電壓吸收器來限制操作過電壓。阻容過電壓吸收器的最大優(yōu)點是能緩和過電壓波頭的陡度。阻容過電壓吸收器的缺點是無明確的過電壓限制值且吸收過電壓的能量太小。
阻容過電壓吸收器在過電壓時吸收的能量為：
(1) TBP 中使用了間隙和 ZnO 閥片，兩者互為保護 。閥片存在老化問題，間隙使其荷電率為零，間隙在續(xù)流時易損壞。ZnO閥片使其無續(xù)流．兩種元件發(fā)揮各自優(yōu)點。
(2) TBP采用四星形接線方式．相間過電壓大大降低，與常規(guī)MOA相比。相間過電壓下降了60%-70%?？煽康乇Ｗo了被保護的設(shè)備。
(3) TBP 由于 ZnO 的良好性能．間隙動作后立即熄弧。無續(xù)流，無截波。間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)．通流量減小．且間隙結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)量最少．沖擊系數(shù)為l，放電電壓不隨放電波形變化而變化．保護性能優(yōu)良。
(4) TBP的相對相、相對地保護電壓值低，將操作過電壓可靠地限制在被保護設(shè)備的絕緣允許范內(nèi)。
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1 引言
發(fā)電廠以及冶金、化工、煤炭、石油等行業(yè)中，由于高壓電動機、電爐等設(shè)備起停頻繁，產(chǎn)生嚴(yán)重的操作過電壓。由于操作過電壓特別是相間過電壓幅值較高，使得廠用電系統(tǒng)事故頻繁．造成損失。通常供電系統(tǒng)采用氧化鋅避雷器 (以下簡稱MOA) 限制過電壓，但實際運行情況表明，高壓電動機和變壓器絕緣仍發(fā)生擊穿．相同閃絡(luò)等事故也時有發(fā)生。這是因為：無論是無間隙的 MOA 還是帶串聯(lián)或并聯(lián)間隙的 MOA，其接線方式多為星形接線，而操作地壓主要產(chǎn)生在高壓電動機、變壓器的相與相之間。所以各種形式的MOA對于相同的絕緣不能進行很好的保護。
常規(guī)的MOA由于考慮自身的安全。其直流ImA參考電壓UImA一般選值較高。從而使殘壓過高。這樣就使得MOA過高的殘壓與被保護設(shè)備的絕緣水平配合不當(dāng)，因此MOA 保護高壓電動機對絕緣作用比較勉強。MOA 存在的另一個問題是持續(xù)運行電壓選值低，僅為相電壓，因而在中性點非有效接地系統(tǒng)中MOA在單相接地時損壞較多。這樣又增加了系統(tǒng)的事故，如果將 MOA 的持續(xù)運行電壓選為線電壓，使MOA的UImA值及殘壓更高，達不到保護特性不能降低韻要求。
本文介紹一種帶串聯(lián)間隙并采用四星形接法的MOA，對相間和相地均能起到保護作用，而且自身又可安全可靠地運行。經(jīng)實際運行表明，效果十分明顯。
2 常規(guī)MOA存在的主要問題
MOA中氧化鋅閥片的伏安特性如圖l所示。在圖1中，UImA為直流ImA參考電壓。U100A為MOA中流過100A操作沖擊電流時的殘壓。Uc為MOA的持續(xù)運行電壓。
K1=U100A/UImA (1)
在通常情況下，制造水平較高的氧化鋅電阻片的殘壓比K1=1.4。氧化鋅電阻片的荷電率可表示為
K2=
Uc／UImA (2)荷電率是表征ZnO閥片在某一電壓下長期運行的壽命指標(biāo)。如果K2=0.75．則閥片可在0.75UImA的電壓下長期運行。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，氧化鋅電阻片的壽命指標(biāo)是這樣確定的，將ZnO閥片置入115℃加速老化箱中．外加Uc=0.75 UImA/
的電壓．測其初始漏電流Ioh。經(jīng)過1000h后測其終止時漏電流I100h。如果I100h＜2Ioh，則認(rèn)為該閥片在常溫下、荷電率K2=0.75時可運行100年。通常制造水平高的ZnO閥片K2=0.8，而在設(shè)計及使用中一般取k2＜0.8。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com 根據(jù)國際GB11032-89，6kV系統(tǒng)保護電動機的MOA持續(xù)運行電壓Uc=4kV。直流ImA參考電壓UImA＞11.3kV。對于6kV電動機其相對地和相對之間的絕緣所能取受的過電壓值為:
UR=
(2Us+1)×0.75×1.15 (3)式中Us------系統(tǒng)額定電壓
常規(guī)的MOA相對地100A操作沖擊電流時殘壓可由(1)式求出，將Us=6kV，K1=1.4，UImA=11.3kV代入(3)和(1)式可以求得
UR=15.9kV，U100A=15.8kV。
通常開關(guān)截流和多次重燃時相間過電壓為對地過電壓的1.5倍。而開關(guān)三相同步截流時相間過電壓為對地過電壓的2倍。由于常規(guī)的MOA是星形接法，其相對相之間的100A操作沖擊電流的殘壓為：
U相間=2U100A
從上面可以看出，由于U100A與UR相當(dāng)，因此常規(guī)的MOA對高壓電動機相對絕緣保護作用比較勉強。又由于U相間遠(yuǎn)大于U100A，所以對相與相之間絕緣則完全不能進行保護。
MOA也存在荷電率過高的問題。對于6kV系統(tǒng)的MOA，國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其持續(xù)運行電壓為相電壓的有效值，即Uc=Us×1.1
=4kV。將Uc=4kV代入荷電率公式(2)可得K2=0.5，這樣的荷電率是可以長期運行的。如果發(fā)生單相接地．作用在健全相的MOA 上所承受的持續(xù)運行電壓的 倍相電壓，甚至更高。此時荷電率K"2為：K"2=
× Uc/UImA (5)將Uc=4Kv，UImA=11.3kV代入上式可以得到K"r=0.95。如此高的荷電率MOA是承受不了的。因此常規(guī)的MOA必然在單相接地或諧振時產(chǎn)生過電壓情況下?lián)p壞較多。當(dāng)然，有些同志也指出，電機是不允許經(jīng)常一相接地的，更不允許長時間接地運行。
根據(jù)上面的分析可以看出，常規(guī)的MOA由于其額定電壓和持續(xù)運行電壓選值偏低。在一些情況下不僅不能起到保護設(shè)備的作用，反而增加了電力系統(tǒng)的事故。如將MOA本身的安全性得到了提高到線電壓，雖然 MOA 的持續(xù)運行電壓Uc提高，但也大大提高了相對地和相對相的電壓保護值。
以6KV為例，如果Uc選為線電壓。根據(jù)上面的公式可以求出在K1=1.4、K2=0.75的情況下U100A=20kA、U相間=40kV。如此高的電壓保護值根本不能保護電動機的絕緣。
3 提高MOA的保護性能
首先考慮提高ZnO閥片的制造水平來解決問題，假定將ZnO閥片的制造水平提高到目前的最高水平，即取
K1=1.27、K2=0.85。
此時保護比K則為：
K=K1/K2=U100A/
Uc (6)由上式可求出MOA相對地100A操作沖擊電流的殘壓幅值為：(4)U100A=
kUc (7)相對相之間100A操作沖擊電流的殘壓幅值可由(4)式求得。
上面已經(jīng)指出．當(dāng)發(fā)生單相接地時MOA上承受的持續(xù)運行電壓為
倍的相電壓。以6kV系統(tǒng)為例，當(dāng)發(fā)生單相接地時持續(xù)運行電壓為U"c=
Uc=7.6kv．將U"c取代（7)式中的Uc并取ZnO閥片的最高制造水平即K=1.5，從(7)式中可得相對地之間的操作沖擊電流殘壓為U100A=16kV．再由(4)式可求出相對相之同的殘壓為U相間=32kV，都超過了電機絕緣所允許的值UR=15.9kV。由此可見，提高ZnO閥片的制造水平不能解決問題，應(yīng)當(dāng)改進MOA結(jié)構(gòu)，充分利用ZnO的特性。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com
要改進MOA的結(jié)構(gòu)，必須尋求另外的途徑。帶串聯(lián)間隙的MOA因間隙存在，閥片無荷電率問題，不存在荷電率K2 。因而K=K1/K2不成立。因為間隙的存在僅有殘壓比K1的問題，殘壓U100A原則上可隨UImA任意選取。國外生產(chǎn)的帶串聯(lián)間隙的MOA達到U100A=15kV．但其相同電壓為30kV。
為了使U100A=U相間，除了加串聯(lián)間隙還必須改變MOA的接線方式。即將傳統(tǒng)的星形接法改為四星形接法，如圖2所示。
圖2所示是一種新型的帶串聯(lián)間隙的組合式氧化鋅避雷器(TBP)，TBP由四個帶放電間隙的氧化鋅電阻單元構(gòu)成，采用組合式結(jié)構(gòu)并以四星形方式聯(lián)接。由于TBP是對稱結(jié)構(gòu)，因此其中的任意三個端子都可接A、B、C三相。另一個端子接地線。采用這種特殊的結(jié)構(gòu)和接線方式．使得相間過電壓大為降低，提高了保護性能。現(xiàn)場使用情況也表明，TBP解決了用電最統(tǒng)中的操作過電壓問題。
表1示出了TBP的主要參數(shù)。
4.1 與常規(guī)的MOA相比較
在TBP中采用間隙，使ZnO和間隙互為保護。間隙使ZnO的荷電率為零。不存在老化問題。ZnO良好的非線性伏安特性又使間隙放電后無截波、無續(xù)流，間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，提高了其壽命，壽命可達103次以上。信息整理：www.coffeeupcyclellc.com
帶串聯(lián)間隙的TBP由于充分利用了ZnO閥片的優(yōu)點，間隙無需滅弧。因此只需一個間隙而且結(jié)構(gòu)筒單．一個間隙的結(jié)構(gòu)使間隙分散度大的問題得到解決，一般由制造誤差引起的分散度在10%以內(nèi) 。另外，單間隙使放電值不再受外殼環(huán)境因素變化的干擾，放電電壓分散度在5%以內(nèi)。
TBP通過改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間瓷環(huán)村料的介電系數(shù)。使得其沖擊系數(shù)接近于l，也就是上升前沿為1.2 μs的沖擊電壓放電值和上升前沿為5ms的工頻電壓放電壓放電值一致。這樣。在操作沖擊電壓波形范圍內(nèi)(20us-50ms) 的任意波形電壓，放電電壓值均相等。
TBP采用四星形接線方式，可將相同過電壓大大降低。與常規(guī)的MOA相比．相間過電壓下降了60%-70%，保護的可靠性大為提高。另外，相對相、相對地保護電壓值低．可將操作過電壓可靠地限制在被保護設(shè)備的絕緣允許范圍內(nèi) 。而且在單相接地、間隙性弧光接地和諧振過電壓下可長期安全運行。
4.2 與阻容過電壓吸收器相比較
目前國內(nèi)在某些場合也采用阻容過電壓吸收器來限制操作過電壓。阻容過電壓吸收器的最大優(yōu)點是能緩和過電壓波頭的陡度。阻容過電壓吸收器的缺點是無明確的過電壓限制值且吸收過電壓的能量太小。
阻容過電壓吸收器在過電壓時吸收的能量為：
(10)
式中 Uo-------初始電壓
U---------限制電壓
對于本文所述的四星形接法的MOA，其過電壓吸收能量為：
Wz=_U-IT
式中l(wèi)t一2ms方波通流量
現(xiàn)假定限制電壓U為15KV。忽略阻容過電壓吸收器的初始電壓Uo并設(shè)C=0.1μF，ZnO閥片的電流為400A，由此可得出Wc=11.25J，Wz=12000J。阻容過電壓吸收的能量遠(yuǎn)小于TBP吸收的能量，如此小的Wc不能滿足限壓的要求，較小的開關(guān)截流值將引起電容器上的充電電壓超過限制值，在這一方面TBP顯然優(yōu)于阻容過電壓吸收器。
(1) TBP 中使用了間隙和 ZnO 閥片，兩者互為保護 。閥片存在老化問題，間隙使其荷電率為零，間隙在續(xù)流時易損壞。ZnO閥片使其無續(xù)流．兩種元件發(fā)揮各自優(yōu)點。
(2) TBP采用四星形接線方式．相間過電壓大大降低，與常規(guī)MOA相比。相間過電壓下降了60%-70%?？煽康乇Ｗo了被保護的設(shè)備。
(3) TBP 由于 ZnO 的良好性能．間隙動作后立即熄弧。無續(xù)流，無截波。間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)．通流量減小．且間隙結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)量最少．沖擊系數(shù)為l，放電電壓不隨放電波形變化而變化．保護性能優(yōu)良。
(4) TBP的相對相、相對地保護電壓值低，將操作過電壓可靠地限制在被保護設(shè)備的絕緣允許范內(nèi)。
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