过电压保护

过电压保护一，过电压的来源过电压可以按照它们的来源，能量，幅值来区分。通常可根据它们的来源分为四大类。(1),电源侧的过电压。来自交流电网入侵的大气过电压与操作过电压，通过电容器耦合和电磁感应传输到变压器的二次侧。变压器高压侧合闸瞬间，由于高压绕组与低压绕组之间的分布电容，低压绕组对铁芯之间的分布电容的耦合，都会在变压器的二次产生高电压，则低压侧可能感受高侧入侵电压的二分之一左右，特别是变比较大的变压器，低压侧感受的过电压倍数更高。此外，变压器高压绕组的漏抗与低压绕组的分布电容组成的振荡电路，在变压器合闸瞬间，即突然加上一个阶跃电压的瞬变过程中，也将产生过电压。（2），当从高压侧断开空载变压器时，如果没有足够大的能容器件来吸收变压器的磁场能量,激磁电流及与其成比例的磁通量突然消失，将使变压器绕组感应很高的瞬变过电压。此过电压最高可达正常反向峰值电压为4～5倍。因此必须采取措施来吸收储存在变压器磁场中的能量，以避免当断开变压器激磁电流时产生大能量的过电压冲击。另外，当整流装置的负裁被切除，或整流装置直流侧开关断开时，在交流电源回路的电感上，特别是整流变压器的漏抗上，将因电流突然中断而产生过电压。（3），换相过电压，（或称关断过电压）因整流元件导通时有积蓄效应，在电流迅速截断时，在电路中流过电感的电流会感应出高电压，。（4），直流侧挝电压。来自整流桥阻塞负向磁场电流通路引起的正向过电压，以及磁场励磁电流突然中断引起的反向过电压，二，过电压保护,（1）,变，配电站及所的过压保护，应在每组母线和每路架空进线上装设阀型避雷器，如果雷季经常有一路架空进线运行时母线上避雷器与主变压器的电气距离不宜大于15米，2路时不宜大于23米，3路时不宜大于27米，4路及以上时不宜大于30米，如各架空进线均有电缆段，避雷器与主变压器的最大电气距离不受限制。避雷器应以最短的接地线与变电站的主接地网连接。与架空线连接3～35千伏配电变压器，其3～35千伏侧应用阀型避器保护，保护装置应尽量靠近变压器装设，其接地线应与变压器低压侧中性点（或中性点不接地的电力网中，中性点的击穿保险器的接地端）以及金属外壳连在一起接地，多雷地区的3～10千伏和Y/Y接线的配电变压器，除在高压侧装设避雷器外，宜在低压侧装设一组220伏避雷器，440伏压敏电阻，或击穿保险，以防止反变换波和低压侧雷电侵入波击穿高压侧绝缘，接线如图，FB或GB310kv380/220v4～10MY或FB3～10KV，Y/YO变压器反变换防护接线MY—压敏电阻，低压中性点不接地的配电变压器中，应在中性点装设击穿保险器，接线图，FB或GB型MY或FB型4—10Ω3～10KV，Y/Y变压器反变换防护接线三，过电压保护方式和装置，目前在10KV以下的电器设备系统中装设的过电压保护经常采用的一些过电压保护措施，综合示意于下图，过电压的抑制措施及其配置综合示意图，（1～4RC—阻容保护），(1)，阻容吸收保护，利用电容器两端电压不能突变，而能储存电能的基本特性，可以吸收瞬间的浪涌能量，限制过电压。为了限制电容器的放电电流，降低可控硅开通瞬间电容放电电流引起的正向电流上升率dI/dt以及避免电容与回路电感产生振荡，通常在电容回路上串入适当电阻，从而构成阻容吸收保护。一般可抑制瞬变电压不超过某一容许值，作为交流侧，直流侧及硅元件本身的过电压保护。用于单相或三相交流侧，直流侧的过电压阻容保护如下图，阻容吸收保护的接线，（a）,单相整流的阻容保护；（b）三相整流的阻容保护；(c),并接于可控硅元件两端的阻容保护，310kv380/220v直流侧交流侧电源KB避雷器1RC2RC硒堆压敏电阻3RC4RCSCR硒堆压敏电阻KZBCCRRCRCRKZCRabc（2），交流侧阻容保护，一般按断开空载变压器时产生的能量冲击来选择阻容吸收保护的电容量。变压器折合到副方的空载等效激磁电感为，式中—变压器副方空载额定电压，V；折合到副方的激磁电流，A；（就是二次侧的空载电流），`电源频率，变压器的最大磁场能量为,J,若此磁场能量全部转换成电容器内的电场能量，使电容器C上的电容电压最高可达变压器副方额定电压幅值的K倍，则电容器应储存的最大电场能量为，J，式中C—电容单位，F，J—能量单位，K—是修正系数，一般取K值在1.3～1.5较为经济。取，可得电容量为C此式是理论上将变压器的全部磁场能量转换成电容器贮存的电场能量，而使电压不超过K倍时所需电容值。实际上断开变压器空载激磁电流时，电弧要消耗大部分能量（例如断开断路器触头断开电流，出现过电压时，电流已降低到激磁电流的20%～40%）。变压器铁芯及导线电阻上也损耗，变压器和进线电缆的对地电容以及各种寄生电容均有吸收作用，故实际选择阻容保护用的电容器量C比上式的计算的值要小通常约乘上0.2～0.4或更小一些的修正系数。至于容许电压升高的倍数，一般选取K值在1.3～1.5较为经济。基于上述考虑，由于可取不同的K值及修正系数，因此有不同系数的选择公式，例如；对单相桥式，有的公式取，C对三相桥式，有的公式取，C对三相半波，有的公式取，C所选电容器的额定电压，应不小于交流侧最高工作电压峰值的1.1～1.5倍。在选定电容器作为储存元件后，一般应串入耗能电阻，避免电容C与回路电感L产生串联谐振，应选择电阻值如下，R，但是电阻R的阻值不能选择过大。考虑变压器原方切断电流的瞬间，激磁电流，通过R在副方产生的电压，应低于容许的过电压值，即RΩ通常采用如下数值，RΩ,电阻的功率可取；W,为了避免可控硅在开通过程中，因交流侧阻容保护的放电电流流过可控硅管，而造成过大的电流上升率可能损坏可控硅元件，整流桥交流侧的阻容保护也可采用反向阻断式接线，反相阻断式阻容保护及综合阻容网络，当整流桥Z的交流侧发生过电压时，其直流侧的阻容保护可以吸收交流电源发生的浪涌电压，，以避免可控硅桥KZ承受过电压。而交流侧电压下降或短接时，由于整流桥Z的反向阻断作用，可以阻止电容器向交流侧的可控硅元件放电。其参考下列算式，计算电容，C，,ΩMΩ，ZR1C1C2R2KZUd式中—变压器每相漏感，（3）直流侧阻容保护若在直流侧装设阻容保护,来抑制交流侧的浪涌过电压，可参考下式选择阻容参数，对于单相桥式，可取,，,Ω对于三相桥式，可取70000,Ω电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压的1.1～1.5倍；当采用直流电容器时，电容器的额定电压一般取直流侧最高工作电压3～5倍。电阻功率取；,W,式中—纹波电压，一般取频率最低，幅值最高的谐波电压,V,—与对应的谐波频率，。反相阻断式阻容保护（或称去耦阻容保护）也可经过RC网络接于直流侧，如图中虚线所示，构成所谓综合阻容网络，同时兼作直流侧阻容保护。（4）关断过电压保护，为了防止硅元件关断过程引起的过电压，可以在每个硅元件的两端分别并接阻容保护，如下图所示，或者通过单相桥接入反相阻断式阻容保护，并尽量靠近被保护元件，引线宜短。电容Cb的参数选择与反相恢复电荷，而Q又与硅元件的额定正向平均电流有一定的关系，可按下式选择,一般对500A的整流元件可取1F，200～300A的取0.5F，100A的取0.25，20A的取0.1F，在此电容回路内串入电阻，是为了避免可控硅元件开通时，电容器放电电流的上升太高，也为了避免放电电流过大及在电感回路中产生振荡。电阻可按下式选择；,Ω,CbRbSCR式中—变压器漏感，—连线及桥臂电感H，通常电阻在5～50Ω间选用。电阻功率为，（1.5—2）W,式中—是硅件反相工作峰值电压，V。可控硅元件并接的阻容保护，除了起限制元件本身关断过电压作用外，对于多个硅元件串联的电路，还起动态均压作用，以及配合桥臂电感起限制正向电压上升率的作用。总之，阻容保护应用相当广泛，性能也可靠。但是正常运行时阻容保护的电阻消耗功率发热厉害，此外，阻容保护还有容易使波形畸变，以及作为大容量装置的保护时则体积过大等缺点，故在许多情况下，可采用压敏电阻浪涌吸收器，来代替交流侧或直流侧的阻容保护。（5）硒堆及压敏电阻浪涌吸收器在实际应用中，除上述阻容吸收保护之外，还有用硒堆装置或压敏电阻浪涌吸收器，以吸收种种浪涌电压的入侵。下面分别介绍这两种保护器件。1），硒堆吸收装置，硒堆由若干片掺入适当杂质的硒片，互相串联组成硒堆吸收环节，可以获得与齐纳二极管相似的转折特性如下图Ug和Ig是转折电压和电流，Ur和Ir是额定限制电压和电流，Um和Im是极限电压和电流，当外加电压超过转折电压时硒堆的反相电流则急剧增加，可抑制电压上升。如果浪涌电压的能量过大，使硒片出现击穿电流，由限制电压Ur上升到极限电压Um时，在硒片之间将有许多点发生击穿（放炮），从而引起的蒸发。但是吸收的浪涌电流流过之后，这些针剌状的小孔是可以自行恢复的，即有自愈特性。硒片击穿后自行恢复阻断能力，抑制浪涌电压的功能仍然保持，可继续安全工作。用于三相交流电源的硒堆保护，有三角形和星形两种接线。星形接法虽然每周期流过240反相电流，发热较大，但所用硒片数较少，现场多采用星形接法。每串硒堆的片数可按下式选择，n，式中—硒堆每片反向电压有效值，通常有20,25,30,40V等几级规格；—被保护电路的线间电压效值，V，U(v)ImI(A)UgIgUrIrUm硒片的面积根据需要吸收的能量来确定。不同尺寸硒片的吸收能力实际上与通过的峰值电流有关。例如，硒片吸收变压器空载激磁电流时，由于该电流的波形远不同于正弦波，故可近似地取通过硒片峰值电流为，IA，硒片可吸收变压器磁能的一部分，变压器磁能为J，式中—变压器的额定容量，VA，—空载激磁电流标么值。根据通过的峰值电流，以及每片硒片应吸收能量，可以从厂家提供的硒片能量吸收曲线，查得适当接近的硒片尺寸。若缺乏上述曲线，大致上可按硒片允许吸收的电流密度为2A/来选用。通常用6060或100的硒片。生产的20V的低压硒片，特性较好，吸收的浪涌电流较大，例如可达5A/。但使用低压片串联的片数较多，更增大体积采用硒堆作为吸收浪涌电压的保护环节，在正常工作电压下运行时，基本上不吸收多大的功率，发热量小，使用上具有组合的灵活性，这是它的优点。在大容量整流装置的保护中，其体积可能比阻容保护要小，但与压敏电阻作成的保护器件比较，体积仍显得过大，且容易受潮从而使特性改变。2),压敏电阻浪涌吸收器，压敏电阻是由金属氧化物烧结制成的压敏电阻（对电压很敏感的非线性电阻），是一种多晶的半导体陶瓷器件，它具有很高非线性系数，通流及耐受能量力很大。用这种元件做成的所谓压敏电阻浪涌吸收器，具有良好的吸收浪涌抑制过电压的功能。压敏电阻的主要成分是氧化锌，在氧化锌中加入微量的氧化铋，氧化钴，氧化锰，氧化锑等杂质，烧结制成多晶陶瓷结构。这些晶粒之间的境界层具有硅稳压管那样的非线性特性。在正常电压下，境界层呈高电阻状态，只有极其余微弱的泄漏电流。当发生浪涌过电压时，境界层便迅速变为低电阻抗，使浪涌电流通过。至于氧化锌晶粒则是良导体，电阻很低，具有很大的热容量。整个压敏电阻承受的电压。由境界层的串联数来控制，通流容量（浪涌承受量）则由它的面积来控制。因而原则上作出很高电压和很大通流容量的压敏电阻元件。这种压敏电阻浪涌吸收器，在工业的许多了领域中已广泛使用，以硒堆等非线性元件比较，有如下一些特点；(1,非线性系数大，残压低，抑制过电压的能力强，通过非线性元件的电流与电压呈高次方关系；IK式中K—器件常数。也有写成I形式的，C则表示通过1A电流时的该器件具有残压，—非线性系数，相当于该器件静态电阻与动态电阻的比值，即（/)。一般非线性系数在15～20，最高可达40～60，通常把持续通以直流或交流流峰值1mm时压敏电阻两端的电压定作标称电压。而把通过放电电流为100A或者35KA时在压敏电阻两端的电压或与标称电压之比称残作残压比（限压比），k或K现在高压高能的压敏电阻浪涌吸收器的残压比可以做到1.6～2.0，相应的值在16～31.7，值更时残压比可更小。（2，通流容量（浪涌承受量）较大。目前压敏电阻浪涌吸收器作为过电压保护，其能承受4/10或10/20的电流冲击