劉 鵬，劉 海，郭思君
（1.十堰巨能電力集團，湖北十堰 442000；
2.蕪湖科越電氣有限公司，安徽蕪湖 241009）
3～66 kV 中壓電網作為企業主要的供配電方式，電網的質量與安全直接關系到企業供用電設備的安全以及供電的連續性，而供電質量最直接的表現形式是保證供電系統的電壓、電流在一個合理的范圍內。針對供電系統過電壓的防護從90 年代初的避雷器發展到如今，技術龐雜、產品眾多，而企業技術人員對過電壓防護技術缺乏深入的了解，很難做出針對性的、合理的選擇。產品選擇不當，過電壓的防護達不到預期的效果，甚至部分產品本身形成了新的故障點。而等電位的存在，過電壓防護不當往往“火燒連營”，導致多臺設備的燒損和大面積停電事故偶有發生，過電壓防護產品本身的事故也會導致故障的擴大化，給企業造成直接和間接的經濟損失。所以，根據企業供電網絡的特性制定合理的保護方案，并選擇針對性的產品，是十分必要的。
從上世紀80年代開始，隨著國民經濟快速穩定地發展，電力消費保持了高速增長的態勢，國家電網以及企業供電網絡快速擴大，對供電安全的要求也越來越高，隨之，保障電網安全運行的產品技術通過國外引進以及自主研發實現快速提升，其中，針對3～66 kV 中壓電網的過電壓防護技術也開始快速地更新換代，本文按照時間順序和產品技術的創新程度將其分為三個發展階段。
第一階段——傳統技術階段：1995 年之前，國內供電網絡以架空線路為主，運用少油開關進行開斷，適用于這種供電網絡，對過電壓的防護多是采用避雷器。
第二階段——獨立產品多元化發展階段：1995年至2005 年的十年，過電壓防護技術爆發式發展，避雷器發展到組合式過電壓保護器并逐步完善；
PT柜發展到消弧柜、抑制柜并逐步普及。這一階段的產品都是針對某一種故障而采取單一的防范措施，孤立運行，所以稱之為“獨立產品”。
第三階段——整體控制理論的提出與發展階段：2005 年國內首次提出等電位下的過電壓整體控制技術，過電壓防護技術上升到基于等電位下的整體控制階段。
2.1 技術來源
避雷器最早出現于19世紀末期，用于架空輸電線路，防止雷擊損壞供用電設備而導致供電中斷。20 世紀20 年代，出現了鋁避雷器、氧化膜避雷器和丸式避雷器；
30 年代出現了管式避雷器；
50 年代出現了碳化硅避雷器；
70 年代以后，隨著氧化鋅材料的應用，開始采用金屬氧化物避雷器，并沿用至今。
2.2 技術原理
金屬氧化物避雷器是利用ZnO 電阻的非線性限制雷電波產生的侵入過電壓，采用單柱式結構，連接在A、B、C 三相與地之間，早期的電網規模較小且多為架空線路，開關的開斷速度較慢，所以，過電壓的表現形只有雷擊產生的相對地過電壓，在此背景下，避雷器簡單實用。
2.3 性能分析
90 年代后期，隨著企業用電的大幅度增長，電網越來越大、電纜輸電增多、真空斷路器普及等，電網需要承受的不僅是外部的雷電過電壓，更多的是內部過電壓，包括操作過電壓、諧振過電壓、間歇性弧光接地過電壓等。因此過電壓防護，不僅需要限制電力系統中因雷電引起的過電壓，更需要限制系統內部過電壓。在此背景下，避雷器的應用范圍變窄，只適用于戶外架空線路。
1995 年至2005 年，國內工礦企業快速發展，電網迅速擴大，國外技術大量進入中國，各種因素導致國內的過電壓防護技術爆炸式發展，過電壓防護出現了很多新的理論，這一階段的產品技術歸納如下。
3.1 串間隙組合式過電壓保護器
3.1.1 技術來源
該技術是在80年代模仿前蘇聯的產品樣本，由國內技術人員仿造的，1995年以后逐步推廣。
3.1.2 技術原理
對過電壓防護全面性的要求，需要保護裝置具有相對地、相間同等的保護功能，如圖1 所示，對A、B、C、D（地電位）四個電位的六個電位差通過中性點M 設置AB、AC、BC、AD、BD、CD 六個放電通道，每個放電通道由氧化鋅電阻和放電間隙串聯構成，通過調整放電間隙和氧化鋅電阻的閾值，使得六個放電通道具有相對地、相間同等的過電壓限制作用。
圖1 串聯間隙過壓保護器
3.1.3 性能分析
串聯間隙的目的是利用間隙隔離電網電壓，減少ZnO電阻的泄漏電流，延緩ZnO電阻的老化，增加ZnO 電阻的使用壽命。但是，實際運行中擊穿爆炸的事故率很高，主要原因在于：①間隙放電對ZnO電阻沖擊導致擊穿；
②間隙的放電一致性差，導致ZnO 電阻擊穿；
③間隙分壓，ZnO 電阻減少40%左右，熱容量不夠導致的擊穿。④間隙的隔離，ZnO電阻無法緩和過電壓波頭的陡度、降低振蕩頻率，波頭陡度過大，將會使ZnO 電阻或設備的匝間絕緣擊穿。
3.2 無間隙組合式過電壓保護器
3.2.1 技術來源
2000 年前后，ZnO 電阻技術得到了很大的提升，泄漏電流可以做到＜5 μA，因為泄漏電流導致的ZnO 電阻老化問題得到解決，串聯間隙已不具備必要性。在此背景下，出現了無間隙組合式過電壓保護器。該技術最早見于2004 年第8 期《高電壓技術》的“3～66 kV 電力系統過電壓保護器的應用與發展”一文。
3.2.2 技術原理
無間隙組合式過電壓保護器原理如圖2 所示，延續了串間隙保護器的結構特點，但是，每個放電通道不再設置放電間隙，利用ZnO 電阻的物理特性實現對過電壓的限制。伏安特性如圖3 所示，在過電壓未達到U1mA之前，ZnO 電阻呈高阻狀態，ZnO 電阻的電容性及阻尼性可以緩和過電壓的波頭陡度并減緩振蕩頻率。當過電壓超過U1mA時，ZnO 電阻呈低阻狀態，利用其非線性對系統過電壓實現限制。
圖2 無間隙過電壓保護器
圖3 ZnO電阻的伏安特性曲線
3.2.3 性能分析
無間隙結構是一種不可逆轉的發展方向，問題的關鍵在于取消放電間隙后，能否保證ZnO 電阻長期安全地運行。
ZnO 電阻的殘壓比為：K1=U殘/U1mA；
荷電率：K2=Ue/U1mA。如果 K1取值 1.3，K2取值 0.75，Ue為 ZnO 電阻的工作電壓。根據圖2～3，以10 kV為例，可得Ue=
國家標準規定的10 kV 保護器，殘壓不大于25 kV，根據上述計算，在K1=1.3，K2=0.75，已經保留足夠安全系數的前提下，相間殘壓可以做到22.8 kV，所以，無間隙結構是安全的。該技術產品2001 年投入市場，經過20 年的運行檢驗，事故率不僅低于串聯間隙保護器，也低于傳統避雷器。
3.3 消弧柜
3.3.1 技術來源
2002 年中國電科院許穎在《電網技術》上發表“對消弧線圈‘消除弧光接地過電壓’的異議”一文，明確提出消弧線圈自動跟蹤補償裝置不可能"消除弧光接地過電壓"。在此背景下，《電力科學與工程》2002 年第4 期發表論文“電力系統弧光接地保護的研究”，這是首次公開的消弧柜理論。
3.3.2 技術原理
消弧柜原理如圖4，采用將弧光接地故障相直接金屬接地的原理，通過可分相控制的高壓斷路器JZ 與系統連接，正常工況下，JZ 觸頭全部斷開，系統按照中性點不接地的方式正常運行。發生單相間歇性弧光接地過電壓時，零序電壓上升，故障相電壓下降，健全相電壓震蕩上升。此時，斷路器JZ 將故障相的觸頭閉合，系統由間歇性弧光接地轉變為金屬接地，強制性將弧光消除，把過電壓限制在1.73UФ以下。
圖4 消弧柜基本原理圖
3.3.3 性能分析
消弧柜的原理簡單可靠，但是會導致系統缺相運行，甚至供電中斷。實際運行中消弧柜誤動頻繁，原因在于沒有考慮弧光接地的持續時間，對于持續時間不長，能夠自恢復的偶發性過電壓故障，消弧柜動作，又無法確定故障原因，形成一種“假誤動”，將事故擴大化。所以，消弧柜僅適用于對設備或人身安全保護要求較高，供電連續性要求不高的場所，比如金加工、農網等，而必須保證供電連續性的冶金、化工等大型工礦企業，應謹慎使用。
3.4 能量抑制柜
3.4.1 技術來源
由于消弧柜的缺相運行以及“假誤動”問題，2002 年出現了“高能ZnO 電阻用于發電機滅磁”的理論，應用于對電網過電壓能量的吸收，提出過電壓抑制柜的原理。
3.4.2 技術原理
原理如圖5、曲線配合如圖6 所示，利用高壓氧化鋅電阻（ZnO1）的限壓功能與高能氧化鋅電阻（ZnO2）的能量抑制功能，通過曲線的配合，實現過電壓峰值限制與能量吸收的組合保護，解決過電壓持續時間較長引起的保護器擊穿和消弧柜誤動等問題。
圖5 抑制柜原理圖
圖6 ZnO曲線配合
3.4.3 性能分析
抑制柜是通過ZnO 電阻的物理特性實現保護，可靠性高。關鍵在于ZnO 電阻的承受能量必須大于過電壓的能量，而過電壓的能量與過電壓峰值、電流、持續時間有關，假設10 kV 系統的電容電流為30 A，若要帶故障運行2 h，則需要480 路高能ZnO電阻并聯運行，成本太高，工藝復雜。因此，抑制柜的設計承受時間不能太長，根據運行測算，抑制柜只適合抑制持續時間不超過5 s 的過電壓，否則，會造成ZnO電阻的擊穿。
4.1 技術來源
前述的過電壓防范技術都是針對某一種過電壓或某個參數實施的單一保護措施，而等電位下的所有設備承擔的是同等的過電壓沖擊，獨立產品由于缺少參數的配合，導致動作值低的產品事故率偏高，動作值高的產品不能發揮作用，使保護的可靠性大大降低。
在此背景下，2005 年國內首次提出“等電位下的電網電壓整體控制技術”，經過10 年的完善與發展，《冶金動力》2015年第9期發表了“3～66 kV過電壓保護整體設置方案的探討”，自此，等電位下的過電壓整體控制技術開始廣泛的使用。
4.2 技術原理
過電壓對電網和設備的危害主要決定于過電壓峰值、波頭陡度和過電壓能量。因此，過電壓防護的基本原則就是限制峰值、緩和波頭陡度、抑制電壓突變的能量。
基本原理如圖7，按照等電位原則分布式設置無間隙過電壓保護器1，在過電壓發生的初始階段，利用ZnO 電阻緩和過電壓波頭的陡度；
過電壓達到U1mA值時，ZnO 電阻導通限制過電壓的峰值；
以母線段為單位設置能量抑制裝置2，用來抑制電壓突變的能量；
每個等電位系統設置能量泄放單元3，當電壓突變的能量超過抑制裝置的的設計承受能力時，將故障相金屬接地，實現過電壓能量的對地泄放。
圖7 基于等電位下的整體控制系統
4.3 性能分析
基于等電位的過電壓整體控制系統，引致于同一個電位的所有保護器參數配合一致，觸發條件按照系統中設備的絕緣耐受能力統一設置，動作一致，以同樣的阻抗處于并聯狀態，大大增加過電壓保護的通流能力和對過電壓能量的抑制能力。
每段母線設置的能量抑制裝置實現對過電壓能量的抑制，該等電位系統所有的能量抑制裝置處于并聯狀態，參數一致。
每個等電位系統設置一個能量泄放裝置，在長時間、大能量過電壓發生時實現過電壓能量的對地泄放。
有益效果是：多級保護設置，逐級實施，各保護單元參數配合，相互保護。同時，每級保護單元處于并聯狀態，參數一致，增加了保護的可靠性。可以大大減少過電壓對用電設備和保護設備的沖擊，避免形成積累性損傷和即時性擊穿，形成整體的一體化的保護系統。
（1）過電壓防護技術的發展，并不表示在先技術的過時，可能適用范圍變窄，但針對性更好。
（2）技術的更新、產品的增多，使得產品選擇更加細化，對供電網絡及用電設備的保護是有利的，需要企業技術人員根據供電網絡的特性和需求，做出正確的選擇。
（3）基于等電位下的整體控制系統能夠大大增加保護的可靠性，需要企業技術人員制定出完善的技術方案，做好產品的匹配。
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