CN105071366A - 一种复合式电网电压抑制装置 - Google Patents

Abstract

一种复合式电网电压抑制装置，属于电力电网自动控制领域；本发明要解决的技术问题是提供一种抑制电网电压波动的组合装置，该装置不仅能够实现对电网电压突变峰值的抑制，而且大大提高保护装置的能量承受能力，将高压氧化锌非线性电阻承受电压峰值和电压波头陡度冲击的能力与高能氧化锌非线性电阻吸收过电压能量的能力和谐统一，大大提高供电网络过电压保护的安全可靠性，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设置保护单元1和保护单元2，保护单元1采用高压氧化锌非线性电阻，保护单元2采用高能氧化锌非线性电阻，利用高压氧化锌电阻的抗冲击能力和高能氧化锌电阻的高储能性实现一种复合式的过电压抑制装置。

Description

一种复合式电网电压抑制装置

技术领域

本发明涉及一种抑制电网电压波动的组合装置，尤其是针对400V到35kV供电网络各种过电压的复合式抑制装置。

背景技术

目前，公知的针对电网电压的保护抑制装置主要包括无间隙金属氧化物避雷器、串联间隙组合式过电压保护器、无间隙组合式过电压保护器、分级保护的组合式过电压保护器。

无间隙金属氧化物避雷器七十年代开始在供电系统大量采用，至今仍然是供电系统最常采用的过电压防范设备之一，基本原理是分别在供电网络的A相、B相、C相与大地之间串接一个氧化锌非线性电阻，利用氧化锌非线性电阻的非线性伏安特性对该相产生的相对地之间的过电压进行限制。这种无间隙金属氧化物避雷器的设计思路是为了防范供电网络遭受雷击时产生的单相对地过电压，众所周知，供电网络的供电安全不仅仅是相对地的安全性，也包括供电网络及其用电设备相与相之间的安全性，特别是九十年代以后，供电网络的断路器主要采用真空断路器，真空断路器分断速度快、灭弧能力强，在开断电感负荷时有可能不是在电流经过工频零点时熄弧，而是在电流瞬时值尚为i时，被迫在极短的时间内下降到零，从而产生截流过电压和三相同时截流过电压，另外开断后还会产生高频振荡，使断路器发生多次重燃过电压。无论是截流过电压、三相同时截流过电压还是重燃过电压，主要表现为相间过电压，那么，无间隙金属氧化物避雷器对这种内部过电压就无法起到保护作用。

在此背景下，九十年代中期，国内供电系统开始采用组合式过电压保护器。组合式过电压保护器包括串联间隙组合式过电压保护器、无间隙组合式过电压保护器、分级保护的组合式过电压保护器。

专利号ZL932035027三相组合式过电压保护器公开了一种串联间隙的组合式过电压保护器，由四条保护支路构成，四条保护支路的一端电连接形成中性点，自中性点成射状连接四条保护支路，每条保护支路由放电间隙和氧化锌非线性电阻串联连接。四条保护支路的另一端点分别连接被保护设备的A相线、B相线、C相线以及地线G。采用本发明可使得相间过电压保护值与每相对地的过电压保护值相等，解决了避雷器解决不了的相间过电压倍数过高的问题。

专利号ZL98249448.3三相过电压保护器又公开了一种组合式过电压保护器。它由四条保护支路和壳体构成。四条保护支路的一端连接在一起，形成中性点，另一端分别与被保护设备的A相线，B相线，C相线和地线G相连接。与A、B、C相线连接的保护支路分别由氧化锌非线性电组和放电间隙串联组成，与地线G相连接的保护支路由氧化锌非线性电阻组成。

专利号ZL201320496346.6有间隙高能过电压吸收装置公开了一种有间隙高能过电压吸收装置，涉及避雷装置技术领域，其特征在于：包括A、B、C、D四个单元，所述的四个单元都是由一个氧化锌非线性电阻与一个间隙体进行串联，四个单元在间隙体的外侧进行电连接，所述的A、B、C三个单元在氧化锌非线性电阻的外侧与三相电连接，所述的D单元在氧化锌电阻的外侧接地连接。

无间隙组合式过电压保护器由四条保护支路构成，四条保护支路的一端电连接形成中性点，自中性点成射状连接四条保护支路，每条保护支路由氧化锌非线性电阻组成。四条保护支路的另一端点分别连接被保护设备的A相线、B相线、C相线以及地线G。解决了串联放电间隙带来的分散度过大的问题，

专利号ZL022385282一种组合式过电压保护装置公开了一种分级保护的组合式过电压保护装置，包括A、B、C、D四个保护单元，四个保护单元一端连接在一起，形成悬浮电位M，保护单元A、B、C的另一端与被保护设备的三相电源进线端电连接，保护单元D的另一端与接地线电连接。其特征是：保护单元A、B、C结构相同，由分压电阻FR2和一对放电电极FD并联组成组合间隙SG，组合间隙SG与氧化锌电阻FR1串联。保护单元D仅由氧化锌电阻FR1组成。有益效果是，可以解决无间隙过电压保护器在保护弱绝缘设备时荷电率无法满足要求的问题；避免串联放电间隙所带来的不利影响，使氧化锌电阻的非线性特性得到充分发挥。

目前，所有已知的应用于供电网络的过电压保护装置，都是采用高压氧化锌非线性电阻实现对电网电压的抑制与保护，高压氧化锌非线性电阻对于抑制过电压的峰值和限制过电压波头陡度具有较好的承受能力，问题在于，高压氧化锌电阻对于过电压产生的能量突变承受能力较小，结果就会导致过电压保护装置能量超出设计承受能量而击穿损坏，甚至爆炸，这种故障近年来发生几率很高，无法满足电网日益扩大导致的过电压几率升高和社会对供电质量要求不断提高的需求。

供电网络发生过电压的原因多种多样，由于发生过电压的原因不同，产生的过电压持续时间不同、峰值不同、波头陡度不同，所以，能量也不一样，而已知的过电压保护装置是在避雷器的基础上发展而来的，设计目的都是为了针对瞬时性过电压，主要通过限制过电压的峰值实现对电气设备的保护，但是，由于过电压持续时间的不确定性，过电压产生的能量是不一样的，当过电压的能量超出过电压保护装置的设计承受能量时，就会导致保护装置的击穿，进而形成大电流，这样在保护装置的内部就会形成热积累，热积累达到一定程度就会造成保护装置的热崩溃，也就是通常所说的爆炸。已知的保护装置不论是避雷器还是组合式过电压保护器，都是针对系统的脉冲过电压，如雷电侵入波过电压、操作过电压，这种保护原理能够限制过电压的峰值，无间隙避雷器和组合式保护器也能够缓和过电压波头的陡度，但是，承受过电压的能量很小，一旦能量超出保护装置的设计承受能力，就会击穿爆炸。

发明内容

为了解决现有过电压保护装置保护功能简单、对过电压的能量承受能力不足的缺点，本发明提供一种复合式电网电压抑制装置，该装置不仅能够实现对电网过电压保护的全面性，实现对电网电压突变峰值的抑制，而且大大提高保护装置的能量承受能力，将高压氧化锌非线性电阻承受电压峰值和电压波头陡度冲击的能力与高能氧化锌非线性电阻吸收过电压能量的能力和谐统一，大大提高供电网络过电压保护的安全可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设置保护单元(1)和保护单元(2)，保护单元(1)采用高压氧化锌非线性电阻，保护单元(2)采用高能氧化锌非线性电阻，保护单元(1)与保护单元(2)并联安装。保护单元(1)的直流1mA电压参考值低于保护单元(2)的直流1mA电压参考值，保护单元(1)的残压比高于保护单元(2)的残压比，保护单元(1)的非线性伏安特性曲线与保护单元(2)的非线性伏安特性曲线在某一定值I₀处形成交叉。利用高压氧化锌非线性电阻的抗冲击能力和高能氧化锌非线性电阻的高储能性实现一种复合式的过电压抑制装置。

本发明的特征就是设置不同的保护单元，其中保护单元(1)针对系统的过电压峰值和过电压波头的陡度，保护单元(2)针对过电压的能量，两个保护单元可以组合成一个保护装置，也可以分别构成不同的保护装置，安装在供电网络的不同位置，使供电网络形成一个保护体系。

本发明所采用技术方案的工作原理是，第一阶段，当过电压的峰值低于保护单元(1)的直流1mA电压参考值U_1mA时，保护单元(1)和保护单元(2)都处于高阻状态；第二阶段，当过电压的峰值高于保护单元(1)的直流1mA电压参考值U_1mA但低于保护单元(2)的直流1mA电压参考值U′_1mA时，保护单元(1)动作导通，保护单元(2)仍处于高阻状态；保护单元(1)限制过电压的峰值，缓和过电压波头的陡度，承受瞬时性过电压的能量，将过电压峰值限制在用电设备绝缘承受能力范围以内；第三阶段，随着过电压峰值的升高，当过电压峰值高于U′_1mA但低于U_I0时，保护单元(2)导通，此时，保护单元(1)与保护单元(2)都处于导通状态，保护单元(1)中通过的电流大于保护单元(2)中通过的电流；第四阶段，当过电压峰值升高到U_I0时，达到保护单元(1)伏安特性曲线与保护单元(2)伏安特性曲线的交叉点，保护单元(1)与保护单元(2)通过的电流都为I₀；随着过电压的进一步升高，保护单元(2)通过的电流快速增大，而保护单元(1)通过的电流增大缓慢，保护单元(2)通过的电流远远大于保护单元(1)通过的电流，将过电压产生的突变能量通过保护单元(2)进行吸收抑制。

如此设置，将限制过电压峰值与抑制过电压能量分别由伏安特性曲线不同的两个保护单元分别承担，利用两个保护单元中不同的氧化锌非线性电阻，由高压氧化锌非线性电阻单元进行过电压峰值的限制和过电压波头陡度的缓和，由高能氧化锌非线性电阻单元进行过电压能量的吸收与抑制。

本发明的有益效果是：分别利用不同的氧化锌非线性电阻对过电压进行分层次处理，对过电压峰值、波头陡度与过电压的能量抑制采用不同的保护单元进行处理，两个保护单元利用其物理特性，在伏安特性曲线达到I₀时，实现物理性交接，避免已知的过电压保护装置造成的过电压能量超出保护装置的设计承受能力而发生的击穿崩溃和爆炸，对用电设备的保护性能大大提高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的电路原理图

图2是本发明的基本组合图

图3是本发明保护单元(1)和保护单元(2)的曲线配合图

图4是本发明在供电系统实现相对地过电压保护的一个实施例

图5是本发明的两个保护单元分别安装在用电设备前端和母线上，并实现配合的一个实施例

图6是本发明在供电系统实现相对地和相间过电压全面保护的一个实施例

图7是本发明在供电系统实现A、B、C、地四个电位分别设置六个放电通道的一个实施例

具体实施方式

1.如图1所示，设置保护单元(1)和保护单元(2)，保护单元(1)采用高压氧化锌非线性电阻，保护单元(2)采用高能氧化锌非线性电阻，保护单元(1)与保护单元(2)并联安装。保护单元(1)的直流1mA参考电压与被保护设备的绝缘耐受能力配合，保护单元(2)的直流1mA参考电压高于保护单元(1)的直流1mA参考电压，保护单元(2)的伏安特性曲线残压比低于保护单元(1)的伏安特性曲线，保护单元(2)的能量大小根据供电网络需要承受过电压的时间设置。

如图2所示，保护单元(2)是通过若干个高能氧化锌非线性电阻通过串并联组成。

如图3所示，曲线(3)是保护单元(1)的伏安特性曲线，曲线(4)是保护单元(2)的伏安特性曲线，保护单元(2)的直流1mA参考电压U′_1mA高于保护单元(1)的直流1mA参考电压U_1mA。保护单元(2)的残压比低于保护单元(1)的残压比，所以伏安特性曲线(4)较伏安特性曲线(3)平缓，两曲线在电流达到I₀处实现交叉。当系统电压低于U_1mA时，装置呈高阻状态，当系统过电压达到U_1mA而低于U′_1mA时保护单元(1)导通，将系统电压钳制在曲线(3)的电压值；如果过电压进一步升高，高于U′_1mA而低于U_I0时，保护单元(1)和保护单元(2)同时处于导通状态，保护单元(1)通过的电流大于保护单元(2)通过的电流；当过电压升高到U_I0时，达到保护单元(1)与保护单元(2)伏安特性曲线的交叉点I_O，两个保护单元通过的电流相等；随着过电压的进一步升高，保护单元(2)通过的电流快速增大，将系统电压钳制在曲线(4)的电压值，大电流主要通过保护单元(2)的高能氧化锌非线性电阻，而保护单元(1)通过的电流增加缓慢。如此设置，过电压上升阶段的电压峰值和波头陡度的冲击由保护单元(1)承担，而电压平缓后的大能量主要由保护单元(2)吸收，对过电压冲击的限制和能量吸收分别由两个保护单元配合完成，使保护的可靠性和保护装置自身的安全性大大提高。

如图4所示，是本发明的一个实施例，由本发明的两个保护单元组合成一个保护装置，安装在三相电的各相与地之间，限制三相对地产生的过电压。

如图5所示，是本发明的另一个实施例，保护单元(1)与保护单元(2)作为独立的保护单元使用，保护单元(1)安装在用电设备前端，保护单元(2)安装在母线上，保护单元(1)主要针对用电设备承受的瞬时性过电压进行限制保护，保护单元(2)作为后备保护，对过电压产生的能量进行吸收，两个保护单元按照图3所示的伏安特性曲线实现保护的配合。

如图6所示，是本发明的又一个实施例，保护单元(1)和保护单元(2)组合后作为一个元件，分别组合成四个保护支路，四个保护支路的一端电连接形成中性点O，另外一端分别连接三相电的A、B、C三相和地D，形成AB、AC、BC、AD、BD、CD六个放电通道，分别对三相电的相与相之间和相与地之间的过电压进行防护。

如图7所示，是本发明另外一个实施例，保护单元(1)和保护单元(2)组合后作为一个元件，分别组合成六个保护支路，六个保护支路分别安装在三相电与地之间，每个保护支路分别形成一个放电通道，对AB、AC、BC、AD、BD、CD之间产生的过电压进行防护。

鉴于以上示例，能够清楚可以按照多种方式实现本发明的实施示例，还能够清楚本发明不限于本文的示例，而是可以在权利要求的范围内，按照任意形式实施本发明。

Claims (6)

1.一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：包括保护单元1和保护单元2，保护单元1与保护单元2并联安装，保护单元1由高压氧化锌非线性电阻组成，保护单元2由高能氧化锌非线性电阻组成，保护单元(2)的直流1mA参考电压高于保护单元(1)的直流1mA参考电压，保护单元(2)的残压比低于保护单元(1)的残压比，二者的非线性伏安特性曲线在某一定值I₀处实现交叉。

2.根据权利要求1所述的一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：当过电压升高到U_I0时，保护单元(1)与保护单元(2)通过的电流同为I₀。

3.根据权利要求1和2所述的一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：当过电压大于U_I0时，保护单元(2)通过的电流快速增大，保护单元(1)通过的电流增加缓慢，保护单元(2)通过的电流大于保护单元(1)通过的电流。

4.根据权利要求1至3所述的一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：保护单元(1)与保护单元(2)可以组合成一个独立的保护装置，也可以组合后作为装置中的一个元件。

5.根据权利要求1至4所述的一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：保护单元(1)和保护单元(2)可以分别作为独立单元布置在电网不同的位置，通过曲线的配合实现保护单元(1)和保护单元(2)的顺序动作。

6.根据权利要求1至5所述的一种复合式电网电压抑制装置，其特征在于：保护单元(2)的能量大小根据供电网络需要承受过电压的时间设置，保护单元(2)的能量设置通过若干个高能氧化锌非线性电阻的串并联实现。