由于電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中,可能受到大氣過電壓、操作過電壓的影響而干擾設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行或?qū)е略O(shè)備損壞,過電壓保護(hù)也一直是電力行業(yè)研究的一項(xiàng)重要課題。本文對數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)備的過電壓保護(hù)做了一些分析和研究,用于過電壓保護(hù)的保護(hù)裝置可對過電壓進(jìn)行有效抑制,效果顯著。

一、引言

在數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時,由于雷電過電壓(大氣過電壓)和內(nèi)部操作過電壓的影響,易引起用電設(shè)備地電位抬高,機(jī)殼地與電源之間形成很高的電位差,從而導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)過電壓引起的絕緣損壞。以上這些問題,會影響到電氣設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行,并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,高電壓試驗(yàn)設(shè)備的過流保護(hù)和電氣設(shè)備的過電壓保護(hù)問題研究變得尤為關(guān)鍵。

本文對過電壓保護(hù)做了一些分析、試驗(yàn)和研究,并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的保護(hù),針對雷電過電壓(大氣過電壓)和操作過電壓引起的電氣設(shè)備損壞問題,傳統(tǒng)的方法通常是采取限幅的方法,故障率相對而言較高,效果不太明顯,針對此情況,我們試驗(yàn)研究了過電壓保護(hù)的裝置,可利用運(yùn)行電壓和雷電波電壓以及操作波的頻率特性,采取限幅和濾波的方法對大氣過電壓和操作過電壓進(jìn)行有效抑制,以達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。

二、電力線路上產(chǎn)生影響運(yùn)行電壓幅值的因素

影響數(shù)據(jù)電氣設(shè)備安全運(yùn)行的因素很多，主要的因素是在運(yùn)行電壓上會出現(xiàn)一些超過運(yùn)行電壓幅值的干擾波所致;另外，也有電氣設(shè)備本身的絕緣老化，以及環(huán)境因素等的影響。

本文著重介紹電力線路上可能出現(xiàn)的超過運(yùn)行電壓幅值的因素，以及如何減少超過運(yùn)行電壓幅值的措施。

1.日常人們使用的市電及其波形、幅值

目前,人們正常使用的市電,運(yùn)行電壓為交流電壓單相AC220V(有效值)和三相線電壓AC380V(有效值)。其波形如圖1所示。

2.超過運(yùn)行電壓的波形

1)雷電壓波的波形

雷電是大氣中的自然現(xiàn)象,當(dāng)天空有雷擊形成時,雷擊中常帶有正電或負(fù)電的電荷,這些電荷與地球之間將會形成一定的電位差,在雷云與地球之間的電場強(qiáng)度超過空氣的耐電強(qiáng)度時，雷云就會向地面放電，這就會產(chǎn)生電閃雷鳴，也就是雷電放電。若雷電擊到電力線路或桿塔，就會產(chǎn)生很高幅值的電壓，由于雷擊積累的電荷很多，產(chǎn)生的雷電流很大，經(jīng)科學(xué)家們測到的雷電流可達(dá)幾十至幾百千安，可能會在輸電線上產(chǎn)生幅值很高的雷電波，其波形如圖2所示，幅值可達(dá)幾百千伏或幾兆伏。

2)操作波的波形

電力系統(tǒng)內(nèi)部,由于電力線路經(jīng)常會有一些投切的操作,如一些開關(guān)的開斷,一些空載線路的投入或切斷,大型變壓器的投入或斷開等,都會由于電容、電感的變化而造成電力線路電壓的升高,故稱之為操作波。其波形如圖3所示。

由于電力線路經(jīng)常進(jìn)行操作,且產(chǎn)生的超過運(yùn)行電壓的幅值數(shù)倍,所以對電力設(shè)備進(jìn)行過電壓保護(hù)是非常必要的。

三、過電壓保護(hù)裝置的設(shè)計

為了數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)備的安全運(yùn)行,不受雷電過電壓和操作過電壓的影響,我們研制了一種電氣設(shè)備安全保護(hù)裝置。本文將介紹該裝置的基本情況。

1)為了保護(hù)電氣設(shè)備的安全,對侵入電力線路的超過運(yùn)行電壓的幅值限制在安全電壓以下,即限幅的原理。

我國大部分電氣設(shè)備都采用限制過電壓幅值的方法，對于低壓電氣設(shè)備，一般都用壓敏電阻來實(shí)現(xiàn)，對高電壓的電氣設(shè)備，就用避雷器來實(shí)現(xiàn)。

壓敏電阻和避雷器就是一種有非線性特性的電阻,其伏-安特性如圖4所示。

當(dāng)運(yùn)行電壓小于非線性電阻的工作電壓時,在預(yù)擊穿區(qū),此時非線性電阻相當(dāng)于一個10MΩ以上的絕緣電阻,通過的電流很小,僅為微安級,可以看作開路。當(dāng)有高于正常運(yùn)行電壓的過電壓襲來時,通過該電阻的電流很大,可達(dá)幾十千安,但非線性電阻兩端電壓只有微小的變化,這樣就保護(hù)了電氣設(shè)備。目前我國大部分電氣設(shè)備都采用這種限幅的原理來進(jìn)行保護(hù)。

2)為了更好地保護(hù)電氣設(shè)備，還可利用運(yùn)行電壓和雷電波電壓和操作波的頻率特性，采取限幅和濾波的方法來保護(hù)電氣設(shè)備。

前面已經(jīng)提到電力線路上的運(yùn)行電壓的波形是頻率為50Hz的正弦波,而雷電波和操作波的電壓波,雖然幅值很高,瞬間能量很大,但它們的特點(diǎn)是變化速度比較快,并非周期性的波形。因此,可以采取濾波的方法,將這些變化速度很快的干擾波吸收掉,以達(dá)到保護(hù)電氣設(shè)備的目的。圖5是限壓和濾波型過電壓保護(hù)器(浪涌保護(hù)器)的原理圖。

3)為保證電氣設(shè)備安全運(yùn)行,還可以采取多級保護(hù)的方法。

四、過電壓保護(hù)裝置的試驗(yàn)

此限壓和濾波型過電壓保護(hù)器(浪涌保護(hù)器)參照GB/T11032-2010《交流無間隙金屬氧化物避雷器》[10]的要求,進(jìn)行了三項(xiàng)實(shí)驗(yàn):殘壓試驗(yàn)、長持續(xù)時間電流沖擊耐受試驗(yàn)(2ms,100A方波)、大電流沖擊耐受試驗(yàn)(4/10μs,20kA)。

1)殘壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示:

本次試驗(yàn)沖擊電流從試品電源輸入端(Li、Ni、Gi)輸入,殘壓從試品電源輸出端(Lo、No、Go)測量。

2)長持續(xù)時間電流沖擊耐受試驗(yàn)(2ms,100A方波)數(shù)據(jù)如表2所示:

本次試驗(yàn)標(biāo)稱電流下殘壓變化率為方波和大電流兩項(xiàng)試驗(yàn)完成后測量。

3)大電流沖擊耐受試驗(yàn)(4/10μs,20kA)數(shù)據(jù)如表3所示:

本次試驗(yàn)標(biāo)稱電流下殘壓變化率為方波和大電流兩項(xiàng)試驗(yàn)完成后測量。

從本電氣設(shè)備安全保護(hù)裝置的試驗(yàn)情況來看,保護(hù)效果非常顯著。

五、結(jié)論

在電能質(zhì)量受到一定污染的情況下,如雷擊、大型電力設(shè)備的啟動和停運(yùn)、自動開關(guān)的跳閘及重合,以及非線性負(fù)荷和沖擊性負(fù)荷等投運(yùn)對電能質(zhì)量有所污染的情況下,通過限幅和濾波的方法,能實(shí)現(xiàn)納秒級的過電壓保護(hù),有效提高電氣設(shè)備運(yùn)行的可靠穩(wěn)定性。隨著進(jìn)一步的分析和試驗(yàn)的不斷改進(jìn),已在過電壓保護(hù)方面取得了一定進(jìn)展,并應(yīng)用到實(shí)際工作中,其保護(hù)效果顯著,即安全可靠又經(jīng)久耐用,目前正在拓展到更多的領(lǐng)域去應(yīng)用。

作者簡介

倪梅娟(1976-),女,碩士,工程師,主要從事高壓變頻器產(chǎn)品的研發(fā)質(zhì)量、產(chǎn)品安全和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工作。

來源：《數(shù)據(jù)中心建設(shè)+》雜志

審核編輯：湯梓紅