由于電氣設備在運行過程中,可能受到大氣過電壓、操作過電壓的影響而干擾設備的穩定運行或導致設備損壞,過電壓保護也一直是電力行業研究的一項重要課題。本文對數據中心電氣設備的過電壓保護做了一些分析和研究,用于過電壓保護的保護裝置可對過電壓進行有效抑制,效果顯著。

一、引言

在數據中心電氣設備穩定運行時,由于雷電過電壓(大氣過電壓)和內部操作過電壓的影響,易引起用電設備地電位抬高,機殼地與電源之間形成很高的電位差,從而導致電氣設備出現過電壓引起的絕緣損壞。以上這些問題,會影響到電氣設備的正常穩定運行,并帶來巨大的經濟損失。因此,高電壓試驗設備的過流保護和電氣設備的過電壓保護問題研究變得尤為關鍵。

本文對過電壓保護做了一些分析、試驗和研究,并實現了相應的保護,針對雷電過電壓(大氣過電壓)和操作過電壓引起的電氣設備損壞問題,傳統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,我們試驗研究了過電壓保護的裝置,可利用運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行有效抑制,以達到保護電氣設備的目的。

二、電力線路上產生影響運行電壓幅值的因素

影響數據電氣設備安全運行的因素很多，主要的因素是在運行電壓上會出現一些超過運行電壓幅值的干擾波所致;另外，也有電氣設備本身的絕緣老化，以及環境因素等的影響。

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

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.超過運行電壓的波形

1)雷電壓波的波形

雷電是大氣中的自然現象,當天空有雷擊形成時,雷擊中常帶有正電或負電的電荷,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度超過空氣的耐電強度時，雷云就會向地面放電，這就會產生電閃雷鳴，也就是雷電放電。若雷電擊到電力線路或桿塔，就會產生很高幅值的電壓，由于雷擊積累的電荷很多，產生的雷電流很大，經科學家們測到的雷電流可達幾十至幾百千安，可能會在輸電線上產生幅值很高的雷電波，其波形如圖2所示，幅值可達幾百千伏或幾兆伏。

2)操作波的波形

電力系統內部,由于電力線路經常會有一些投切的操作,如一些開關的開斷,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。

由于電力線路經常進行操作,且產生的超過運行電壓的幅值數倍,所以對電力設備進行過電壓保護是非常必要的。

三、過電壓保護裝置的設計

為了數據中心電氣設備的安全運行,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備安全保護裝置。本文將介紹該裝置的基本情況。

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

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

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。

當運行電壓小于非線性電阻的工作電壓時,在預擊穿區,此時非線性電阻相當于一個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。當有高于正常運行電壓的過電壓襲來時,通過該電阻的電流很大,可達幾十千安,但非線性電阻兩端電壓只有微小的變化,這樣就保護了電氣設備。目前我國大部分電氣設備都采用這種限幅的原理來進行保護。

2)為了更好地保護電氣設備，還可利用運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電氣設備。

前面已經提到電力線路上的運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,以達到保護電氣設備的目的。圖5是限壓和濾波型過電壓保護器(浪涌保護器)的原理圖。

3)為保證電氣設備安全運行,還可以采取多級保護的方法。

四、過電壓保護裝置的試驗

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

1)殘壓試驗數據如表1所示:

本次試驗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)長持續時間電流沖擊耐受試驗(2ms,100A方波)數據如表2所示:

本次試驗標稱電流下殘壓變化率為方波和大電流兩項試驗完成后測量。

3)大電流沖擊耐受試驗(4/10μs,20kA)數據如表3所示:

本次試驗標稱電流下殘壓變化率為方波和大電流兩項試驗完成后測量。

從本電氣設備安全保護裝置的試驗情況來看,保護效果非常顯著。

五、結論

在電能質量受到一定污染的情況下,如雷擊、大型電力設備的啟動和停運、自動開關的跳閘及重合,以及非線性負荷和沖擊性負荷等投運對電能質量有所污染的情況下,通過限幅和濾波的方法,能實現納秒級的過電壓保護,有效提高電氣設備運行的可靠穩定性。隨著進一步的分析和試驗的不斷改進,已在過電壓保護方面取得了一定進展,并應用到實際工作中,其保護效果顯著,即安全可靠又經久耐用,目前正在拓展到更多的領域去應用。

作者簡介

倪梅娟(1976-),女,碩士,工程師,主要從事高壓變頻器產品的研發質量、產品安全和產品標準工作。

來源：《數據中心建設+》雜志

審核編輯：湯梓紅