電爐變壓器真空開關截流過電壓動態分析

摘 要：本文從真空開關的工作原理出發，詳細分析了真空開關的熄弧機理及由截流現象造成電弧爐變壓器截流過電壓的現象，并進行了理論推算，結合截流過電壓的實際檢測數值，提出了抑制電爐變壓器的截流過電壓的必要性，對從事該專業的電力工作者具有一定的參考意義。

關鍵詞：電弧 真空開關 截流 過電壓

中圖分類號：TM924.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）10（a）-0092-04

1 截流現象及其重要性

在現代冶金系統中，大容量超高功率電弧爐煉鋼生產技術已得到廣泛應用，變壓器采用真空開關操作已相當普遍。但真空開關造成操作過電壓的危害不容忽視?，F就國內某鋼鐵廠煉鋼用電弧爐變壓器動態過程進行分析，該電弧爐變壓器有三個繞組組成，爐變的三次側采用ZN—35/1000的真空開關斷路器進行操作，由于在正常使用中繞組絕緣遭到破壞，對于操作過電壓及其后果引起了高度重視。分析如下。

1.1 高壓開關的截流現象

真空開關較老一代開關具有良好的開斷能力。在開斷過程中，將使開斷電流提前過零，發生電流折斷現象。因為被切斷對象電感值較大，電流值雖小，但仍將具有較大的電磁能量。在電流折斷強迫過零后，存儲在電感上的電磁能量將使電氣回路產生高頻振蕩，出現過電壓，強熄弧能力的真空斷路器在開斷電流的有效值小于一定的臨界值時（一般在10A左右）會出現顯著的電流波折斷提前過零的現象，而在開斷電流大于一定值后，這種現象就會消失。這是因為大電流形成足夠強的電弧，因此不能在電流過零前突然降到零值。當電流波被強迫折斷提前過零時，折斷處的瞬時電流值一般稱為截流值，這種強迫電流折斷提前過零的現象一般稱為截流現象。

1.2 分析和認識真空開關截流過電壓的重要性

真空斷路器的截流現象較高壓供電系統中其它斷路器尤其容易發生，而隨之產生的過電壓將會有很高的數值，它將對系統和電感性負載的絕緣造成嚴重的威脅，某公司25000kVA電爐變壓器是75噸電爐系統的重要組成部分，也是設備系統安全運行的薄弱環節，充分認識和分析真空開關產生截流過電壓的現象和實質，對合理采用限壓措施，保證爐變正常的絕緣性能，提高爐變的使用壽命，減少爐變的事故發生率，具有重要意義。

2 真空開關產生截流現象的機理

真空開關是一種新型的電力開斷設備，由于它具有體積小，適于頻繁操作，折斷容量大和沒有火災和爆炸的危險等優點，被越來越廣泛地使用在電力系統中，隨著電真空技術與導電材料的不斷發展，它將逐步取代老一代開關設備。

2.1 常用高壓油斷路器的熄弧原理

油斷路器的熄弧過程主要由兩部分組成，一是觸頭及觸頭間介質中的自由電子在電場力的作用下，以較大的動能不斷撞擊介質中的中性原子而發生撞擊游離，當電子和離子的游離達到一定程度時，觸頭間隔被擊穿而形成電弧。二是電弧本身表面溫度可達3000～4000℃，而弧柱中心可達11000℃以上的高溫，這種高溫使介質發生熱游離，電弧將持續下去，電流照常通過電弧而繼續存在。在產生上述兩種游離的同時，電子和離子的“復合”現象形成中性的不帶電物質，溫度越低，這種“復合”現象越強烈。因此，油中電弧是靠高壓低溫氣流（H2為主）拉長冷卻電弧，致使電子離子的復合現象大于游離現象，使弧隙間絕緣迅速恢復，導致電弧熄滅。油中電弧的熄滅大多在電流過零點時完成，出現電流折斷機會并不顯著。

2.2 真空中的電弧理論

真空斷路器是在一定的真空度下工作，對于電弧具有顯著的熄弧性能，真空中的電弧主要是由觸頭材料本身放出的金屬蒸汽形成的。真空中的導電機理有三種說法。

一是電場放電說：認為觸頭表面不論加工的如何平滑，從微觀上看，仍有很多鋒利不平的突起，其尖端電場是宏觀電場的幾百倍，使突起上產生電場放電，產生的焦耳熱量使突起部位熔化而放出金屬蒸汽，又由于電子碰撞而導致真空絕緣擊穿。

二是粒子交換說：認為觸頭間在電場的作用下，從陰極放出的電子加速并轟擊在陽極上，從陽極產生的正離子或光子，再受電場的作用，加速后又打在陰極上，反復進行導致真空絕緣擊穿。

三是微粒說：認為觸頭表面上附著有塊狀的微粒，當受到電場力的作用而從表面脫落，微粒被加速后向對面的觸頭進行轟擊，轟擊時被加熱稱為金屬蒸汽，而向觸頭間放出并電離，從而造成真空絕緣擊穿。

2.3 真空及其它介質的絕緣恢復特性

真空中的電弧，是由金屬蒸氣電離后形成的。因此，真空電弧明顯受到觸頭材料影響。真空斷路器的觸頭大多使用銅質合金，它在10kA以下形成的電弧，弧壓較低，但電弧電流的不穩定是真空電弧的重要性質。真空開斷能否成功，關鍵在于電流零點附件的絕緣恢復速度是否比電壓上升的快。

如圖1所示，曲線（a）表示能成功熄弧，曲線（b）表示不能成功熄弧。下面比較一下真空斷路器，油斷路器（以H2為主要絕緣介質）SH6斷路器的絕緣恢復特性。

從圖2看出，真空中的絕緣恢復速度較其它介質要快得多，其開斷能力也最為顯著，由于恢復電壓上升速率快，對高頻電流的開斷更能發揮其優越性。真空中絕緣恢復快的主要原因是，燃弧過程中金屬蒸氣的電子和離子能以很短時間擴散，并被吸附到觸頭和屏敞罩表面所致。

由于真空斷路器有較快的絕緣恢復特性，因此就具備了良好的開斷性能，特別在開斷10A以下小電流時，電流折斷即截流現象尤為明顯，這是由于絕緣恢復特性所決定的。

2.4 真空中的截流過程

真空中的截流過程由兩部分組成：一是當電流下降時，從觸頭放出的金屬粒子不斷減少，當不能維持電弧所需的粒子密度時，形成不穩定的高頻振蕩電流，用I0表示。二是工頻電流繼續下降，觸頭間金屬蒸氣壓降低及迅速擴散作用，導致電流折斷，此時電流值用Ic表示截流過程如圖3所示。

截流值Ic的大小同觸頭材質蒸氣壓關系很大，而且同真空開關的開斷能力相矛盾，即截流值越小的材料，其開斷性能也隨之降低。因此，真空開關的觸頭材質由特殊合金做成以適應不同要求，另外也應注意到由于真空開關的開斷機理不同于其它開關，所以真空開關所發生的截流機會即截流概率值也明顯高于其它開關。

3 25000kVA電爐變壓器的等值電路

3.1 25000kVA電爐變壓器的結線原理

該變壓器的組成包括主變和串變兩部分，原理結線圖如圖4。

3.2 截流過電壓的物理過程

由真空開關引起爐變截流過電壓的主要物理過程是，當爐變各繞組處于正弦穩態時，在繞組中存藏了磁場能量WL。當用真空開關空載操作爐變時，串變鐵芯的磁鏈變化率發生了較大變化，所以磁場能量主要儲存于串變主繞組中，由前述可知，發生截流現象時，存在有不穩定電流Io，它是一個高頻變化的電流。因爐變本身對地存在分布電容，它的等值電容CT由爐變對地雜散電容Co，匝間縱向電容CK，各繞組間雜散電容及電纜對地電容等組成。一般變壓器額定電壓越高，容量越大，等效電容CT也越大，通常CT在幾千PF之間，在工頻情況下容抗遠比勵磁電抗為大。因此可近似認為是感性電路，變壓器在空載情況下，如不計損耗，空載電流可近似認為是勵磁電流，其值在冷軋硅鋼片時為1%左右。當真空開關發生截流現象時，其感性回路中的貯能為IOLT而此電磁能量不能發生突變，它對等效電容CT迅速放電，因CT值較小，使等值電容CT兩端電壓急劇上升，可達很高數值，對變壓器的絕緣將造成嚴重威脅。

3.3 等效電路圖

為分析計算方便，可把圖4等效為如下單相等值電路（如圖5）。

圖中：ZN為真空開關；

Is為ZN閉合時，流過的穩態電流，開斷前可視為一電流源。

Is=Im sin（wt+φ）

Im為串變一次側勵磁電流幅值；

φ為開關截流相角，其值為一隨機數；

CT為串變等值電容；

RT為變壓器的損耗電阻（鐵損、銅損）；

LT為串變等效勵磁電感；

LS為到真空開關引出線電纜的電感；

Cb為到真空開關引出線電纜的對地電容。

4 分析計算

4.1 截流過電壓的頻率

真空斷路器ZN在斷開回路過程中，由前述知，能隨機的發生電流折斷現象，其折斷電流值為IC，此時，電感LT中的電流值就等于IC。由電路原理知，ZN開斷后的右半部分為一零輸入的二階線性LC振蕩回路，由初始能量Ic2LT在電容電感中進行能量交換，它的動態方程為：LTCT+uc=0

設UC（t）=kest

代入上式得LTCTKS2est+Kest=0

（LTCTS2+1）Kest=0

原動態方程的特征方程為：

LTCTS2+1=0

解出S12=±i為共軛復數，表明系統具有震蕩性。

振蕩角頻率W0=所以自有振蕩頻率fo==

4.2 計算折斷電流最大值

當二次側開路時，因等效電容CT的容抗遠大于串變感抗，即ic=0，流過ZN的電流即為勵磁電流IL

按串變最大容量11920kVA，工作電壓17.520kV求算則IL=Io%=Io%= =Io%×392.8

若勵磁電流百分數為0.5%（實驗值為0.8%）則=0.5%×392.8=1.97（A）。

勵磁電流峰值為：ILm=×IL=×1.97=2.79（A）。

從而可知，串變的空載電流具有較小值，真空開關發生截流的機會是明顯的。

4.3 推算過電壓公式

設真空開關開斷前瞬間在時刻t流過電感LT的電流為iL（t），LT兩端的電壓為UL（t），則在LT存儲的功率為：

p（t）=uL（t）·iL（t） uL（t）=L·

在時刻O～to期間儲存的電磁能為：

WL=∫0t0 P（t）.dt=∫0t0 uL（t）·iL（t）.dt=∫0t0 L··iL（t）.dt=∫0t0L·iL（t）.d iL（t）=∫0t0 L·d iL2（t）=L· iL（t）0t0

若iL（o），則t時刻儲能為：WL=LIL2（t）

同理電容CT的儲能為Wc=cu2c（t）

由于LC回路中的自由振蕩是按正弦方式變化的，所以，電感中電流變化規律為IL=Imsinφ，電容CT兩端電壓變化規律為：Uc=Umcosφ

Um為作用在串變上的電壓峰值；φ為截流相角。

將IL和Uc分別代入WL，Wc得：

WL=LT（Imsinφ）2 （磁場能）

Wc=CT（Umcosφ）2 （電場能）

由能量守恒原理，開關在時刻t發生截流時，磁場向電能轉換，當電容CT上暫態電壓達到最大值Uov時，，故電流CT，即這時全部磁場能量轉換為電容中的電能，故得：

CTUo2v=WL+Wc=LTIm2Sin2φ+CTUm2cos2φ

解出Uov=

考慮穩態激勵Um同電感電流幅值Im的關系有：

為工頻

由前知為自振頻率或將Im、fo代入uov式后得Uov=

=Um

所以過電壓倍數：

上式中并未考慮磁場能量轉換化為電磁能量的高頻振蕩過程中變壓器的鐵耗和銅耗，即等值電路RT中的損耗，如果考慮損耗引起的衰減，可在磁能WL項上乘以損耗系數ηm，另外考慮KO最大值Kom發生在=90°時，則過電壓倍數最大值為：

損耗系數ηm一般小于0.05，大型變壓器實測數據約在0.03～0.045左右，自振頻率與爐變的參數結構及引線方式有關。當開關熄弧能力越強，截流值Ic越大時，Kom越大。為實際計算Kom值，將

代入

=

同理發生在Φ＝90°時，損耗系數為ηm則：

＝

4.4 爐變的計算

一般變壓器的雜散電容CT為幾千PF，設該爐變對地等值電容：

CT=2000PF=2×103×10-12（F）

串變的勵磁感抗為：

U為串變額定電壓17.52kV；

S為串變額定容量11920（kVA）；

Io%為空載電流取值為：0.5%。

則kΩ

取損耗系數=0.03，則最大過電壓倍數為：倍

從而可知過電壓倍數還是比較高的，而且和變壓器的結構連接電纜長度等相關。

4.5 影響的因素

目前，按變壓器規范標準要求規定絕緣水平按三倍額定工作電壓來考慮的，因此，對爐變采取限壓措施也是必要的。

根據上述分析情況，爐變最大過電壓倍數主要與下列因素有關。

（1）截流值的大小，決定于開關的開斷水平。

（2）特性阻抗，等值電容CT越小，過電壓倍數越大。

（3）由于截流相角φ是一個隨機值，所以過電壓值具有統計規律性。

5 爐變過電壓的分布情況

爐變三次側同串變一次側單相等值電路如圖6。

電纜在操作波（高頻振蕩）作用下，應看作等效對地電容。如圖7。

分兩種情況考慮，一是由基本繞組直接向串變供電，這時Cm同CT并連，35kVA電纜長度約為30m，其等值對地電容為：

式中：L為電纜長度；

Z為電纜波阻抗，其值約為50Ω；

V為波在電纜中的傳播速度，其值約為：150×106m/s；

C為單位長度電纜對地電容。

代入計算：

串變對地等值電容為：

此時產生的最大過電壓倍數為：

=

=1.8倍

由于35kV電纜的容抗作用，使等值電容增大為則過電壓倍數降至1.8，同前述3.05倍相比降低了1.25。

二是當觸頭由基本繞組和調壓繞組串聯后供給串變勵磁電流，即以最大功率方式供電，在串變上產生的過電壓最大值仍為3.05倍，該過電壓不僅作用在串變上，而且也作用在調壓繞組上。這是因為電容電壓不能突變，調壓繞組通過接地，調壓繞組承受了全部過電壓，對其絕緣就造成了危害。

6 分閘過電壓的測試

為了實際了解爐變截流過電壓數值的大小，對爐壓進行了實際測試，測試點選在真空開關處，35kV電纜在測試范圍內。

測試波形如圖8。

由圖8可看出，過電壓波形較尖，陡度大，具有沖擊電壓的性質，測試的統計結果為如表1。

從測試情況看，沒有達到推算值，這是由于以下幾點。

（1）增加了35kV電纜段，即Cm值的存在，使等值電容CT增測數據位如表2。

由表2可知，過電壓值uov得以衰減。

（2）估算過程中采用的數據，如勵磁電流百分數爐變的等效電容CT取了近似值，給計算結果帶來誤差。

（3）增設了測試用分壓電器C1C2，使測試結果產生誤差。

7 結論

通過對真空開關及爐變關于截流過電壓的全面分析和測試情況看，由于真空開關具有較高的開斷能力和特有的熄弧機理，便產生了具有較高概率統計值的截流過電壓。根據計算結果看，由于Cm的作用，即35kV電纜的衰減，衰減值為1.25倍，所以，內部過電壓值約在4倍左右，對于爐變3倍額定電壓的絕緣水平仍存在過電壓的威脅，應采取下列措施。

（1）選取合適的過電壓保護裝置，保護倍數≯2.5倍額定電壓，以對爐變絕緣留有余地。

（2）因過電壓主要來自串變一次側，而調壓器繞組絕緣強度相對較低，為減少其受過電壓的侵害可將真空開關位置移至調壓繞組與串變一次繞組之間。

（3）建議在爐變進行設計時，使變壓器繞組的各種分布電容歸算出的等值電容CT能有一個較大值，以減少波阻抗的值，從而降低過電壓UOV值。

（4）根據生產過程中25000kVA爐變的實際運行情況看，在結構設計時，加強調壓繞組的絕緣強度，采用高強度的絕緣材料，十分必要。

（5）由數據計算知，真空開關切合理想位置應在調壓繞組被短接的情況下。

以上述分析謹供同行參考。

參考文獻

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[2]（日本）巖原皓一.真空開關[M].1975.

[3]武漢水電學院內部過電壓基礎[M].1986.

[4]電爐變壓器的有關圖紙.