淺談真空斷路器的過電壓保護

【摘 要】真空斷路器的操作過電壓嚴重威脅電力系統(tǒng)和設各的安全。對真空斷路器操作過電壓的產(chǎn)生特點及應用進行了分析，對真空斷路器的過電壓保護提出了解決方案。

【關鍵詞】真空斷路器；過電壓；保護；方案

1.真空斷路器操作過電壓的產(chǎn)生及原因分析

真空斷路器在開斷高壓感應電動機等感性負載時，所產(chǎn)生的過電壓有三種類型：

1.1截流過電壓

當真空斷路器斷開小電感電流時，由于開關本身的原因，往往出現(xiàn)負荷電流在未達到零點前被強行開斷的現(xiàn)象，電感負載上剩余的電磁能因此產(chǎn)生過電壓，這種由截流現(xiàn)象產(chǎn)生的過電壓稱為截流過電壓。截流過電壓的大小與截流值及負載的電感成正比。截流過電壓有以下特點：

（1）截流過電壓與真空斷路器的截流值I大小有關，截流值越高，過電壓值越高。

（2）截流只發(fā)生在開斷小電流時，電流越大，陡度越大，截流值就越小。

（3）過電壓的震蕩頻率很高，可達數(shù)千hZ，高的頻率必然伴隨著高的過電壓。

（4）相對地過電壓是按相對地電容和相間電容而分配的，通常相對地過電壓為相間的2/3。

（5）電動機和變壓器容量越小，過電壓越高。電動機和變壓器容量小，開斷電流較小，回路電容小，電感大，因而波阻抗較大，造成過電壓數(shù)值高。

（6）回路的電纜在50-200m范圍內過電壓最高，而這一長度范圍基本是開關柜到電動機或變壓器的長度，電纜長度過短時，振蕩頻率高，熄弧困難，延長了熄弧時間，過電壓低；電纜長度長時，回路電容量大，波阻抗下降也會使過電壓降低。

1.2多次重燃過電壓

當真空斷路器斷開容性電流或大的電感電流時，重燃或重擊穿過電壓是問題的主要方面。我們用下面圖1的電容開斷電路圖來進行分析。

如果在t=t。時斷路器斷開，產(chǎn)生電弧，因為電弧電壓很低，可近似uf≈0（為 uf。0（uff為電弧電壓），所以電源電壓u與電容電壓uc基本相等，即u≈uc。在t≈t1時，電流過零，電弧熄滅，這時電源電壓將繼續(xù)按正弦規(guī)律變化而逐漸變小，但電容電壓因電路開斷不再變化，保持：

uc=-um （1）

斷路器觸頭間的電壓

uhf=u-uc=-Um_-（--Um）=2um （2）

此時若觸頭間的介質強度不夠，則發(fā)生了擊穿，電路會發(fā)生高頻振蕩（振蕩頻率f0= ），觸頭間出現(xiàn)高頻電流。這時，電容器上的電壓為觸頭間的電壓減去電容上殘留的電壓，即

uc=2Um-UO=2Um-（-Um）=3Um（U。為電容上的殘壓） （3）

電容上就出現(xiàn)了3倍過電壓。以此類推，這種情況繼續(xù)下去，觸頭間反復擊穿，電容上就會出現(xiàn)5倍、7倍….的過電壓。但重擊穿所產(chǎn)生的過電壓有一定的限制，并不會太高。以開斷電容電路為例，實際中所測量觸頭間的電壓都在3Um以下。多次重然過電壓的特點：

（1）陡度大，幅值高。

（2）變壓器和電機繞組的電壓分布上，過電壓陡度和頻率關系很大，這種過電壓對匝間絕緣威脅很大。

1.3三相同時開斷過電壓

真空斷路器首先斷開相熄弧產(chǎn)生的高頻電流通過三相的中性點疊加在其它未斷開的兩相工頻電流上，造成其它兩相電弧電流強制過零，使得未斷開的兩相隨之同時切斷。此兩相被截斷的工頻電流更大，從而產(chǎn)生比首相開斷過電壓更高的過電壓。此類型過電壓的特點是：

（1）最大過電壓總是發(fā)生在后兩相開斷時刻。

（2）在開斷中小容量電機或輕負載時，容易出現(xiàn)三相同時截斷。

分析這三種過電壓的產(chǎn)生原因及特點，對正確地選用保護設備有重大的作用。

2.各種保護設備在電網(wǎng)的應用情況及其評價

電網(wǎng)的負荷主要是電機負載，有小容量的抽油機電機負載，也有2000kW的注水電機負荷，對真空斷路器的操作過電壓保護有阻容吸收器、無間隙氧化鋅避雷器和帶串聯(lián)間隙氧化鋅這三種保護裝置?，F(xiàn)對其作用及使用過程中出現(xiàn)的問題作一分析。

2.1阻容吸收器

阻容吸收器并聯(lián)在電動機出口，電阻與電容串聯(lián)接地。由于吸收電容比雜散電容大，降低了波阻抗，從而降低了斷路器開斷時恢復電壓上升的陡度，減少了發(fā)生重燃的機會；另外吸收電阻抑制了重燃時高頻電流的增長，并對高頻電流變成以R-C時間衰減的電流，推后了電流過零的時間。這時觸頭開距已足夠大，足夠平緩恢復電壓，不再發(fā)生重燃。另外 ，回路容抗在數(shù)千Hz高頻截流過電壓的作用下急劇下降，成為很好的吸收回路，電容的這種頻敏效應，大大增加了R-C的保護效果。根據(jù)現(xiàn)場的運行實踐經(jīng)驗和數(shù)據(jù)證明阻容吸收器在限制真空斷路器操作過電壓方面取得了良好的效果。但在實際運行中， RC吸收器的安裝增加了接地電容電流，需要調整部分R-C阻容吸收器的電容量，增加一臺消弧線圈，才解決了上述接地電容電流大和零序容抗與零序感抗比在諧振區(qū)容易造成鐵磁諧振的問題。

2.2無間隙氧化鋅避雷器

在電網(wǎng)中，無間隙氧化鋅避雷器用以限制操作過電壓。無間隙氧化鋅在中性點接地系統(tǒng)過電壓中發(fā)揮著很好的作用，但在保護真空斷路器的操作過電壓中感覺效果不好，存在以下問題：

（1）電網(wǎng)的長期接地運行，容易造成閥門老化，易出事故。

（2）不能保護相間絕緣。

（3）不能改變振蕩頻率，對匝間絕緣保護不利。

（4）響應速度跟不上電壓波的變化。

2.3串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器

為了解決接地時無間隙氧化鋅避雷器的問題以及解決避雷器不能保護相間的絕緣，我們某些變電站引進了帶串聯(lián)間隙的星形避雷器。但這種避雷器也存在以下問題：

雖然通過增加串聯(lián)間隙使閥片在接地運行時得到保護，但這種避雷器與上文提到的③④問題仍不能解決。由于避雷器加串聯(lián)間隙在某種程度上增加了避雷器的殘壓值，對電機的絕緣保護不利。

3.結論

綜上所述幾種避雷器的性能比及其在電網(wǎng)的運行經(jīng)驗來看，阻容吸收器對真空開關操作過電壓的抑制是最好的，在安裝配置時統(tǒng)盤考慮，注意抑制其增大接地電容電流和與電壓互感器匹配不好容易形成鐵磁諧振的問題。

【參考文獻】

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