真空斷路器操作過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害分析與限制措施

劉念慶

摘要：真空斷路器具有滅弧電壓低、滅弧能力強(qiáng)、分?jǐn)嗨俣瓤臁㈤_(kāi)斷容量大、使用壽命長(zhǎng)、適應(yīng)頻繁操作等特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中逐漸取代了其它類型開(kāi)關(guān)，得到了廣泛的應(yīng)用。但真空斷路器在開(kāi)斷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，若在運(yùn)行中使用不當(dāng)，也會(huì)造成斷路器爆炸等事故，給安全生產(chǎn)帶來(lái)重大影響。因此結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，研究和探討過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，并采取一定的防護(hù)措施是非常必要的。

關(guān)鍵詞：真空斷路器;過(guò)電壓;防護(hù)

真空斷路器以具備良好的滅弧特性，體積小，重量輕，操作功率小，動(dòng)作快，開(kāi)斷容量大，不產(chǎn)生高壓氣體及有毒氣體，無(wú)火災(zāi)及爆炸危險(xiǎn)，不污染環(huán)境，適宜頻繁操作，電氣壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠性高，不檢修周期長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)今我國(guó)電力工業(yè)城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造、化工、冶金、鐵道電氣化行業(yè)里得到了廣泛的應(yīng)用。因此，我們必須從加強(qiáng)運(yùn)行管理和采取防護(hù)措施來(lái)抑制操作過(guò)電壓，以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

在以往的改造中，為消除泄漏點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)無(wú)油化，將制粉系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)SN10--Ⅰ型油開(kāi)關(guān)更換為ZN28—10型真空開(kāi)關(guān)，更換開(kāi)關(guān)后，在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)接線盒處引線相間及相對(duì)地間絕緣擊穿現(xiàn)象及電動(dòng)機(jī)端部線圈絕緣擊穿現(xiàn)象比原來(lái)明顯增加，后加裝了氧化鋅避雷器，情況得到改善，但還是不理想，最終，將氧化鋅避雷器更換為三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器（TBP），問(wèn)題得到了解決。

下面，我就真空斷路器操作過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害及其限制措施分析如下：

1真空斷路器操作過(guò)電壓對(duì)電動(dòng)機(jī)的危害

真空斷路器在開(kāi)斷高壓電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生的操作過(guò)電壓可分為截流過(guò)電壓，三相同時(shí)開(kāi)斷過(guò)電壓和多次重燃過(guò)電壓。

截流過(guò)電壓是由于電流的突然截?cái)喽a(chǎn)生的。當(dāng)斷路器斷開(kāi)后，由于電感中的電流不能突變，只有向負(fù)載側(cè)的相地及相間電容充電。因電容值一般較小，負(fù)載側(cè)相地及相間將會(huì)出現(xiàn)較高幅值的過(guò)電壓。

多次重燃過(guò)電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向負(fù)載側(cè)的電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生的。因此，電容被充電時(shí)可能達(dá)到的最大電壓數(shù)值要大，擊穿次數(shù)越多，過(guò)電壓幅值越高。

三相同時(shí)開(kāi)斷過(guò)電壓是由于斷路器首先開(kāi)斷相弧隙重燃時(shí)，流過(guò)該弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過(guò)零而產(chǎn)生的。

真空斷路器在開(kāi)斷高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓的特點(diǎn)為，在通常情況下開(kāi)關(guān)截流和多次重燃時(shí)，相間過(guò)電壓為對(duì)地過(guò)電壓的1.5倍，而開(kāi)斷三相同步截流時(shí)，相間過(guò)電壓為對(duì)地過(guò)電壓的2倍，因此，真空斷路器在開(kāi)斷高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)產(chǎn)生的相間操作過(guò)電壓在通常情況下是相地操作過(guò)電壓的1.5—2倍，真空斷路器在開(kāi)斷高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)，特別是在開(kāi)斷啟動(dòng)過(guò)程中的高壓電動(dòng)機(jī)時(shí)相間操作過(guò)電壓可能會(huì)超過(guò)4倍的額定電壓，嚴(yán)重危及電動(dòng)機(jī)的絕緣。

2電動(dòng)機(jī)的絕緣耐壓水平

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB311。1—1997規(guī)定，最高電壓在1KV≦Um≦252KV的范圍內(nèi)，電氣設(shè)備的相間絕緣耐受電壓與相對(duì)地絕緣耐受電壓值相同。以高壓電動(dòng)機(jī)的絕緣耐受電壓水平為例，對(duì)于運(yùn)行中的高壓電動(dòng)機(jī)，其相對(duì)地和相對(duì)相之間的絕緣所能承受的過(guò)電壓數(shù)值可計(jì)算如下：

一般電動(dòng)機(jī)的一分鐘工頻耐壓值為2Ue+1。對(duì)已運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)取上述耐壓值的75%（Ue為電動(dòng)機(jī)的額定電壓，電動(dòng)機(jī)絕緣的沖擊系數(shù)取1.15）即電動(dòng)機(jī)的沖擊耐壓值為

Us=√2（2Ue+1）×1.15×75%

以6kV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)為例，其相對(duì)地和相對(duì)相之間的絕緣的沖擊耐壓水平按式計(jì)算結(jié)果如下：

Us=√2（2×6+1） ×1.15×75%=15.9kV

3三相過(guò)電壓保護(hù)器應(yīng)滿足的條件

在電力系統(tǒng)為避免由于真空斷路器截流產(chǎn)生的操作過(guò)電壓，特別是相間過(guò)電壓對(duì)系統(tǒng)的危害，通常采用氧化鋅避雷器，阻容保護(hù)，三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器來(lái)限制過(guò)電壓，無(wú)論采用哪一種保護(hù)器，都應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：

（1）為能有效地防止過(guò)高的操作過(guò)電壓對(duì)電氣設(shè)備的絕緣造成危害，過(guò)電壓保護(hù)器的保護(hù)水平應(yīng)低于被保護(hù)對(duì)象的電氣設(shè)備的絕緣沖擊耐壓水平。

（2）由于電氣設(shè)備的相間絕緣水平與相地絕緣水平一致，因此過(guò)電壓保護(hù)器的相間保護(hù)水平與相地保護(hù)水平也一致。

（3）正常和單相接地工作情況并考慮了電壓波動(dòng)15%的情況下，過(guò)電壓保護(hù)器自身應(yīng)能安全可靠地運(yùn)行，對(duì)于由氧化鋅閥片構(gòu)成的無(wú)間隙的過(guò)電壓保護(hù)器，荷電率K2是表征氧化鋅閥片在某一電壓下長(zhǎng)期運(yùn)行的壽命指標(biāo)，氧化鋅閥片的荷電率為：K2=√2×1.1×1.15Ue/U1mA。

（Ue為設(shè)備額定電壓，U1mA為氧化鋅閥片直流1mA參考電壓：在使用中荷電率應(yīng)低于0.75才能保證氧化鋅避雷器自身安全可靠地運(yùn)行。）

4 常規(guī)氧化鋅避雷器

由于無(wú)間隙氧化鋅避雷器在系統(tǒng)發(fā)生單相接地時(shí)，作用在健全相的氧化鋅避雷器上所承受的持續(xù)運(yùn)行電壓為√3倍相電壓，由于荷電率較高，無(wú)間隙氧化鋅避雷器在系統(tǒng)單相接地情況下?lián)p壞較多，故要求無(wú)間隙氧化鋅避雷器的持續(xù)運(yùn)行電壓應(yīng)按線電壓考慮，同時(shí)，保護(hù)性能不能降低。顯然，無(wú)間隙氧化鋅避雷器很難同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，而帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器解決了氧化鋅閥片的荷電率過(guò)高的問(wèn)題，并可同時(shí)滿足上述兩個(gè)條件，本文僅對(duì)帶串聯(lián)間隙的常規(guī)氧化鋅避雷器分析如下：

以6kV系統(tǒng)考慮，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB11032---89規(guī)定，6kV系統(tǒng)保護(hù)電動(dòng)機(jī)的氧化鋅避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓UC=6.3×1.1/√3=4kV，直流1mA參考電壓U1mA≥11.3kV，在流過(guò)100A操作沖擊電流時(shí)氧化鋅避雷器的殘壓

U100A=K1×U1mA=1.4×11.3=15.8kV（K1為殘壓比）

因此，常規(guī)氧化鋅避雷器的相對(duì)地保護(hù)水平為15.8kV相對(duì)相保護(hù)水平為15.8×2=31.6kV

前面已對(duì)6kV電動(dòng)機(jī)的相對(duì)地及相對(duì)相絕緣耐壓水平作了計(jì)算，均為15.9kKV，因此可以得出結(jié)論，常規(guī)星型接法氧化鋅避雷器對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的相對(duì)地絕緣保護(hù)作用比較勉強(qiáng)，而相對(duì)相絕緣則完全不能起保護(hù)作用。

5三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器（TBP）

三相組合式過(guò)電壓保護(hù)器是由帶串聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器組合而成的過(guò)電壓保護(hù)器，由四個(gè)帶串聯(lián)間隙的氧化鋅閥片單元構(gòu)成，采用組合式結(jié)構(gòu)并以四星型方式聯(lián)結(jié)，采用這種特殊結(jié)構(gòu)和接線方式使得它擁有比常規(guī)氧化鋅避雷器更優(yōu)越的特性：

（1）在TBP中采用氧化鋅非線性電阻和放電間隙相組合的結(jié)構(gòu)，兩者互為保護(hù)，放電間隙使氧化鋅電阻的荷電率為零，不存在老化問(wèn)題，氧化鋅電阻的非線性特性又使放電間隙動(dòng)作后立即熄弧，無(wú)續(xù)流，無(wú)截波，放電間隙不再承擔(dān)滅弧任務(wù)，提高了使用壽命。

（2）TBP通過(guò)改善間隙的結(jié)構(gòu)以及選擇間隙之間材料的介電系數(shù)，使得其電壓沖擊系統(tǒng)接近于1，在各種電壓波形下放電電壓值均相等，不受各種操作過(guò)電壓波形的影響，過(guò)電壓保護(hù)值準(zhǔn)確，保護(hù)性能優(yōu)良。

（3）TBP采用四星型接線方式，可大大降低相間過(guò)電壓，與常規(guī)氧化鋅避雷器相比，相間過(guò)電壓降低了60-70%，保護(hù)的可靠性大為提高，另外，相對(duì)相及相對(duì)地的保護(hù)水平相同，保護(hù)電壓值低，可將操作過(guò)電壓可靠限制在被保護(hù)電動(dòng)機(jī)絕緣允許范圍內(nèi)。

結(jié)語(yǔ)

真空斷路器是一種很有發(fā)展前途的開(kāi)關(guān)，被廣泛應(yīng)用于城市配電網(wǎng)及工礦企業(yè)的變電站中，基本取代了少有斷路器等產(chǎn)品。隨著操作過(guò)電壓?jiǎn)栴}探討及防護(hù)措施的日益完善，真空斷路器必將在更多的領(lǐng)域里得到廣泛的應(yīng)用。

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