真空斷路器的操作過電壓及其防護(hù)措施

程根宣

(淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠,安徽淮北 235141)

真空斷路器的操作過電壓及其防護(hù)措施

程根宣

(淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠,安徽淮北 235141)

隨著高壓開關(guān)無(wú)油化改造,真空斷路器應(yīng)用越來(lái)越普遍,其操作過電壓?jiǎn)栴}也顯得尤為突出。此處對(duì)其操作過電壓的分析,詳細(xì)介紹了幾種抑制截流過電壓和多次重燃過電壓的防護(hù)措施。

真空斷路器;過電壓 ;防護(hù)措施

0 引言

真空斷路器是指觸頭在真空中關(guān)合、開斷的斷路器。1893年美國(guó)里頓豪斯(Rittenhause)設(shè)計(jì)的第一只結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的真空滅弧室就以專利的形式發(fā)表,1961年美國(guó)通用電氣公司首先研制成功額定電壓 15kV,分?jǐn)嗄芰_(dá)到12.5kV,開斷電流31.5kA的真空斷路器。我國(guó)從1958年前后開始研究真空斷路器的理論,到20世紀(jì)70年代初正式生產(chǎn)各類真空斷路器。真空滅弧室、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、絕緣水平等制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新和改進(jìn),使真空斷路器的發(fā)展極為迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。目前,我國(guó)正在開發(fā)110kV電壓等級(jí)的雙斷口真空斷路器。

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、鐵道電氣化以及礦山等行業(yè)里得到了廣泛的應(yīng)用。但開斷電感回路小電流時(shí)容易發(fā)生截流過電壓及電弧重燃過電壓,真空斷路器的分?jǐn)嗖僮鬟^電壓甚至達(dá)到電源峰值電源的4.5倍,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)抑制操作過電壓,以保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1 過電壓的類型

1.1 截流過電壓

真空斷路器有良好的滅弧性能,當(dāng)開斷電感回路小電流時(shí),電弧在過零前就會(huì)熄滅,由于電流被突然切斷,滯留于電機(jī)和變壓器等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電,轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量,負(fù)載內(nèi)部將發(fā)生一個(gè)電磁振蕩過程,直到將所貯存的能量全部損耗完為止。在此振蕩過程中,負(fù)載兩端將出現(xiàn)—個(gè)過電壓,這種過電壓叫截流過電壓。對(duì)于電機(jī)和變壓器,特別是空載或容量較小時(shí),易產(chǎn)生較高的過電壓,特別是開斷空載變壓器時(shí)。從理論上講可以產(chǎn)生很高的過電壓,但由于觸頭和回路中有一定的電阻產(chǎn)生損耗以及發(fā)生擊穿,對(duì)過電壓值有相當(dāng)?shù)囊种谱饔?但這種抑制作用是有限的,不能消除在切斷小電流時(shí)出現(xiàn)的過電壓。因此,采用真空斷路器對(duì)感性負(fù)載操作時(shí),應(yīng)加裝過電壓保護(hù)設(shè)備。

1.2 多次重燃過電壓

真空斷路器在開斷較大的感性電流(如電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流等)時(shí),即使截流過電壓不成問題,也常會(huì)因發(fā)生過電壓而擊穿電機(jī)的匝間絕緣。而這種過電壓是由于真空斷路器的多次重燃而引起的,故稱之為多次重燃過電壓。多次重燃過電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃,電源多次向電機(jī)電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生的。在真空斷路器切斷電流的過程中,觸頭的一側(cè)為工頻電源,另一側(cè)為電感電容回路充放電產(chǎn)生的振蕩電壓,由于真空斷路器觸頭間距較小,兩個(gè)電壓疊加后就會(huì)使弧隙之間發(fā)生擊穿,斷路器的恢復(fù)電壓就會(huì)升高。如此發(fā)生第二次重燃,再滅弧、再重燃,以致發(fā)生多次重燃現(xiàn)象,多次的充放電振蕩,觸頭間的恢復(fù)電壓逐級(jí)升高,負(fù)載端的電壓也不斷升高,致使產(chǎn)生多次重燃過電壓,損壞電氣設(shè)備。這種過電壓又可分為首開相多次重燃過電壓和三相同時(shí)截流過電壓兩種。

1.3 開斷容性負(fù)載時(shí)的過電壓

真空斷路器開斷容性負(fù)載的性能比其它類型的斷路器好得多。因此,一般不易發(fā)生重?fù)舸?。但是由于真空間隙的弧后介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度不夠穩(wěn)定和直流耐壓水平較低,仍有發(fā)生重?fù)舸┑那闆r,但其發(fā)生過電壓的概率非常低。這種過電壓偶爾發(fā)生后能很快地自動(dòng)恢復(fù)其耐壓強(qiáng)度,不至于發(fā)生連續(xù)多次的重?fù)舸?因此,過電壓值并不高。

1.4 接通過電壓

當(dāng)真空斷路器在接通電路時(shí),觸頭間距將逐漸變小,在觸頭機(jī)械地接觸前,會(huì)產(chǎn)生預(yù)擊穿,這樣就有高頻電流流過。接著,便在高頻電流零點(diǎn)處進(jìn)行開斷.與開斷時(shí)的情況一樣,也會(huì)出現(xiàn)過電壓。只不過在接通時(shí),隨著觸頭間距的逐漸變小,觸頭間耐壓值也隨之降低,過電壓的峰值因而也受到抑制,故不會(huì)產(chǎn)生過高的過電壓。

2 過電壓的防護(hù)措施

由于電機(jī)和變壓器繞組等均存在較大的電感量,以及繞組的匝間電容、對(duì)地電容和雜散電容的存在。當(dāng)真空斷路器切斷電機(jī)和變壓器等小電流電感回路時(shí),產(chǎn)生過電壓危害電機(jī)和變壓器絕緣及回路電路內(nèi)的電氣設(shè)備,因此,對(duì)于截流過電壓和重燃過電壓必須采取有效措施抑制操作過電壓,以保護(hù)電氣設(shè)備能安全可靠地運(yùn)行,同時(shí)擴(kuò)大真空斷路器的應(yīng)用范圍。

2.1 開發(fā)和制造低截流水平低重燃率的真空斷路器

低截流水平低重燃率的真空斷路器的開發(fā)和制造與配用的真空滅弧室緊密相關(guān),主要是:(1)采用低截流水平的觸頭材料。在這方面,近幾年來(lái),國(guó)內(nèi)外在觸頭材料的開發(fā)方面有了快速的發(fā)展,不少新觸頭材料相繼投入使用,其截流水平通?？煽刂圃?.5～1A以下。(2)觸頭結(jié)構(gòu)方面,縱向磁場(chǎng)觸頭結(jié)構(gòu)和低截流水平觸頭材料的結(jié)合,既提高廠真空斷路器的開斷能力,又降低了因截流而引起的過電壓。(3)制造工藝水平的改進(jìn)和提高,尤其是一次封排技術(shù)的采用及徹底的長(zhǎng)時(shí)間的烘烤去氣和有效的電流電壓老煉,使得真空滅弧室的截流水平和重燃率有了明顯的降低。

2.2負(fù)載端并聯(lián)電阻和電容(RC保護(hù)裝置)

在負(fù)載進(jìn)線端并聯(lián)電阻R和電容C的串聯(lián)保護(hù)裝置,可使過電壓得到抑制。這是因?yàn)殡娙萜骷瓤蓽p緩過電壓的上升陡度,又可降低負(fù)載的波阻抗,因而可降低截流過電壓。而在發(fā)生截流時(shí),電阻R能消耗負(fù)載電路中的高頻振蕩能量,使過電壓得到有效地抑制。而當(dāng)間隙重燃時(shí),它又增大了高頻放電電路的衰減系數(shù)。使高頻電流迅速衰減和減小振幅因數(shù),并可減少重燃次數(shù),使多次重燃過電壓得以明顯地下降,甚至可有效地防止它的發(fā)生。抑制真空斷路器操作過電壓危及電機(jī)絕緣的RC保護(hù)裝置,它可使絕大多數(shù)電路的操作過電壓降至電源電壓峰值的2～2.5倍以下。在幾種RC保護(hù)裝置中,雙路RC過電壓保護(hù)裝置效果最好,R1C1主要保護(hù)相間過電壓,R1、C1應(yīng)選擇C1=0.1～0.2uF,R1=100Ω。R2C2主要保護(hù)對(duì)地過電壓,C2的接入是為了消除相對(duì)地的過電壓。組合式RC裝置解決了中性點(diǎn)不接地型RC保護(hù)裝置不能消除的相對(duì)地之間的高頻振蕩,同時(shí)又能解決中性點(diǎn)直接接地型RC保護(hù)裝置中對(duì)地電流過大而容易燒毀電阻R1的缺陷和單相短路時(shí)電容電流過大導(dǎo)致饋電回路跳閘的問題。因此,用雙路RC保護(hù)裝置來(lái)抑制電動(dòng)機(jī)和變壓器等電感負(fù)載過電壓,效果是十分理想的。

2.3 氧化物避雷器

采用避雷器是抑制各種類型過電壓的有效措施。在各種類型的避雷器中,無(wú)間隙氧化物避雷器是由氧化鋅非線性高性能電阻片疊裝而成。它工作在伏—安特性的高歐姆狀態(tài)(高阻態(tài))。僅流過幾微安的容性電流,在過電壓襲擊下能急速轉(zhuǎn)入高導(dǎo)電狀態(tài)而產(chǎn)生對(duì)電流,一旦限制器端電壓降到長(zhǎng)期允許值以下,即恢復(fù)高阻態(tài)。目前氧化鋅避雷器以其優(yōu)良的性能得到廣泛應(yīng)用。它不僅能防止雷電流對(duì)電氣設(shè)備的危害,還特別適合于限制各種操作過電壓,如投切高壓電機(jī)、切空載變壓器等產(chǎn)生的過電壓,對(duì)保護(hù)電容器組免受操作過電壓的損壞也特別有效。

新型的復(fù)合絕緣金屬氧化物避雷器具有以下特點(diǎn):殘壓低、通流能力大、響應(yīng)時(shí)間快、陡波特性平坦等。其外絕緣的耐電腐蝕、抗老化、耐高溫、耐污穢等都強(qiáng)于瓷套式避雷器,同時(shí)具有良好的防爆性能和優(yōu)異的密封性能。

氧化物避雷器有電機(jī)型、電站型、電容器型、配電型等四種。

氧化物避雷器接線方式最常見的有中心點(diǎn)直接接地和三相組合式兩種,以三相組合式抑制操作過電壓效果最好。

2.4 串聯(lián)電感(LR過電壓抑制器)

在真空斷路器與電動(dòng)機(jī)供電電纜之間串聯(lián)數(shù)百微亨的電抗線圈(或飽和電抗器),可有效地抑制重燃時(shí)的高頻電流,達(dá)到降低過電壓上升陡度和峰值的目的。如果在飽和電抗器上并聯(lián)電阻R,組成L—R過電壓抑制器,其效果會(huì)更好。但有一點(diǎn)要注意,那就是電感L不能串接在電纜與電動(dòng)機(jī)之間,否則將不能起到降低過電壓上升陡度的作用。

2.5 負(fù)載端并聯(lián)電容

將一只電容器并聯(lián)在感性負(fù)載端上,可以有效地降低負(fù)載的波阻抗,從而降低截流過電壓。需要引起注意的是,負(fù)載波阻抗的降低雖會(huì)使真空斷路器的截流值增大。但截流過電壓取決于截流值與波阻抗兩者的乘積,所以隨著負(fù)載上并聯(lián)電容的增大,過電壓值是降低的。這己為實(shí)驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。并聯(lián)電容亦能減緩過電壓的前沿陡度,因此,不僅能保護(hù)感性負(fù)載免遭截流過電壓的危害。還可減輕多次重燃過電壓對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)造成的損壞。

這種方法用來(lái)保護(hù)變壓器時(shí),一般在變壓器的高壓端并聯(lián)一只0.1～0.2μF的電容器即可。但當(dāng)變壓器和真空斷路器用電纜連接時(shí),由于電纜有較大的分布電容,其作用與并聯(lián)電容器相同,因而可以明顯地降低截流過電壓,而且電纜的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其限制截流過電壓的效果越好。

TN108.4

A

1671-8275(2010)01-0062-02

2009-10-10

程根宣(19682),男,安徽巢湖人,淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙選煤廠工程師。

責(zé)任編輯:張彩云