真空斷路器的過電壓及其防護

王文軍，張俊玲，周 萍，張 林，秦清振，趙亮亮

(1.國電科學技術研究院，江蘇 南京 210031;2.蘭州西固熱電有限責任公司，甘肅蘭州 730060)

真空斷路器的過電壓及其防護

王文軍1，張俊玲2，周 萍1，張 林1，秦清振1，趙亮亮1

(1.國電科學技術研究院，江蘇 南京 210031;2.蘭州西固熱電有限責任公司，甘肅蘭州 730060)

在10kV及以下電壓等級配電網(wǎng)絡中，真空斷路器已取代油斷路器，在無油化改造過程發(fā)揮了積極作用。與油斷路器相比，真空斷路器具有適合頻繁操作，電壽命長，檢修維護工作量小，防燃、防爆，運行可靠性高等優(yōu)點。但在開斷交流小電流時會出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，闡述了過電壓的產(chǎn)生、危害及其防護措施。

真空斷路器;過電壓;產(chǎn)生;防護

1 概述

真空斷路器的操作過電壓問題曾一度影響了其發(fā)展速度。隨著過電壓問題的研究深入和防護措施的日益完善，真空斷路器已取代油斷路器，在10kV及以下電壓等級配電網(wǎng)絡中廣泛應用。本文介紹了真空斷路器過電壓產(chǎn)生的類型、危害及防護措施，指出在使用過程中特別是對感應負載采用真空斷路器作為操作元件時，應加裝過電壓保護設備，以確保真空斷路器在實際應用中的安全穩(wěn)定運行。

2 過電壓產(chǎn)生的類型及分析

真空斷路器過電壓產(chǎn)生的類型主要包括截流過電壓、多次重燃過電壓、開斷容性負載過電壓及接通過電壓。

2.1 截流過電壓

真空電弧實質(zhì)上是由電極材料蒸發(fā)的金屬蒸汽維持的，電弧的穩(wěn)定性直接取決于電流的大小。當電流變小時，從陰極斑點釋放出來的金屬蒸汽減少;當電流減少至低于維持電弧所需的離子密度時，電弧開始不穩(wěn)定，電流波形發(fā)生振蕩。真空斷路器開斷交流小電流時，當電流從峰值下降到尚未到達自然零點時，電弧熄滅，電流被突然中斷，這就是我們平時說的截流現(xiàn)象。由于電流被突然中斷，電感負載上剩余的電磁能量就會產(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。截流過電壓并非真空斷路器所特有，其他介質(zhì)的斷路器都會發(fā)生，只不過真空斷路器較易發(fā)生，尤其是在開斷小電感電流時，截流值及過電壓倍數(shù)會比較高。

真空斷路器發(fā)生截流現(xiàn)象，產(chǎn)生過電壓，其原因是多方面的，在實際應用中發(fā)生的截流現(xiàn)象，很難判斷是由于哪個原因造成的。但截流過電壓可能對電力系統(tǒng)其他高壓電器，包括負載帶來危害。

2.2 多次重燃過電壓

真空斷路器在投切電力電容器或開斷較大的感性電流(如電動機啟動電流)時，即使截流過電壓不成問題，也常常會發(fā)生過電壓危害，而擊穿電容器組或引起電機匝間短路。這種由真空斷路器多次重燃產(chǎn)生的過電壓稱為多次重燃過電壓。

真空斷路器在開斷三相感性負載時，其各相觸頭斷開時間不會完全相同，且各電弧電流的過零也有先后。如果真空斷路器其中某一相正好在電流過零前分離，電弧首先在這一相熄滅，在先開斷的那極觸頭上就會發(fā)生電壓恢復過程。此時由于觸頭間隙很小，介質(zhì)恢復強度不高，在較高的恢復電壓作用下，間隙就可能被擊穿。因網(wǎng)絡參數(shù)的影響，觸頭擊穿重燃時流過高頻電流，高頻電流的幅值大于工頻電流瞬時值時就會出現(xiàn)高頻電流零點。真空斷路器有較強的分斷高頻電流的能力，在高頻電流零點又使電弧熄滅而開斷電流，使負載側的電容和電感發(fā)生電磁振蕩，產(chǎn)生高電壓，這一高電壓又可使觸頭間隙再次擊穿，流過高頻電流，并再次在高頻電流零點斷開電流，電壓又要上升。隨著觸頭的不斷分開，介質(zhì)強度的不斷增高直至重燃不再產(chǎn)生。因此，多次重燃的結果也就使得負載上的電壓不斷升高，從而產(chǎn)生較高的過電壓。

2.3 開斷容性負載過電壓

真空斷路器比其他類型的斷路器有較好的開斷容性負載的性能。但是由于真空斷路器在投切電容器組時，對觸頭間隙的絕緣要求較高，而間隙弧后介質(zhì)恢復強度不穩(wěn)定和直流耐壓水平較低，仍然有可能發(fā)生擊穿，從而出現(xiàn)過電壓。

在三相容性交流負載中，真空斷路器繼首開相之后的其余兩相能正常熄弧開斷電路時，加在斷口間的電壓最大值為2.5Um;不能正常開斷時，則施加于首開相或者其他兩相斷口間的電壓還會更高。如果有一相介質(zhì)強度恢復速度不夠，承受不了較高的電壓，就會發(fā)生重擊穿，依重擊穿發(fā)生時刻的相位和線路條件不同，產(chǎn)生的過電壓情況不同。真空斷路器偶然發(fā)生重擊穿后通常能很快自動恢復其耐壓強度，不會連續(xù)發(fā)生多次重擊穿，所以過電壓并不高，尤其隨著真空斷路器技術的不斷完善和進步，發(fā)生重擊穿的幾率已經(jīng)大大降低，甚至基本無重擊穿，從而保證了其使用的安全性和可靠性。

2.4 接通過電壓

真空斷路器在接通電源時，觸頭間距逐漸變小，在動、靜觸頭接觸之前，要產(chǎn)生預擊穿，觸頭間流過高頻電流，接著在高頻電流過零點進行開斷，類似開斷時的情況，也會出現(xiàn)過電壓。但在接通時，觸頭間距隨時間在變小，觸頭間耐壓水平也在逐漸降低，過電壓的峰值因而也受到抑制，不會產(chǎn)生過高的過電壓，也不會帶來嚴重的危害。

3 過電壓的危害

3.1 截流過電壓

由于電流被突然切斷，其滯留于電機等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉變?yōu)殡妶瞿芰?。對電機和變壓器，特別是空載或容量較小時，則相當于一個大的電感，且回路電容量較小，因此會產(chǎn)生高的過電壓，特別是開斷空載變壓器時更危險。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，對過電壓值有相當?shù)囊种谱饔茫@種抑制作用是有限的，不能消除在切斷小電流時出現(xiàn)的過電壓。因此，特別對感應負載在采用真空斷路器作為操作元件時，應加裝過電壓保護設備。

3.2 重燃過電壓

重燃過電壓由于電壓疊加，使弧隙之間發(fā)生擊穿，真空斷路器的恢復電壓就會升高。如果觸頭開距不夠大，就會發(fā)生二次重燃甚至多次重燃現(xiàn)象，多次的充放電振蕩，觸頭間的恢復電壓逐級升高，負載端的電壓也不斷升高，對電機或變壓器的絕緣危害極大。過電壓值不需要很高，就能使匝間絕緣損壞，損壞電氣設備，這正是重燃過電壓對系統(tǒng)和其他電器危害的主要原因。

4 過電壓的防護措施

4.1 研制低截流水平的真空斷路器

為了解決真空斷路器截流過電壓的問題，必須使真空斷路器開斷小電流時截流值減小。這就要求真空泡觸頭材料的截流水平較低，應采用導熱系數(shù)低、飽和蒸汽壓高的材料，但此種材料往往開斷能力較差。目前，隨著縱向磁場的研究和應用，這一問題已經(jīng)解決。低截流水平觸頭和縱向磁場的結合，既提高了開斷能力，又降低了截流引起的過電壓。同時，也可以采用截流值在0.5～1A以下的真空接觸器控制小容量電動機，在不加裝任何保護的情況下直接進行操作。為了短路保護，常常串接熔斷器，也可以在真空接觸器前串聯(lián)一個真空斷路器，平時正常操作用接觸器，故障時由斷路器開斷短路電流。

為了防止重燃或重擊穿產(chǎn)生的過電壓危害，除了真空泡在出廠前進行電流電壓的“老煉”外，真空斷路器在投切電容器組時，投運前還應進行30～90相次的“老煉”處理。

4.2 負載端并聯(lián)電容

在感性負載端上并聯(lián)電容器，可以有效地降低負載波阻抗，從而降低截流過電壓。但是必須注意，負載波阻抗的降低會使真空斷路器的截流值增大。截流過電壓取決于截流值與波阻抗兩者的乘積。試驗證明，隨著負載上并聯(lián)電容的增大，過電壓呈降低趨勢。負載并聯(lián)電容器后，不僅降低過電壓的幅值，還能減緩過電壓的前沿陡度。這樣既能保護感性負載免遭截流過電壓的損害，還能減輕多次重燃過電壓對電動機的絕緣危害。

用并聯(lián)電容器保護變壓器，一般可在變壓器高壓端并聯(lián)0.1～0.2μF的電容器。真空斷路器用電纜連接變壓器時，由于電纜具有較大的分布電容，其作用等同于并聯(lián)電容器，并可明顯降低截流過電壓，且電纜的長度越長，效果越明顯。

4.3 負載端并聯(lián)電阻－電容(RC保護)

把電阻和電容串聯(lián)作為保護元件并聯(lián)在負載進線端，稱為RC過電壓抑制器。RC過電壓抑制器可使絕大多數(shù)電路的操作過電壓降至電源電壓峰值的2～2.5倍以下。目前有三種形式的RC保護器，即中性點直接接地的普通型、中性點不接地型和雙路RC過電壓保護器。普通型RC保護器存在當單相短路時電容電流過大導致饋電回路全部跳閘，特別對于有高頻分量的場所，使得RC保護器電阻燒損的問題。不接地型RC保護器雖然解決了因電容電流過大而跳閘以及燒電阻的問題，但對于相對地之間的高頻振蕩沒有消除，使得事故發(fā)生率略高。雙路RC過電壓保護器既解決了對地電路中的高頻振蕩，又解決了對地電流過大和RC裝置電阻燒損問題。用過電壓抑制器保護電動機等負載效果好，但體積大、價格昂貴。

4.4 采用非線性電阻吸收器

根據(jù)真空斷路器操作過電壓產(chǎn)生的機理，當其切斷小電流時會產(chǎn)生過電壓，從而會危害電機絕緣及回路電路內(nèi)的電氣設備，因此必須采取措施限制操作過電壓，以保護電氣設備能安全可靠地運行，同時擴大真空斷路器的應用范圍。目前，國內(nèi)采取的措施是裝設避雷器。普通的避雷器能限制過電壓的幅值，但不能減緩過電壓的陡度。因此，普通避雷器一般用來保護變壓器的截流過電壓，而不能在發(fā)生多次重燃過電壓時保護電動機。保護電動機等電氣設備可采用RC過電壓抑制器，用電容器來減緩上升陡度，而用普通避雷器來限制幅值。避雷器可分為有滅弧間隙和無滅弧間隙兩種。一般有滅弧間隙的避雷器是以非線性電阻和火花間隙串聯(lián)而成的，所有的非線性電阻即為碳化硅電阻器。碳化硅電阻器在正常工作電壓下，仍具有一定的電流值，因此，要與火花間隙串聯(lián)使用。氧化鋅壓敏電阻是無滅弧間隙的避雷器，它具有半導體晶體管的特性，在正常工作電壓下電阻大，電流小。當電壓增高至某一值時，阻值劇降，呈現(xiàn)穩(wěn)壓特性，亦稱為氧化鋅避雷器。氧化鋅壓敏電阻具有如下特點:較好的非線性特征;動作快，伏安特性平坦;方波通流容量大，可達數(shù)百安培;壽命長，體積小，結構簡單，維修方便。

4.5 串聯(lián)電感

在真空斷路器與電動機供電電纜之間串接數(shù)百微亨的電抗線圈(或飽和電抗器)用來抑制重燃時的高頻電流，從而降低過電壓的上升陡度和峰值。也可以在飽和電抗器上加并聯(lián)電阻，組成L－R過電壓抑制器，效果更好。但必須注意，電感L不可串接在電纜與電動機之間，否則就不能起到降低過電壓上升陡度的作用。

5 注意事項

目前生產(chǎn)的真空斷路器大多數(shù)為普通配電型真空斷路器，用在發(fā)電機回路中有一些缺點和不足:發(fā)電機隨著運行時間的延長，絕緣水平逐漸下降，真空斷路器操作過電壓與電機的絕緣水平配合幾乎沒有多少裕度;發(fā)電機回路斷路器的技術性能要求比較嚴格，使用條件嚴酷，要求發(fā)電機斷路器切斷直流分量值要大于60%或80%的額定開斷電流，普通配電型真空斷路器很難達到;由于發(fā)電機本身的電容量，加上較長的引出線及分支線產(chǎn)生的電容量，如果使用RC過電壓保護器，還應加上保護器的電容量，使在發(fā)生單相接地時電容電流較大，就會引起不必要的跳閘或在中性點增加設備(如消弧線圈、接地電阻等)，從而會引起斷電保護復雜化。以上提出的是防止真空斷路器控制感性負載和容性負載操作過電壓的措施，為確保真空斷路器使用過程中的安全可靠運行，無論采取何種方法，對于保護裝置的本身質(zhì)量和可靠性都是至關重要的，必須要進行時分嚴格的測試挑選和定期檢查。

［1］楊廣文，錢榮坤，袁德勇，等.真空斷路器的使用與維護［M］.陜西:國營寶光電工出版社，1991.

［2］JB/T 3855－2008，高壓交流真空斷路器標準［S］.

［3］梁云霞，刁洪波，孫 偉.真空斷路器的過電壓保護［J］.電氣開關，2005，(4):23－25.

Vacuum circuit breaker＇s over － voltage and its countermeasure

At present，oil circuit breaker has been replaced by vacuum circuit breaker，which plays an active role in the process of oilless reform in 10kV distribution network and below.Compared to oil circuit breaker，vacuum circuit breaker is suitable for frequent operation.It has long life and high reliability.It requires less maintenance.However，overvoltage occurs when low AC current is switched.The production mechanism of overvoltage is analyzed，and its damage and prevention measures are discussed.

vacuum circuit breaker;overvoltage;occurrence;prevention

TM561

B

1674－8069(2012)03－058－03

2012-01-08;

2012-05-12

王文軍(1971-)，男，甘肅蘭州人，工程師，主要從事火電廠電氣一次及安全管理、監(jiān)督、評價及咨詢工作。E－mail:wwjj_1019@163.com