電爐變壓器真空開關(guān)截流過電壓動(dòng)態(tài)分析

摘 要：本文從真空開關(guān)的工作原理出發(fā)，詳細(xì)分析了真空開關(guān)的熄弧機(jī)理及由截流現(xiàn)象造成電弧爐變壓器截流過電壓的現(xiàn)象，并進(jìn)行了理論推算，結(jié)合截流過電壓的實(shí)際檢測數(shù)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(yè)的電力工作者具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：電弧 真空開關(guān) 截流 過電壓

中圖分類號(hào)：TM924.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）10（a）-0092-04

1 截流現(xiàn)象及其重要性

在現(xiàn)代冶金系統(tǒng)中，大容量超高功率電弧爐煉鋼生產(chǎn)技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，變壓器采用真空開關(guān)操作已相當(dāng)普遍。但真空開關(guān)造成操作過電壓的危害不容忽視?，F(xiàn)就國內(nèi)某鋼鐵廠煉鋼用電弧爐變壓器動(dòng)態(tài)過程進(jìn)行分析，該電弧爐變壓器有三個(gè)繞組組成，爐變的三次側(cè)采用ZN—35/1000的真空開關(guān)斷路器進(jìn)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(guān)的截流現(xiàn)象

真空開關(guān)較老一代開關(guān)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(fā)生電流折斷現(xiàn)象。因?yàn)楸磺袛鄬ο箅姼兄递^大，電流值雖小，但仍將具有較大的電磁能量。在電流折斷強(qiáng)迫過零后，存儲(chǔ)在電感上的電磁能量將使電氣回路產(chǎn)生高頻振蕩，出現(xiàn)過電壓，強(qiáng)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(shí)（一般在10A左右）會(huì)出現(xiàn)顯著的電流波折斷提前過零的現(xiàn)象，而在開斷電流大于一定值后，這種現(xiàn)象就會(huì)消失。這是因?yàn)榇箅娏餍纬勺銐驈?qiáng)的電弧，因此不能在電流過零前突然降到零值。當(dāng)電流波被強(qiáng)迫折斷提前過零時(shí)，折斷處的瞬時(shí)電流值一般稱為截流值，這種強(qiáng)迫電流折斷提前過零的現(xiàn)象一般稱為截流現(xiàn)象。

1.2 分析和認(rèn)識(shí)真空開關(guān)截流過電壓的重要性

真空斷路器的截流現(xiàn)象較高壓供電系統(tǒng)中其它斷路器尤其容易發(fā)生，而隨之產(chǎn)生的過電壓將會(huì)有很高的數(shù)值，它將對系統(tǒng)和電感性負(fù)載的絕緣造成嚴(yán)重的威脅，某公司25000kVA電爐變壓器是75噸電爐系統(tǒng)的重要組成部分，也是設(shè)備系統(tǒng)安全運(yùn)行的薄弱環(huán)節(jié)，充分認(rèn)識(shí)和分析真空開關(guān)產(chǎn)生截流過電壓的現(xiàn)象和實(shí)質(zhì)，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(fā)生率，具有重要意義。

2 真空開關(guān)產(chǎn)生截流現(xiàn)象的機(jī)理

真空開關(guān)是一種新型的電力開斷設(shè)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(zāi)和爆炸的危險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地使用在電力系統(tǒng)中，隨著電真空技術(shù)與導(dǎo)電材料的不斷發(fā)展，它將逐步取代老一代開關(guān)設(shè)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(zhì)中的自由電子在電場力的作用下，以較大的動(dòng)能不斷撞擊介質(zhì)中的中性原子而發(fā)生撞擊游離，當(dāng)電子和離子的游離達(dá)到一定程度時(shí)，觸頭間隔被擊穿而形成電弧。二是電弧本身表面溫度可達(dá)3000～4000℃，而弧柱中心可達(dá)11000℃以上的高溫，這種高溫使介質(zhì)發(fā)生熱游離，電弧將持續(xù)下去，電流照常通過電弧而繼續(xù)存在。在產(chǎn)生上述兩種游離的同時(shí)，電子和離子的“復(fù)合”現(xiàn)象形成中性的不帶電物質(zhì)，溫度越低，這種“復(fù)合”現(xiàn)象越強(qiáng)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(fù)合現(xiàn)象大于游離現(xiàn)象，使弧隙間絕緣迅速恢復(fù)，導(dǎo)致電弧熄滅。油中電弧的熄滅大多在電流過零點(diǎn)時(shí)完成，出現(xiàn)電流折斷機(jī)會(huì)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(dǎo)電機(jī)理有三種說法。

一是電場放電說：認(rèn)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(chǎn)生電場放電，產(chǎn)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(dǎo)致真空絕緣擊穿。

二是粒子交換說：認(rèn)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(chǎn)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(fù)進(jìn)行導(dǎo)致真空絕緣擊穿。

三是微粒說：認(rèn)為觸頭表面上附著有塊狀的微粒，當(dāng)受到電場力的作用而從表面脫落，微粒被加速后向?qū)γ娴挠|頭進(jìn)行轟擊，轟擊時(shí)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(zhì)的絕緣恢復(fù)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(zhì)合金，它在10kA以下形成的電弧，弧壓較低，但電弧電流的不穩(wěn)定是真空電弧的重要性質(zhì)。真空開斷能否成功，關(guān)鍵在于電流零點(diǎn)附件的絕緣恢復(fù)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(zhì)）SH6斷路器的絕緣恢復(fù)特性。

從圖2看出，真空中的絕緣恢復(fù)速度較其它介質(zhì)要快得多，其開斷能力也最為顯著，由于恢復(fù)電壓上升速率快，對高頻電流的開斷更能發(fā)揮其優(yōu)越性。真空中絕緣恢復(fù)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(shí)間擴(kuò)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(fù)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(shí)，電流折斷即截流現(xiàn)象尤為明顯，這是由于絕緣恢復(fù)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(dāng)電流下降時(shí)，從觸頭放出的金屬粒子不斷減少，當(dāng)不能維持電弧所需的粒子密度時(shí)，形成不穩(wěn)定的高頻振蕩電流，用I0表示。二是工頻電流繼續(xù)下降，觸頭間金屬蒸氣壓降低及迅速擴(kuò)散作用，導(dǎo)致電流折斷，此時(shí)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(zhì)蒸氣壓關(guān)系很大，而且同真空開關(guān)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(guān)的觸頭材質(zhì)由特殊合金做成以適應(yīng)不同要求，另外也應(yīng)注意到由于真空開關(guān)的開斷機(jī)理不同于其它開關(guān)，所以真空開關(guān)所發(fā)生的截流機(jī)會(huì)即截流概率值也明顯高于其它開關(guān)。

3 25000kVA電爐變壓器的等值電路

3.1 25000kVA電爐變壓器的結(jié)線原理

該變壓器的組成包括主變和串變兩部分，原理結(jié)線圖如圖4。

3.2 截流過電壓的物理過程

由真空開關(guān)引起爐變截流過電壓的主要物理過程是，當(dāng)爐變各繞組處于正弦穩(wěn)態(tài)時(shí)，在繞組中存藏了磁場能量WL。當(dāng)用真空開關(guān)空載操作爐變時(shí)，串變鐵芯的磁鏈變化率發(fā)生了較大變化，所以磁場能量主要儲(chǔ)存于串變主繞組中，由前述可知，發(fā)生截流現(xiàn)象時(shí)，存在有不穩(wěn)定電流Io，它是一個(gè)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(yuǎn)比勵(lì)磁電抗為大。因此可近似認(rèn)為是感性電路，變壓器在空載情況下，如不計(jì)損耗，空載電流可近似認(rèn)為是勵(lì)磁電流，其值在冷軋硅鋼片時(shí)為1%左右。當(dāng)真空開關(guān)發(fā)生截流現(xiàn)象時(shí)，其感性回路中的貯能為IOLT而此電磁能量不能發(fā)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(dá)很高數(shù)值，對變壓器的絕緣將造成嚴(yán)重威脅。

3.3 等效電路圖

為分析計(jì)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(guān)；

Is為ZN閉合時(shí)，流過的穩(wěn)態(tài)電流，開斷前可視為一電流源。

Is=Im sin（wt+φ）

Im為串變一次側(cè)勵(lì)磁電流幅值；

φ為開關(guān)截流相角，其值為一隨機(jī)數(shù)；

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(lì)磁電感；

LS為到真空開關(guān)引出線電纜的電感；

Cb為到真空開關(guān)引出線電纜的對地電容。

4 分析計(jì)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(jī)的發(fā)生電流折斷現(xiàn)象，其折斷電流值為IC，此時(shí)，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(jìn)行能量交換，它的動(dòng)態(tài)方程為：LTCT+uc=0

設(shè)UC（t）=kest

代入上式得LTCTKS2est+Kest=0

（LTCTS2+1）Kest=0

原動(dòng)態(tài)方程的特征方程為：

LTCTS2+1=0

解出S12=±i為共軛復(fù)數(shù)，表明系統(tǒng)具有震蕩性。

振蕩角頻率W0=所以自有振蕩頻率fo==

4.2 計(jì)算折斷電流最大值

當(dāng)二次側(cè)開路時(shí)，因等效電容CT的容抗遠(yuǎn)大于串變感抗，即ic=0，流過ZN的電流即為勵(lì)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(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)為0.5%（實(shí)驗(yàn)值為0.8%）則=0.5%×392.8=1.97（A）。

勵(lì)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(guān)發(fā)生截流的機(jī)會(huì)是明顯的。

4.3 推算過電壓公式

設(shè)真空開關(guān)開斷前瞬間在時(shí)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(chǔ)的功率為：

p（t）=uL（t）·iL（t） uL（t）=L·

在時(shí)刻O～to期間儲(chǔ)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(shí)刻儲(chǔ)能為：WL=LIL2（t）

同理電容CT的儲(chǔ)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(guī)律為IL=Imsinφ，電容CT兩端電壓變化規(guī)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(guān)在時(shí)刻t發(fā)生截流時(shí)，磁場向電能轉(zhuǎn)換，當(dāng)電容CT上暫態(tài)電壓達(dá)到最大值Uov時(shí)，，故電流CT，即這時(shí)全部磁場能量轉(zhuǎn)換為電容中的電能，故得：

CTUo2v=WL+Wc=LTIm2Sin2φ+CTUm2cos2φ

解出Uov=

考慮穩(wěn)態(tài)激勵(lì)Um同電感電流幅值Im的關(guān)系有：

為工頻

由前知為自振頻率或?qū)m、fo代入uov式后得Uov=

=Um

所以過電壓倍數(shù)：

上式中并未考慮磁場能量轉(zhuǎn)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(xiàng)上乘以損耗系數(shù)ηm，另外考慮KO最大值Kom發(fā)生在=90°時(shí)，則過電壓倍數(shù)最大值為：

損耗系數(shù)ηm一般小于0.05，大型變壓器實(shí)測數(shù)據(jù)約在0.03～0.045左右，自振頻率與爐變的參數(shù)結(jié)構(gòu)及引線方式有關(guān)。當(dāng)開關(guān)熄弧能力越強(qiáng)，截流值Ic越大時(shí)，Kom越大。為實(shí)際計(jì)算Kom值，將

代入

=

同理發(fā)生在Φ＝90°時(shí)，損耗系數(shù)為ηm則：

＝

4.4 爐變的計(jì)算

一般變壓器的雜散電容CT為幾千PF，設(shè)該爐變對地等值電容：

CT=2000PF=2×103×10-12（F）

串變的勵(lì)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(shù)=0.03，則最大過電壓倍數(shù)為：倍

從而可知過電壓倍數(shù)還是比較高的，而且和變壓器的結(jié)構(gòu)連接電纜長度等相關(guān)。

4.5 影響的因素

目前，按變壓器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)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(jù)上述分析情況，爐變最大過電壓倍數(shù)主要與下列因素有關(guān)。

（1）截流值的大小，決定于開關(guān)的開斷水平。

（2）特性阻抗，等值電容CT越小，過電壓倍數(shù)越大。

（3）由于截流相角φ是一個(gè)隨機(jī)值，所以過電壓值具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性。

5 爐變過電壓的分布情況

爐變?nèi)蝹?cè)同串變一次側(cè)單相等值電路如圖6。

電纜在操作波（高頻振蕩）作用下，應(yīng)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(shí)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(jì)算：

串變對地等值電容為：

此時(shí)產(chǎn)生的最大過電壓倍數(shù)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(shù)降至1.8，同前述3.05倍相比降低了1.25。

二是當(dāng)觸頭由基本繞組和調(diào)壓繞組串聯(lián)后供給串變勵(lì)磁電流，即以最大功率方式供電，在串變上產(chǎn)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(diào)壓繞組上。這是因?yàn)殡娙蓦妷翰荒芡蛔?，調(diào)壓繞組通過接地，調(diào)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(shí)際了解爐變截流過電壓數(shù)值的大小，對爐壓進(jìn)行了實(shí)際測試，測試點(diǎn)選在真空開關(guān)處，35kV電纜在測試范圍內(nèi)。

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(zhì)，測試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果為如表1。

從測試情況看，沒有達(dá)到推算值，這是由于以下幾點(diǎn)。

（1）增加了35kV電纜段，即Cm值的存在，使等值電容CT增測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如勵(lì)磁電流百分?jǐn)?shù)爐變的等效電容CT取了近似值，給計(jì)算結(jié)果帶來誤差。

（3）增設(shè)了測試用分壓電器C1C2，使測試結(jié)果產(chǎn)生誤差。

7 結(jié)論

通過對真空開關(guān)及爐變關(guān)于截流過電壓的全面分析和測試情況看，由于真空開關(guān)具有較高的開斷能力和特有的熄弧機(jī)理，便產(chǎn)生了具有較高概率統(tǒng)計(jì)值的截流過電壓。根據(jù)計(jì)算結(jié)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(nèi)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(yīng)采取下列措施。

（1）選取合適的過電壓保護(hù)裝置，保護(hù)倍數(shù)≯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(cè)，而調(diào)壓器繞組絕緣強(qiáng)度相對較低，為減少其受過電壓的侵害可將真空開關(guān)位置移至調(diào)壓繞組與串變一次繞組之間。

（3）建議在爐變進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)較大值，以減少波阻抗的值，從而降低過電壓UOV值。

（4）根據(jù)生產(chǎn)過程中25000kVA爐變的實(shí)際運(yùn)行情況看，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，加強(qiáng)調(diào)壓繞組的絕緣強(qiáng)度，采用高強(qiáng)度的絕緣材料，十分必要。

（5）由數(shù)據(jù)計(jì)算知，真空開關(guān)切合理想位置應(yīng)在調(diào)壓繞組被短接的情況下。

以上述分析謹(jǐn)供同行參考。

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