真空斷路器操作過電壓及其保護(hù)

天津聯(lián)維乙烯工程有限公司 劉志波

真空斷路器具有體積小，滅弧能力強(qiáng)，觸頭損耗小，開斷次數(shù)多，檢修周期長(zhǎng)，使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。近年來，在我公司的各級(jí)高壓配電裝置(6kV、10kV、35kV)中得到了廣泛的應(yīng)用，基本上已取代了SN系列少油斷路器。多年來運(yùn)行情況良好，維護(hù)工作量大大降低，運(yùn)行可靠性得到了較大提高。但真空斷路器操作過電壓，對(duì)電機(jī)、變壓器、電力電纜等電氣設(shè)備絕緣造成的危害和影響也是需要我們重視和解決的問題。

一、操作過電壓的產(chǎn)生與特點(diǎn)

由于電路中的電力設(shè)備大都可以看作為儲(chǔ)能元件，在真空斷路器開斷瞬間，儲(chǔ)存在電感、電容中的能量，會(huì)產(chǎn)生過電壓。真空斷路器操作過電壓，主要有三種形式：即截流過電壓，多次重燃過電壓和三相同時(shí)開斷過電壓。

1.截流過電壓

(1)截流過電壓的產(chǎn)生

真空斷路器熄弧性能極佳，開斷交流小電流時(shí)，當(dāng)電流從峰值下降到自然零點(diǎn)前，真空電弧便會(huì)熄滅。由于電流被突然中斷，截流電流滯留在高壓電動(dòng)機(jī)的電感繞組中，此殘余電磁能量(1/2×L×I2)，必然向雜散電容(C)充電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量(1/2×C×U2)，不計(jì)熄弧期間電源電壓加在電容C的殘余電壓，能量轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電壓近似為：U＝Ic×Z(其中Ic為截流值)。式中：Z為波阻抗( Z= L/C )，U為截流過電壓。由于C值甚小，因而過電壓數(shù)值較高。

(2)截流過電壓的特點(diǎn)

(a)截流過電壓的高低與真空斷路器的截流值Ic的大小有關(guān)。Ic越大，過電壓越高；

(b)高壓電動(dòng)機(jī)容量越小，過電壓越高。這是因?yàn)樨?fù)載回路中電容較小，電感較大，波阻抗Z較大所致；

(c)截流過電壓的高低具有隨機(jī)性質(zhì)。真空斷路器的截流水平實(shí)際上是多次測(cè)試的平均值。

2.多次重燃過電壓

(1)多次重燃過電壓的產(chǎn)生

真空開關(guān)在開斷三相感性負(fù)載(如高壓電動(dòng)機(jī))時(shí)，真空開關(guān)各極觸頭的分離不會(huì)完全同期，總是有先有后。如果真空開關(guān)其中某一極觸頭正好在某相電流過零前分離，電流即過零，電弧則首先在該相熄滅。在首先開斷的那極觸頭上就會(huì)發(fā)生電壓恢復(fù)過程。由于真空斷路器觸頭間隙很小(6kV等級(jí)10mm左右)，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度不高，在較高的恢復(fù)電壓作用下，間隙有可能被擊穿。因回路參數(shù)的影響，觸頭擊穿重燃時(shí)將流過高頻電流。如果高頻電流的幅值大于工頻電流瞬時(shí)值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)高頻電流零點(diǎn)。真空開關(guān)具有較強(qiáng)的分?jǐn)喔哳l電流的能力，在高頻電流零點(diǎn)又使電弧熄滅而開斷電流。此刻負(fù)荷側(cè)的電感和電容發(fā)生電磁振蕩，產(chǎn)生較高電壓。這一電壓又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(diǎn)開斷電流，電壓又要上升。隨著觸頭的不斷分開，其介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度不斷增高。當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓恢復(fù)速度，重燃不復(fù)產(chǎn)生，電壓升級(jí)終了。多次重燃的結(jié)果，使得負(fù)載上的電壓不斷升高，從而產(chǎn)生較高的過電壓。

(2)多次重燃過電壓的特點(diǎn)

(a)陡度大，幅值高(高于截流過電壓)，盡管出現(xiàn)機(jī)率很少，但對(duì)頻繁操作的高壓電動(dòng)機(jī)是一大危險(xiǎn)隱患；

(b)上升陡度很高，對(duì)電機(jī)繞組間的絕緣危害極大，過電壓值不需很高，就能使匝間絕緣損壞。

3.三相同時(shí)開斷過電壓

(1)三相同時(shí)開斷過電壓的產(chǎn)生

真空斷路器首相開斷熄弧產(chǎn)生的高頻電流通過三相互耦和中性點(diǎn)疊加在其他未斷開的兩相工頻電流上，造成其他兩相電弧電流強(qiáng)制過零，使得未斷開的兩相隨之同時(shí)被切斷。此兩相被截?cái)嗟墓ゎl電流往往比首相截流值大，十分類似于較大水平的截流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生比首相開斷截流過電壓更高的操作過電壓。

圖一

圖二

(2)三相同時(shí)開斷過電壓的特點(diǎn)

(a)大過電壓總是發(fā)生在后兩相的開斷時(shí)刻，與斷路器的截流水平關(guān)系不大；

(b)開斷中小容量電機(jī)負(fù)載情況下，易出現(xiàn)三相同時(shí)截?cái)噙^電壓。

二、過電壓保護(hù)分析

對(duì)過電壓保護(hù)主要從以下兩方面來考慮：

(a)采用低截流斷路器來降低操作過電壓。截流過電壓與開關(guān)截流值成正比，而斷路器的截流值與觸頭材料有關(guān)，現(xiàn)在一些真空斷路器截流值已降至3～5A，這樣可降低截流過電壓。但這并不能限制多次重燃過電壓和三相同時(shí)開斷過電壓。

(b)采用專門的保護(hù)裝置。

1.阻容吸收裝置

阻容吸收裝置主接線圖見圖一，其原理是利用增大被保護(hù)設(shè)備上的并聯(lián)電容辦法來降低過電壓幅值。當(dāng)過電壓波通過阻容吸收裝置組成的電路時(shí)，一個(gè)與電容器串聯(lián)的阻值為100～200歐姆的電阻則起釋放部分能量的作用。

其并聯(lián)電容作用有二：

(1)根據(jù)U=Ic×Z，Ic為截流值，Z為設(shè)備波阻抗。增大并聯(lián)電容，使設(shè)備波阻抗減少，能夠降低操作過電壓的幅值。

(2)并聯(lián)電容器可以平緩入侵到被保護(hù)設(shè)備的過電壓的陡度，大大改善了設(shè)備上電壓梯度，能有效地保護(hù)電機(jī)的絕緣。但是阻容吸收器絕緣強(qiáng)度及介質(zhì)的局部放電量問題控制不是很好，并聯(lián)在設(shè)備上會(huì)產(chǎn)生0.1A左右電容電流，加大了網(wǎng)絡(luò)的電容電流，可能會(huì)加大單相弧光接地過電壓。另外電力系統(tǒng)內(nèi)的高頻諧波也會(huì)使R—C裝置發(fā)生發(fā)熱、擊穿等現(xiàn)象。

2.無間隙氧化鋅避雷器

無間隙氧化鋅避雷器采用氧化鋅電阻片，有極其優(yōu)異的非線性伏安特性。

其主接線見圖二。

主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)為：

(a)動(dòng)作不需要間隙，電壓稍微升高，即可迅速吸收過電壓能量，抑制過電壓的發(fā)展。

(b)其續(xù)流為毫安級(jí)，因此在過電壓下只需吸收過電壓能量，不需吸收續(xù)流能量。

(c)性能穩(wěn)定，可靠性高。

(d)氧化性電阻片單位面積通流能力大，基本可以限制操作過電壓。

無間隙氧化鋅避雷器目前應(yīng)用較廣，其主要有待解決問題有下面兩點(diǎn)：

(a)設(shè)備的保護(hù)裕度不夠。就現(xiàn)在國(guó)產(chǎn)的保護(hù)電動(dòng)機(jī)無間隙氧化性避雷器2.5kA、8/20μs殘壓不大于19.0kV。一般電動(dòng)機(jī)的1min工頻耐壓值為2Ue+1，對(duì)已運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)為上述耐壓值的75%，即電動(dòng)機(jī)的沖擊耐壓值為：Us＝1.414×(2Ue+1)×0.75×K。式中Ue為電動(dòng)機(jī)電壓等級(jí)、K為沖擊系數(shù)，取1.15，考慮設(shè)備老化系數(shù)乘0.75，以6KV電壓等級(jí)電動(dòng)機(jī)為例，其相對(duì)地和相對(duì)相絕緣沖擊耐壓水平為：Us＝1.414×(2×6＋1)×0.75×1.15=15.9kV。為了尋求更大保護(hù)裕度必須進(jìn)一步降低無間隙氧化性避雷器的殘壓，如果簡(jiǎn)單地減少氧化性電阻片的數(shù)量來降低殘壓目標(biāo)，就會(huì)使它的荷電率很高，有功損耗增大，在持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間過電壓情況下出現(xiàn)熱不平衡，導(dǎo)致避雷器爆炸事故發(fā)生，嚴(yán)重影響避雷器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

(b)氧化性避雷器的接線為相—地間保護(hù)，其保護(hù)范圍是相與地之間的過電壓，無法保護(hù)相與相之間的過電壓。

三、實(shí)際使用情況分析

真空斷路器操作過電壓可采用以上三種方法進(jìn)行保護(hù)，目前我們電氣運(yùn)行班組所采用的操作過電壓保護(hù)器具體情況如下：

1.采用阻容吸收器保護(hù)，在實(shí)際使用的過程中存在以下問題：

(a)發(fā)生過電容器漏油現(xiàn)象，影響設(shè)備安全運(yùn)行；

(b)過電壓保護(hù)采用阻容吸收裝置，加大了系統(tǒng)的電容電流。整個(gè)變電所6kV系統(tǒng)采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式，與整個(gè)6kV系統(tǒng)相連電纜線路(Lcab)較長(zhǎng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式單相接地電容電流Ic=UN×Lcab/10計(jì)算，變電所6kV系統(tǒng)已有較大電容電流。按每個(gè)并聯(lián)在設(shè)備上產(chǎn)生0.1A左右電容電流、整個(gè)配電所按投運(yùn)18個(gè)開關(guān)柜計(jì)算，將會(huì)增加1.8A左右的電容電流，更易引起弧光接地過電壓。

2.無間隙氧化鋅避雷器應(yīng)用較多，在實(shí)際使用的過程中主要存在以下問題：

(a)設(shè)備的保護(hù)裕度不夠。某日，配電所施工二線發(fā)生接地故障，由于接地時(shí)電容電流較大，電弧的時(shí)熄時(shí)燃，使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振過電壓，結(jié)果使運(yùn)行中的P110B電機(jī)絕緣擊穿。事后分析，除該電機(jī)運(yùn)行時(shí)間太長(zhǎng)設(shè)備老化外，氧化性避雷器的保護(hù)裕度不夠及無法保護(hù)相與相之間的過電壓也是產(chǎn)生這次事故的原因；

(b)試驗(yàn)中會(huì)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)因閥片老化、受潮，使泄漏電流增加，因此在運(yùn)行中也存在一定隱患。

3.后來分別對(duì)其他變配電所進(jìn)行改造，將原來安裝在開關(guān)柜上的氧化鋅避雷器及阻容吸收器拆除，更換安裝了三叉戟式過電壓保護(hù)器。

總結(jié)施工及使用過程，三叉戟式過電壓保護(hù)器是目前較為理想的過電壓保護(hù)器。其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

(a)由于其體積小，接線采用軟連接，因此更換非常方便，大大縮短了施工工期；

(b)帶放電間隙，提高了過電壓保護(hù)器的使用壽命；

(c)它采用四星形接法，大大降低了相間過電壓，能可靠地保護(hù)運(yùn)行設(shè)備；

(d)由于密封性能好，使自身故障率降低，經(jīng)過改造后幾年運(yùn)行下來，運(yùn)行性能穩(wěn)定良好。