真空断路器的操作过电压及其防护措施

程根宣

(淮北矿业集团临涣选煤厂,安徽淮北 235141)

真空断路器的操作过电压及其防护措施

程根宣

(淮北矿业集团临涣选煤厂,安徽淮北 235141)

随着高压开关无油化改造,真空断路器应用越来越普遍,其操作过电压问题也显得尤为突出。此处对其操作过电压的分析,详细介绍了几种抑制截流过电压和多次重燃过电压的防护措施。

真空断路器;过电压 ;防护措施

0 引言

真空断路器是指触头在真空中关合、开断的断路器。1893年美国里顿豪斯(Rittenhause)设计的第一只结构简单的真空灭弧室就以专利的形式发表,1961年美国通用电气公司首先研制成功额定电压 15kV,分断能力达到12.5kV,开断电流31.5kA的真空断路器。我国从1958年前后开始研究真空断路器的理论,到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,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,我国正在开发110kV电压等级的双断口真空断路器。

真空断路器以具备良好的灭弧特性,体积小,重量轻,操作功率小,动作快,开断容量大,不产生高压气体及有毒气体,无火灾及爆炸危险,不污染环境,适宜频繁操作,电气寿命长,运行可靠性高,不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、铁道电气化以及矿山等行业里得到了广泛的应用。但开断电感回路小电流时容易发生截流过电压及电弧重燃过电压,真空断路器的分断操作过电压甚至达到电源峰值电源的4.5倍,因此,我们必须从加强运行管理和采取防护措施来抑制操作过电压,以保证电网的安全运行。

1 过电压的类型

1.1 截流过电压

真空断路器有良好的灭弧性能,当开断电感回路小电流时,电弧在过零前就会熄灭,由于电流被突然切断,滞留于电机和变压器等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电,转变为电场能量,负载内部将发生一个电磁振荡过程,直到将所贮存的能量全部损耗完为止。在此振荡过程中,负载两端将出现—个过电压,这种过电压叫截流过电压。对于电机和变压器,特别是空载或容量较小时,易产生较高的过电压,特别是开断空载变压器时。从理论上讲可以产生很高的过电压,但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿,对过电压值有相当的抑制作用,但这种抑制作用是有限的,不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此,采用真空断路器对感性负载操作时,应加装过电压保护设备。

1.2 多次重燃过电压

真空断路器在开断较大的感性电流(如电动机起动电流等)时,即使截流过电压不成问题,也常会因发生过电压而击穿电机的匝间绝缘。而这种过电压是由于真空断路器的多次重燃而引起的,故称之为多次重燃过电压。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃,电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中,触头的一侧为工频电源,另一侧为电感电容回路充放电产生的振荡电压,由于真空断路器触头间距较小,两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿,断路器的恢复电压就会升高。如此发生第二次重燃,再灭弧、再重燃,以致发生多次重燃现象,多次的充放电振荡,触头间的恢复电压逐级升高,负载端的电压也不断升高,致使产生多次重燃过电压,损坏电气设备。这种过电压又可分为首开相多次重燃过电压和三相同时截流过电压两种。

1.3 开断容性负载时的过电压

真空断路器开断容性负载的性能比其它类型的断路器好得多。因此,一般不易发生重击穿。但是由于真空间隙的弧后介质恢复强度不够稳定和直流耐压水平较低,仍有发生重击穿的情况,但其发生过电压的概率非常低。这种过电压偶尔发生后能很快地自动恢复其耐压强度,不至于发生连续多次的重击穿,因此,过电压值并不高。

1.4 接通过电压

当真空断路器在接通电路时,触头间距将逐渐变小,在触头机械地接触前,会产生预击穿,这样就有高频电流流过。接着,便在高频电流零点处进行开断.与开断时的情况一样,也会出现过电压。只不过在接通时,随着触头间距的逐渐变小,触头间耐压值也随之降低,过电压的峰值因而也受到抑制,故不会产生过高的过电压。

2 过电压的防护措施

由于电机和变压器绕组等均存在较大的电感量,以及绕组的匝间电容、对地电容和杂散电容的存在。当真空断路器切断电机和变压器等小电流电感回路时,产生过电压危害电机和变压器绝缘及回路电路内的电气设备,因此,对于截流过电压和重燃过电压必须采取有效措施抑制操作过电压,以保护电气设备能安全可靠地运行,同时扩大真空断路器的应用范围。

2.1 开发和制造低截流水平低重燃率的真空断路器

低截流水平低重燃率的真空断路器的开发和制造与配用的真空灭弧室紧密相关,主要是:(1)采用低截流水平的触头材料。在这方面,近几年来,国内外在触头材料的开发方面有了快速的发展,不少新触头材料相继投入使用,其截流水平通常可控制在0.5～1A以下。(2)触头结构方面,纵向磁场触头结构和低截流水平触头材料的结合,既提高厂真空断路器的开断能力,又降低了因截流而引起的过电压。(3)制造工艺水平的改进和提高,尤其是一次封排技术的采用及彻底的长时间的烘烤去气和有效的电流电压老炼,使得真空灭弧室的截流水平和重燃率有了明显的降低。

2.2负载端并联电阻和电容(RC保护装置)

在负载进线端并联电阻R和电容C的串联保护装置,可使过电压得到抑制。这是因为电容器既可减缓过电压的上升陡度,又可降低负载的波阻抗,因而可降低截流过电压。而在发生截流时,电阻R能消耗负载电路中的高频振荡能量,使过电压得到有效地抑制。而当间隙重燃时,它又增大了高频放电电路的衰减系数。使高频电流迅速衰减和减小振幅因数,并可减少重燃次数,使多次重燃过电压得以明显地下降,甚至可有效地防止它的发生。抑制真空断路器操作过电压危及电机绝缘的RC保护装置,它可使绝大多数电路的操作过电压降至电源电压峰值的2～2.5倍以下。在几种RC保护装置中,双路RC过电压保护装置效果最好,R1C1主要保护相间过电压,R1、C1应选择C1=0.1～0.2uF,R1=100Ω。R2C2主要保护对地过电压,C2的接入是为了消除相对地的过电压。组合式RC装置解决了中性点不接地型RC保护装置不能消除的相对地之间的高频振荡,同时又能解决中性点直接接地型RC保护装置中对地电流过大而容易烧毁电阻R1的缺陷和单相短路时电容电流过大导致馈电回路跳闸的问题。因此,用双路RC保护装置来抑制电动机和变压器等电感负载过电压,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种类型过电压的有效措施。在各种类型的避雷器中,无间隙氧化物避雷器是由氧化锌非线性高性能电阻片叠装而成。它工作在伏—安特性的高欧姆状态(高阻态)。仅流过几微安的容性电流,在过电压袭击下能急速转入高导电状态而产生对电流,一旦限制器端电压降到长期允许值以下,即恢复高阻态。目前氧化锌避雷器以其优良的性能得到广泛应用。它不仅能防止雷电流对电气设备的危害,还特别适合于限制各种操作过电压,如投切高压电机、切空载变压器等产生的过电压,对保护电容器组免受操作过电压的损坏也特别有效。

新型的复合绝缘金属氧化物避雷器具有以下特点:残压低、通流能力大、响应时间快、陡波特性平坦等。其外绝缘的耐电腐蚀、抗老化、耐高温、耐污秽等都强于瓷套式避雷器,同时具有良好的防爆性能和优异的密封性能。

氧化物避雷器有电机型、电站型、电容器型、配电型等四种。

氧化物避雷器接线方式最常见的有中心点直接接地和三相组合式两种,以三相组合式抑制操作过电压效果最好。

2.4 串联电感(LR过电压抑制器)

在真空断路器与电动机供电电缆之间串联数百微亨的电抗线圈(或饱和电抗器),可有效地抑制重燃时的高频电流,达到降低过电压上升陡度和峰值的目的。如果在饱和电抗器上并联电阻R,组成L—R过电压抑制器,其效果会更好。但有一点要注意,那就是电感L不能串接在电缆与电动机之间,否则将不能起到降低过电压上升陡度的作用。

2.5 负载端并联电容

将一只电容器并联在感性负载端上,可以有效地降低负载的波阻抗,从而降低截流过电压。需要引起注意的是,负载波阻抗的降低虽会使真空断路器的截流值增大。但截流过电压取决于截流值与波阻抗两者的乘积,所以随着负载上并联电容的增大,过电压值是降低的。这己为实验结果所证实。并联电容亦能减缓过电压的前沿陡度,因此,不仅能保护感性负载免遭截流过电压的危害。还可减轻多次重燃过电压对感应电动机造成的损坏。

这种方法用来保护变压器时,一般在变压器的高压端并联一只0.1～0.2μF的电容器即可。但当变压器和真空断路器用电缆连接时,由于电缆有较大的分布电容,其作用与并联电容器相同,因而可以明显地降低截流过电压,而且电缆的长度越长其限制截流过电压的效果越好。

TN108.4

A

1671-8275(2010)01-0062-02

2009-10-10

程根宣(19682),男,安徽巢湖人,淮北矿业集团临涣选煤厂工程师。

责任编辑:张彩云