真空开关操作过电压的产生及防范措施

张风军 付茂林

【摘要】为了减少真空开关操作过电压对高压电机的损害，有必要弄清真空开关的工作原理，识别产生过电压的原因。真空断开关在开断电机等感性负载时产生的波陡度很大，幅值很高，直接威胁感性负载的匝间绝缘，是造成电机设备损坏的重要原因之一。目前抑制过电压的措施有两种，一种是限制过电压幅值的避雷器，另一种是降低过电压振荡频率的阻容（R—C）过电压吸收器。故对真空断路器操作过电压抑制措施进行研究是必要的，只有采取适当的保护措施，从降低过电压幅值和波陡度这两方面考虑，就能有效抑制或减轻其危害，这对广泛推广真空断路器的应用将起到积极的推动作用。【关键词】真空开关 过电压 防范

1 概述

真空开关因其开断容量大、开断能力强、开断电弧小等优点，而广泛使用于配电断路器，大负荷起动开关，尤其是在油田大功率（1500KW左右）注水电机起动中应用更为普遍。由于真空开关断电能力极强而容易产生操作过电压，注水电机属感性负载，在感性负载中，这种过电压幅值高，能达到电源电压的几倍，甚至几十倍，上升陡度快，频率也高，对电网中的负载及其本身负载的绝缘造成一定的影响，甚至会击穿电缆、电机的绝缘层，引起电气事故。在实际应用中，应对真空开关的操作过电压采取必要的防范措施。

2 真空开关开断原理

真空灭弧室：

真空灭弧室是真空开关中最重要的部件，如图1。真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，静触头焊接在静导电杆上，动触头焊接在动导电杆上，动导电杆在中部与波纹管的一个断口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。由于波纹管可以在轴向上自由伸缩，故这种结构即能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。

（1）动触杆：动触杆与绝缘杆连接，实现操作动力的转动。

（2）波纹管： 波纹管既要保证灭弧室完全密封，又要在灭弧室外部操动时使触头作分合运动，允许伸缩量决定了灭弧室所能获得的触头最大开距

（3）外壳： 整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。对外壳的要求首先是气密封要好；其次是要有一定的机械强度；再是有良好的绝缘性能。

（4）导电系统： 定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极，动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极，由真空灭弧室组装成的真空断路器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。

（5）屏蔽罩： 触头周围的屏蔽罩主要是用来吸附燃弧时触头上蒸发的金属蒸气，防止绝缘外壳因金属蒸气的污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏，同时，也有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。在波纹管外面用屏蔽罩，可使波纹管免遭金属蒸气的烧损。

（6）触头：触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同的，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10kA以下电流。目前，常采用的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

真空开关開断原理：

真空灭弧室是用密封在真空中的一对触头来实现电力电路的接通与分断功能的一种电真空器件，是利用高真空作绝缘介质。当其断开一定数值的电流时，动、定触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，表现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致间隙击穿，产生了真空电弧，当工作电流接近零时，同时触头间距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断，开断结束。

3 真空开关操作过电压的产生

（1）载流过电压。由于真空开关真空度相当高，出厂时在1.333×10-4Pa以上，运行中也在1.333×10-2Pa以上，所以具有良好的灭弧性，在切断小电流时，电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，滞留在电机电感绕组中的能量会向绕组中的杂散电容充电，转变为电场能量，对电机，特别是负荷较小时，相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生很高的过电压，虽然回路有一定的电阻或触头被击穿，对过电压有一定的抑制作用，但这种抑制作用有限，不能消除在切断小电流时产生的过电压。

（2）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。在真空开关切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电振荡电源，如果触头开距不够大，两个电压叠加就会使弧隙之间击穿，发生重燃，然后再灭弧、再重燃，形成多次充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，产生多次重燃过电压。

（3）开断过电压。在动静触头刚分离时，由触头材料本身产生的金属蒸气电离后，使触头间隙击穿，形成真空电弧，这种真空电弧电流相当小，当它被突然切断时，

因所带电机为感性负荷，容量又比较大，电机上的剩余电磁场就会产生反向过电压（也称载流压），这种过电压可达到额定供电电压的十倍左右。

4 操作过电压的防范

防范操作过电压主要采用限制过电压幅值的氧化锌避雷器（MOA）和降低过电压振荡频率的阻容（R—C）过电压吸收器。

4.1 带并联间隙的氧化锌避雷器（MOA）

负载为电机的操作过电压保护中，一般采用带并联间隙的MOA，带并联间隙的结构是将阀片分为主阀片RI和并联阀片R2，R1和R2串联，在R2上有并联间隙G。在正常电压下，G不放电，电压加在R1和R2上，运行安全可靠，过电压作用时，避雷器上的残压还未达到技术条件规定值之前，G放电，R2被短路，避雷器的残压完全由R1上的残压所决定，所以残压比较低，保护性能也比较好。氧化锌避雷器应尽量靠近电机侧安装。

4.2 阻容保护器

阻容保护器是一种保护效果较好的措施，只要阻容参数选择恰当，就可降低恢复电压上升陡度，降低振荡频率，减少负载波阻抗，就能有效降低过电压幅值。电容C的作用，除可降低过电压幅值外，主要用以减缓过电压上升陡度，电阻R则起消耗高频振荡电能，抑制截流过电压幅值的作用。采用双回路阻容保护器效果最隹，它即能解决对地电路中的高频振荡，又可解决对地电流过大和阻容保护装置电阻烧损问题。由于负载等效电感和开关的截流值等参数难以查找和实测，难以准确选择阻容参数。如果R、C阻容参数选择不当，不但起不到保护作用，反而会起消极作用，甚至会导致过电压幅值倍增，因此在选R—C阻容吸收器时应谨慎小心。

5 结语

由于油田高压注水电机功率大、造价高，分析操作过电压产生的原因，认清其危害，采取有效的防范措施，对高压注水电机的平稳运行具有十分重要的意义。

参考文献

[1] 彭发荣.真空开关操作过电压对高压电机绝缘的危害[EB/OL]

作者简介

张风军：工程师，专科，主要从事石油化工电气安装质量管理工作。