真空開關(guān)過電壓

1、真空開關(guān)過電壓真空開關(guān)過電壓真空斷路器操作過電壓原因分析及防范措施真空斷路器操作過電壓原因分析及防范措施摘要本文介紹了百丈漈電廠采用真空斷路器替換少油斷路器的情況，針對真空斷路器的操作過電壓現(xiàn)象，分析了真空斷路器產(chǎn)生操作過電壓的原理，通過對真空斷路器操作過電壓的原因分析提出了防范建議，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況做了技術(shù)改進(jìn)和防范措施。關(guān)鍵詞真空斷路器操作過電壓分析及防范溫州百丈漈水力電廠系梯級發(fā)電企業(yè)，成立于上世紀(jì)60年代初期，有百一電、百二電兩級電站，總裝機(jī)44.6MW現(xiàn)另管轄三個110kV變電所和三個多經(jīng)電站（裝機(jī)29MW,共有各電壓等級真空斷路器74臺。從1995年開始斷路器無油化改造以來，對其

2、下屬單位共18臺少油斷路器進(jìn)行了技改，全部采用了真空斷路器，對95年后施工的電壓等級為35kV、10kV、6kV斷路器設(shè)備亦進(jìn)行了真空斷路器的選型。真空斷路器是利用真空的絕緣和滅弧性能構(gòu)成的開關(guān)設(shè)備。它的觸頭是在密封的真空腔內(nèi)分、合電路的，觸頭切斷電流時，僅有金屬蒸汽離子形成的電弧，而無氣體的碰撞游離，因金屬蒸汽離子的擴(kuò)散及再復(fù)合過程非常迅速，從而能快速滅弧和恢復(fù)原來的真空度，可經(jīng)受多次分、合閘而不降低開斷能力。因此真空斷路器具有維護(hù)工作量小、斷流容量大、適宜頻繁操作等許多優(yōu)點(diǎn)，但是，真空斷路器在運(yùn)行中發(fā)生的操作過電壓問題亦引起了人們的高度關(guān)注?，F(xiàn)筆者就關(guān)于在選用真空斷路器過程中，為避免選用真

3、空斷路器所帶來的操作過電壓問題做一些探討。一、操作過電壓的分析真空斷路器在接通和分?jǐn)嚯娐窌r，都可能發(fā)生操作過電壓。真空斷路器的觸頭合閘時一般存在不同程度的彈跳現(xiàn)象，因而發(fā)生過電壓。但接通電路時，觸頭間距隨時間增長很快消失，觸頭間出現(xiàn)的過渡電壓呈下降趨勢，因此，過電壓的峰值一般較低，對設(shè)備沒有多大威脅。所以，影響設(shè)備安全運(yùn)行的主要是斷開電路時產(chǎn)生的過電壓，即截流過壓和電弧重燃過電壓、重?fù)舸┻^電壓。截流過電壓。真空斷路器開斷小電感電流時的截流現(xiàn)象，主要是由于電弧電流較小時，陰極斑點(diǎn)提供的金屬蒸氣不夠充分和穩(wěn)定引起的。真空電弧由電極在分?jǐn)嗨查g受熱引起金屬蒸發(fā)而形成，電弧使電極表面出現(xiàn)一些斑點(diǎn)，這些斑

4、點(diǎn)上的金屬會不斷熔化和蒸發(fā)來維持真空電弧。開斷大電流時，金屬蒸氣充分蒸發(fā)，電弧比較穩(wěn)定，在工頻電流自然過零時熄弧。試驗(yàn)證明，開斷幾百至幾千安的交流電流時，一般不會發(fā)生截流現(xiàn)象。開斷小電感電流時，如空載變壓器激磁電流（一般只有額定電流的0.62），由于弧柱擴(kuò)散速度太快，陰極斑點(diǎn)附近的金屬蒸氣壓力和溫度劇降，使金屬質(zhì)點(diǎn)的蒸發(fā)不能維持弧柱的擴(kuò)散，造成電流到達(dá)零點(diǎn)之前的某一瞬時值時發(fā)生強(qiáng)制熄弧而形成截流。因此由于真空斷路器良好的滅弧性能，當(dāng)開斷小電流時，電弧在過零前就會熄滅，由于電流被突然切斷，其滯留于電機(jī)等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰?。對于電機(jī)和變壓器，特別是空載或容量較

5、小時，則相當(dāng)于一個大的電感，且回路電容量較小，會產(chǎn)生較高的過電壓，特別是開斷空載變壓器時更危險(xiǎn)。由此可見，要降低過電壓，就需要降低截流值或變壓器、發(fā)電機(jī)的特征阻抗值。2 、電弧重燃過電壓、重?fù)舸┻^電壓當(dāng)真空斷路器斷開容性電流或大的電感電流時，將會產(chǎn)生重燃過電壓和重?fù)舸┻^電壓。重燃過電壓一般指的是電弧熄滅后，在工頻電壓相位角為090°范圍內(nèi)電弧復(fù)燃，重?fù)舸┦侵腹ゎl電壓相位角為90180”范圍內(nèi)電弧復(fù)燃。如圖1。如果在t=t。時斷路器斷開，產(chǎn)生電弧，因?yàn)殡娀‰妷汉艿?，可近似uf0（uf為電弧電壓），所以電源電壓U與電容電壓UC基本相等，即uUC。在tet1時，電流過零，電弧熄滅，這時電源

6、電壓將繼續(xù)按正弦規(guī)律變化而逐漸變小，但電容電壓因電路開斷不再變化，保持uC=-um，斷路器觸頭間的電壓uhf=uuc=Urm-（-Um）=2um,觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度不夠，發(fā)生了擊穿，電路會發(fā)生高頻振蕩（振蕩頻率f0=），觸頭間出現(xiàn)高頻電流。這時，電容器上的電壓為觸頭間的電壓減去電容上殘留的電壓，即uc=2UmUO=2Um（Um）=3Um（U。為電容上的殘壓）。電容上就出現(xiàn)了3倍過電壓。以此類推，這種情況繼續(xù)下去，觸頭間反復(fù)擊穿，電容上就會出現(xiàn)5倍、7倍的過電壓。雖然多次擊穿從理論上講是成立的，但實(shí)際上卻很少發(fā)生。因?yàn)橛|頭間距在開斷過程中是不斷增加的,介質(zhì)強(qiáng)度也將不斷提高。當(dāng)介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓過

7、渡增長速度時，電弧在電流過零時就會熄滅，兩者作用下重?fù)舸┈F(xiàn)象就會停下來。所以，重?fù)舸┧a(chǎn)生的過電壓有一定的限制，并不會太高。以開斷電容電路為例，實(shí)際中所測量觸頭間的電壓都在3Um以下。，由此可見發(fā)生重?fù)舸┻^電壓大小與分閘時的電流相位角有關(guān)，相位角越小，斷路器開斷時燃弧時間越長操作過電壓也就越高。另外，斷路器的分?jǐn)嗨俣纫嗪筒僮鬟^電壓有關(guān)，很明顯，當(dāng)斷路器的分?jǐn)嗨俣仍龃蠛?，電流過零時觸頭的分開距離增大，介質(zhì)強(qiáng)度亦因此增大，當(dāng)然不易發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象。二、操作過電壓的防范建議1 、真空管是造成截流過電壓的主要原因。所以采用導(dǎo)熱系數(shù)低，飽和蒸汽壓高、低截流水平的觸頭材料，應(yīng)用縱向磁場的熄弧原理，把截流過電

8、壓控制在一個較低的水平。將繼續(xù)按正弦規(guī)律變化而逐漸變小，但電容電壓因電路開斷不再變化，保持uc=-um，斷路器觸頭間的電壓uhf=uuc=Urm-(-Um)=2um,觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度不夠，發(fā)生了擊穿，電路會發(fā)生高頻振蕩(振蕩頻率f0=)，觸頭間出現(xiàn)高頻電流。這時，電容器上的電壓為觸頭間的電壓減去電容上殘留的電壓，即uc=2UmUO=2Um(Um)=3Um(U。為電容上的殘壓)。電容上就出現(xiàn)了3倍過電壓。以此類推，這種情況繼續(xù)下去，觸頭間反復(fù)擊穿，電容上就會出現(xiàn)5倍、7倍的過電壓。雖然多次擊穿從理論上講是成立的，但實(shí)際上卻很少發(fā)生。因?yàn)橛|頭間距在開斷過程中是不斷增加的,介質(zhì)強(qiáng)度也將不斷提高。當(dāng)介

9、質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓過渡增長速度時，電弧在電流過零時就會熄滅，兩者作用下重?fù)舸┈F(xiàn)象就會停下來。所以，重?fù)舸┧a(chǎn)生的過電壓有一定的限制，并不會太高。以開斷電容電路為例，實(shí)際中所測量觸頭間的電壓都在3Um以下。，由此可見發(fā)生重?fù)舸┻^電壓大小與分閘時的電流相位角有關(guān)，相位角越小，斷路器開斷時燃弧時間越長操作過電壓也就越高。另外，斷路器的分?jǐn)嗨俣纫嗪筒僮鬟^電壓有關(guān)，很明顯，當(dāng)斷路器的分?jǐn)嗨俣仍龃蠛?，電流過零時觸頭的分開距離增大，介質(zhì)強(qiáng)度亦因此增大，當(dāng)然不易發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象。二、操作過電壓的防范建議1 、真空管是造成截流過電壓的主要原因。所以采用導(dǎo)熱系數(shù)低，飽和蒸汽壓高、低截流水平的觸頭材料，應(yīng)用縱向磁場的

10、熄弧原理，把截流過電壓控制在一個較低的水平。2 、為了防止重燃或重?fù)舸┊a(chǎn)生的過電壓危害，采用“運(yùn)行老練”的方法來提高觸頭間的耐壓強(qiáng)度。所謂“運(yùn)行老練”，就是在真空管電極間加上一定的電壓，讓電極間隙發(fā)生火花擊穿放電，并控制放電電流的大小；經(jīng)過若干次的這種火花放電，存在于電極表面許多肉眼看不到的“毛刺”將被清除掉，擊穿電壓因此而得到提高。3 、選擇合適的分閘速度，有利于操作過電壓的減小。比如，在分?jǐn)嘈‰姼须娏鲿r，操作機(jī)構(gòu)的分閘速度適當(dāng)?shù)芈恍梢詼p少截流值；而分?jǐn)嚯娙蓦娐窌r，分閘速度可以快一些，以增加觸頭斷開距離，提高觸頭間的介質(zhì)強(qiáng)度，減小重?fù)舸┌l(fā)生?？梢?，在防范截流過電壓與電弧重燃、重?fù)舸┻^電

11、壓是相對的，兩者采用的措施在某種程度上出現(xiàn)了矛盾。所以我們只能在兩者之中根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，取其一平衡點(diǎn)，消除兩者最惡劣工況達(dá)到避其鋒芒的辦法。三、實(shí)際應(yīng)用措施1、選擇合適、可靠的發(fā)電機(jī)專用真空斷路器百丈漈電廠所管轄的電站均為水電調(diào)峰電站，其發(fā)電機(jī)出口真空斷路器的操作就相當(dāng)頻繁，如洪一電站兩臺機(jī)在2021年并網(wǎng)次次數(shù)就分別為328次、324次。所以在發(fā)電機(jī)出口斷路器的選型上應(yīng)需考慮截流過電壓做為重點(diǎn)。根據(jù)真空斷路器截流過電壓的產(chǎn)生原因分析，有兩個因素可以降低截流操作過電壓，即降低截流值或降低發(fā)電機(jī)的特征阻抗值。但是發(fā)電機(jī)的特征阻抗值是固定的，因此最合適的方法是降低真空斷路器操作的截流值。目前生

12、產(chǎn)的真空斷路器有普通配電型真空斷路器和發(fā)電機(jī)出口專用真空斷路器。在數(shù)次發(fā)電機(jī)斷路器無油化改造和新建電站的發(fā)電機(jī)出口斷路器的選型上，我們以選擇采用新型低截流值觸頭材料的真空斷路器為主。而技術(shù)上對真空斷路器觸頭的要求是多方面的，既要求觸頭的截流值低，又要求斷路器有很強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰Γǚ謹(jǐn)啻箅娏鞯哪芰Γ€要求在動、靜觸頭分開時具有較高的絕緣強(qiáng)度，單一的金屬材料很難滿足要求。因此，常用多元合金或在多孔的高熔點(diǎn)金屬（如鎢、鉻等）觸頭上浸漬低熔點(diǎn)合金（銅或銅合金）。這種觸頭的陰極斑點(diǎn)可噴發(fā)相對較多的金屬蒸氣，在滿足其他性能的要求下可以盡量降低截流值。CuCr觸頭材料是目前應(yīng)用最廣最成功的觸頭材料，具有開斷能

13、力強(qiáng)，耐壓水平高等優(yōu)點(diǎn)，但其截流值較高。為此在CuCr觸頭材料中添加Bi，Sb,Ta等材料，改變材料成分及含量,改變材料的金屬含量及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的真空斷路器是較適合我們發(fā)電機(jī)出口斷路器選型要求的。2 、調(diào)整真空斷路器的最佳開距。觸頭開距增大會使蒸氣粒子的擴(kuò)散空間增大,降低粒子密度和電弧溫度,導(dǎo)致截流值增大。所以在保證大電流開斷能力和耐壓水平的基礎(chǔ)上,將開距適當(dāng)?shù)販p小作為防截流操作過電壓的輔助手段。3 、通過調(diào)整分閘彈簧,將發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘速度適當(dāng)放慢。4 、并聯(lián)金屬氧化鋅避雷器。但是其保護(hù)作用是限制過電壓的幅值,而不能限制過電壓的波頭陡度,在達(dá)到避雷器動作門檻電壓前不能減輕過電壓對發(fā)電機(jī)縱絕緣的作用。通過現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行的檢驗(yàn),在百丈漈電廠利用真空斷路器替代少油斷路器以來,未出現(xiàn)操作過電壓損壞設(shè)備事故的發(fā)生。綜合以上的分析及采用的措施來看,選用不同的真空斷路器在不同的運(yùn)行設(shè)備上使用是關(guān)鍵之舉。在適當(dāng)調(diào)整真空斷路器的開距和分合閘速度上,我們需嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)程規(guī)定,切不可顧此失彼。如發(fā)電機(jī)出口斷路器的分閘雖要防止截流操作過電壓,但是也要防止發(fā)電機(jī)滿負(fù)荷時的保護(hù)動作跳閘要求。并聯(lián)氧化鋅