真空断路器的过电压保护

1  引言     真空断路器因其具有优良的灭弧性能、优异的频繁操作特性、高电气恢复强度以及结构简单、维护方便、安全可靠等特点，广泛地应用在电力系统中。但由于在截流、重燃或三相同时断开时等原因产生过电压，造成设备损坏，在实际运行中，为限制这种过电压而采用多种保护设备。由于选用不当或者保护性能不适用，运行事故时常发生。本文对此种过电压设备的选用配置提出了粗浅的分析意见，以供同行参考。 2  真空断路器操作过电压的产生及原因分析     真空断路器在开断高压感应电动机等感性负载时，所产生的过电压有三种类型：即截流过电压、多次重燃过电压、三相同时开断过电压。分析这三种过电压的产生原因及特点，对正确地选用保护设备有重大的作用。 2.1  截流过电压     真空断路器有较好的熄弧性能，在开断时，可以使电弧在电流过零前开断，截断电流滞留在电动机或变压器中，此时剩余的能量在电动机或变压器电感绕组和散电容间振荡产生较高过电压。截流过电压有以下特点：     (1)截流过电压与真空断路器的截流值，Ic大小有关，截流值越高，过电压值越高；     (2)截流只发生在开断小电流时，电流越大，陡度越大，截流值就越小；     (3)过电压的震荡频率很高，可达数千Hz，高的频率必然伴随着高的过电压；     (4)相对地过电压是按相对地电容和相间电容而分配的，通常相对地过电压为相间的2/3；     (5)电动机和变压器容量越小，过电压越高。电动机和变压器容量小，开断电流较小，回路电容小，电感大，因而波阻抗较大，造成过电压数值高；       (6)回路的电缆在50~200m范围内过电压最高，而这一长度范围基本是开关柜到电动机或变压器的长度，电缆长度过短时，振荡频率高，熄弧困难，延长了熄弧时间，过电压低；电缆长度长时，回路电容量大，波阻抗下降也会使过电压降低。 2.2  多次重燃过电压     当真空断路器在电流过零前开断，触头的一侧是工频电网电源，一侧是高频振荡产生的过电压。触头间恢复电压为两者之合，在触头开距小、触头间耐压不充分的情况下发生第一次重燃。电源向回路中的电阻充电，出现类似空载长线路合闸的震荡过程。回路的参数决定了重燃的高电流频率高达数千Hz。这使得重燃的振荡电压高于截流电压，这种震荡过程直至绝缘介质的恢复强度超过电压恢复速度才终止。多次重燃过电压的特点：     (1)陡度大，幅值高；     (2)变压器和电机绕组的电压分布上，过电压陡度和频率关系很大，这种过电压对匝间绝缘威胁很大。 2.3  三相同时开断过电压     真空断路器首先断开相熄弧产生的高频电流通过三相互耦合中性点叠加在其它未断开的两相工频电流上，造成其它两相电弧电流强制过零，使得未断开的两相随之同时切断。此两相被截断的工频电流更大，从而产生比首相开断过电压更高的过电压。此类型过电压的特点是：     (1)最大过电压总是发生在后两相开断时刻；     (2)在开断中小容量电机或轻负载时，容易出现三相同时截断。 3　各种保护设备在油田电网的应用情况及其评价     我们油田的负荷主要是电机负载，有小容量的抽油机电机负载，也有2000kW的注水电机负荷，对真空断路器的操作过电压保护有阻容吸收器、无间隙氧化锌避雷器和带串联间隙氧化锌这三种保护装置。现对其作用及使用过程中出现的问题作一分析。 3.1　阻容吸收器     阻容吸收器并联在电动机出口，电阻与电容串联接地。由于吸收电容比杂散电容大，降低了波阻抗，从而降低了断路器开断时恢复电压上升的陡度，减少了发生重燃的机会；另外吸收电阻抑制了重燃时高频电流的增长，并对高频电流变成以R—C时间衰减的电流，推后了电流过零的时间。这时触头开距已足够大，足够平缓恢复电压，不再发生重燃。     另外，回路容抗在数千Hz高频截流过电压的作用下急剧下降，成为很好的吸收回路，电容的这种频敏效应，大大增加了R—C的保护效果。根据现场的运行实践经验和数据证明阻容吸收器在限制真空断路器揖作过电压方面取得了良好的效果。     但在实际运行中，电容吸收器也有其副作用。R—C吸收器的安装增加了接地电容电流，系统接地时，电容电流大，不易熄弧，经常发生弧光接地过电压。另外，由于安装时没有系统的考虑，使网络的系统零序容抗和电压互感零序感抗刚好在谐振区之内，最后调整了部分R—C阻容吸收器的电容量，加了一台消弧线圈，才解决了上述接地电容电流大和零序容抗与零序感抗比在谐振区容易造成铁磁谐振的问题。 3.2　无间隙氧化锌避雷器     在我们的油田电网中，也采用了无间隙氧化锌避雷器，用以限制操作过电压。无间隙氧化锌在中性点接地系统过电压中发挥着很好的作用，但在保护真空断路器的操作过电压中感觉效果不好，存在以下问题：     (1)电网的长期接地运行，容易造成阀门老化，易出事故。我们油田的电网为中性点非有效接地系统，油田的生产特点对供电的可靠性要求比较高，发生系统单相接地后，经常长时间运行，由于电机属于弱绝缘，为了保护电机绝缘，通常避雷器选择的持续运行电压比较低，而接地时，非接地相电压升高到线电压，与避雷器的动作电压相差无几，又长期运行，多次发生避雷器爆炸事故；     (2)不能保护相间绝缘，安装在高压开关柜内的避雷器，每相一只，采用星型接法，裕度小，保护对地绝缘已很勉强(其线压值与电机耐压值裕度小)，对相间绝缘基本不起作用；     (3)不能改变振荡频率，对匝间绝缘保护不利。开断过电压和重燃过电压振荡频率很高，波头陡，绕组间电位梯度决定于Ldi/dt，匝间绝缘对频率变化比较敏感，MOA只能限幅，不能降频率，对保护电机的匝间绝缘不利；     (4)响应速度跟不上电压波的变化。氧化锌避雷器虽然以响应速度快而著称。但其总体性能总是有限，经有关资料研究证明：氧化锌避雷器对于2/8的波形，其残压假设为1，当波形减少至1μs时，残压在以下开始，会出现一个尖峰。此时尖峰的残压高出约20%，当波头变小时，高出值变大。而多次重燃和三相开断波头不足，残压值应提高，与绝缘耐压之间的网络重成间隙。 3.3  串联间隙氧化锌避雷器     为了解决接地时无间隙氧化锌避雷器的问题以及解决避雷器不能保护相间的绝缘，我们某些变电站引进了带串联间隙的星形避雷器。但这种避雷器也存在以下问题：     虽然通过增加串联间隙使阀片在接地运行时得到保护，但这种避雷器与上文提到的③④问题仍不能解决。由于避雷器加串联间隙在某种程度上增加了避雷器的残压值，对电机的绝缘保护不利。 4　结论     综上所述几种避雷器的性能比及其在我油田的运行经验来看，阻容吸收器对真空开关操作过电压的抑制是最好的，在安装配置时统盘考虑，注意抑制其增大接地电容电流和与电压互感器匹配不好容易形成铁磁谐振的问题。