真空斷路器操作過電壓及其保護

天津聯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，觸頭損耗小，開斷次數多，檢修周期長，使用維修方便等優點。近年來，在我公司的各級高壓配電裝置(6kV、10kV、35kV)中得到了廣泛的應用，基本上已取代了SN系列少油斷路器。多年來運行情況良好，維護工作量大大降低，運行可靠性得到了較大提高。但真空斷路器操作過電壓，對電機、變壓器、電力電纜等電氣設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、操作過電壓的產生與特點

由于電路中的電力設備大都可以看作為儲能元件，在真空斷路器開斷瞬間，儲存在電感、電容中的能量，會產生過電壓。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開斷過電壓。

1.截流過電壓

(1)截流過電壓的產生

真空斷路器熄弧性能極佳，開斷交流小電流時，當電流從峰值下降到自然零點前，真空電弧便會熄滅。由于電流被突然中斷，截流電流滯留在高壓電動機的電感繞組中，此殘余電磁能量(1/2×L×I2)，必然向雜散電容(C)充電，轉變為電場能量(1/2×C×U2)，不計熄弧期間電源電壓加在電容C的殘余電壓，能量轉換產生的電壓近似為：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，因而過電壓數值較高。

(2)截流過電壓的特點

(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。Ic越大，過電壓越高；

(b)高壓電動機容量越小，過電壓越高。這是因為負載回路中電容較小，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性質。真空斷路器的截流水平實際上是多次測試的平均值。

2.多次重燃過電壓

(1)多次重燃過電壓的產生

真空開關在開斷三相感性負載(如高壓電動機)時，真空開關各極觸頭的分離不會完全同期，總是有先有后。如果真空開關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發生電壓恢復過程。由于真空斷路器觸頭間隙很小(6kV等級10mm左右)，介質恢復強度不高，在較高的恢復電壓作用下，間隙有可能被擊穿。因回路參數的影響，觸頭擊穿重燃時將流過高頻電流。如果高頻電流的幅值大于工頻電流瞬時值時，就會出現高頻電流零點。真空開關具有較強的分斷高頻電流的能力，在高頻電流零點又使電弧熄滅而開斷電流。此刻負荷側的電感和電容發生電磁振蕩，產生較高電壓。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開斷電流，電壓又要上升。隨著觸頭的不斷分開，其介質恢復強度不斷增高。當介質恢復強度超過電壓恢復速度，重燃不復產生，電壓升級終了。多次重燃的結果，使得負載上的電壓不斷升高，從而產生較高的過電壓。

(2)多次重燃過電壓的特點

(a)陡度大，幅值高(高于截流過電壓)，盡管出現機率很少，但對頻繁操作的高壓電動機是一大危險隱患；

(b)上升陡度很高，對電機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。

3.三相同時開斷過電壓

(1)三相同時開斷過電壓的產生

真空斷路器首相開斷熄弧產生的高頻電流通過三相互耦和中性點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制過零，使得未斷開的兩相隨之同時被切斷。此兩相被截斷的工頻電流往往比首相截流值大，十分類似于較大水平的截流現象，從而產生比首相開斷截流過電壓更高的操作過電壓。

圖一

圖二

(2)三相同時開斷過電壓的特點

(a)大過電壓總是發生在后兩相的開斷時刻，與斷路器的截流水平關系不大；

(b)開斷中小容量電機負載情況下，易出現三相同時截斷過電壓。

二、過電壓保護分析

對過電壓保護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。截流過電壓與開關截流值成正比，而斷路器的截流值與觸頭材料有關，現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開斷過電壓。

(b)采用專門的保護裝置。

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設備上的并聯電容辦法來降低過電壓幅值。當過電壓波通過阻容吸收裝置組成的電路時，一個與電容器串聯的阻值為100～200歐姆的電阻則起釋放部分能量的作用。

其并聯電容作用有二：

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

(2)并聯電容器可以平緩入侵到被保護設備的過電壓的陡度，大大改善了設備上電壓梯度，能有效地保護電機的絕緣。但是阻容吸收器絕緣強度及介質的局部放電量問題控制不是很好，并聯在設備上會產生0.1A左右電容電流，加大了網絡的電容電流，可能會加大單相弧光接地過電壓。另外電力系統內的高頻諧波也會使R—C裝置發生發熱、擊穿等現象。

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，有極其優異的非線性伏安特性。

其主接線見圖二。

主要優點體現為：

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

(b)其續流為毫安級，因此在過電壓下只需吸收過電壓能量，不需吸收續流能量。

(c)性能穩定，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用較廣，其主要有待解決問題有下面兩點：

(a)設備的保護裕度不夠。就現在國產的保護電動機無間隙氧化性避雷器2.5kA、8/20μs殘壓不大于19.0kV。一般電動機的1min工頻耐壓值為2Ue+1，對已運行的電動機為上述耐壓值的75%，即電動機的沖擊耐壓值為：Us＝1.414×(2Ue+1)×0.75×K。式中Ue為電動機電壓等級、K為沖擊系數，取1.15，考慮設備老化系數乘0.75，以6KV電壓等級電動機為例，其相對地和相對相絕緣沖擊耐壓水平為：Us＝1.414×(2×6＋1)×0.75×1.15=15.9kV。為了尋求更大保護裕度必須進一步降低無間隙氧化性避雷器的殘壓，如果簡單地減少氧化性電阻片的數量來降低殘壓目標，就會使它的荷電率很高，有功損耗增大，在持續長時間過電壓情況下出現熱不平衡，導致避雷器爆炸事故發生，嚴重影響避雷器運行的穩定性。

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

三、實際使用情況分析

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

1.采用阻容吸收器保護，在實際使用的過程中存在以下問題：

(a)發生過電容器漏油現象，影響設備安全運行；

(b)過電壓保護采用阻容吸收裝置，加大了系統的電容電流。整個變電所6kV系統采用中性點不接地運行方式，與整個6kV系統相連電纜線路(Lcab)較長，根據經驗公式單相接地電容電流Ic=UN×Lcab/10計算，變電所6kV系統已有較大電容電流。按每個并聯在設備上產生0.1A左右電容電流、整個配電所按投運18個開關柜計算，將會增加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用較多，在實際使用的過程中主要存在以下問題：

(a)設備的保護裕度不夠。某日，配電所施工二線發生接地故障，由于接地時電容電流較大，電弧的時熄時燃，使系統產生諧振過電壓，結果使運行中的P110B電機絕緣擊穿。事后分析，除該電機運行時間太長設備老化外，氧化性避雷器的保護裕度不夠及無法保護相與相之間的過電壓也是產生這次事故的原因；

(b)試驗中會經常發現因閥片老化、受潮，使泄漏電流增加，因此在運行中也存在一定隱患。

3.后來分別對其他變配電所進行改造，將原來安裝在開關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器。

總結施工及使用過程，三叉戟式過電壓保護器是目前較為理想的過電壓保護器。其主要優點有以下幾點：

(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，能可靠地保護運行設備；

(d)由于密封性能好，使自身故障率降低，經過改造后幾年運行下來，運行性能穩定良好。