真空断路器的过电压及其防护

王文军，张俊玲，周 萍，张 林，秦清振，赵亮亮

(1.国电科学技术研究院，江苏 南京 210031;2.兰州西固热电有限责任公司，甘肃兰州 730060)

真空断路器的过电压及其防护

王文军1，张俊玲2，周 萍1，张 林1，秦清振1，赵亮亮1

(1.国电科学技术研究院，江苏 南京 210031;2.兰州西固热电有限责任公司，甘肃兰州 730060)

在10kV及以下电压等级配电网络中，真空断路器已取代油断路器，在无油化改造过程发挥了积极作用。与油断路器相比，真空断路器具有适合频繁操作，电寿命长，检修维护工作量小，防燃、防爆，运行可靠性高等优点。但在开断交流小电流时会出现过电压现象，阐述了过电压的产生、危害及其防护措施。

真空断路器;过电压;产生;防护

1 概述

真空断路器的操作过电压问题曾一度影响了其发展速度。随着过电压问题的研究深入和防护措施的日益完善，真空断路器已取代油断路器，在10kV及以下电压等级配电网络中广泛应用。本文介绍了真空断路器过电压产生的类型、危害及防护措施，指出在使用过程中特别是对感应负载采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备，以确保真空断路器在实际应用中的安全稳定运行。

2 过电压产生的类型及分析

真空断路器过电压产生的类型主要包括截流过电压、多次重燃过电压、开断容性负载过电压及接通过电压。

2.1 截流过电压

真空电弧实质上是由电极材料蒸发的金属蒸汽维持的，电弧的稳定性直接取决于电流的大小。当电流变小时，从阴极斑点释放出来的金属蒸汽减少;当电流减少至低于维持电弧所需的离子密度时，电弧开始不稳定，电流波形发生振荡。真空断路器开断交流小电流时，当电流从峰值下降到尚未到达自然零点时，电弧熄灭，电流被突然中断，这就是我们平时说的截流现象。由于电流被突然中断，电感负载上剩余的电磁能量就会产生过电压。这种由截流现象产生的过电压称为截流过电压。截流过电压并非真空断路器所特有，其他介质的断路器都会发生，只不过真空断路器较易发生，尤其是在开断小电感电流时，截流值及过电压倍数会比较高。

真空断路器发生截流现象，产生过电压，其原因是多方面的，在实际应用中发生的截流现象，很难判断是由于哪个原因造成的。但截流过电压可能对电力系统其他高压电器，包括负载带来危害。

2.2 多次重燃过电压

真空断路器在投切电力电容器或开断较大的感性电流(如电动机启动电流)时，即使截流过电压不成问题，也常常会发生过电压危害，而击穿电容器组或引起电机匝间短路。这种由真空断路器多次重燃产生的过电压称为多次重燃过电压。

真空断路器在开断三相感性负载时，其各相触头断开时间不会完全相同，且各电弧电流的过零也有先后。如果真空断路器其中某一相正好在电流过零前分离，电弧首先在这一相熄灭，在先开断的那极触头上就会发生电压恢复过程。此时由于触头间隙很小，介质恢复强度不高，在较高的恢复电压作用下，间隙就可能被击穿。因网络参数的影响，触头击穿重燃时流过高频电流，高频电流的幅值大于工频电流瞬时值时就会出现高频电流零点。真空断路器有较强的分断高频电流的能力，在高频电流零点又使电弧熄灭而开断电流，使负载侧的电容和电感发生电磁振荡，产生高电压，这一高电压又可使触头间隙再次击穿，流过高频电流，并再次在高频电流零点断开电流，电压又要上升。随着触头的不断分开，介质强度的不断增高直至重燃不再产生。因此，多次重燃的结果也就使得负载上的电压不断升高，从而产生较高的过电压。

2.3 开断容性负载过电压

真空断路器比其他类型的断路器有较好的开断容性负载的性能。但是由于真空断路器在投切电容器组时，对触头间隙的绝缘要求较高，而间隙弧后介质恢复强度不稳定和直流耐压水平较低，仍然有可能发生击穿，从而出现过电压。

在三相容性交流负载中，真空断路器继首开相之后的其余两相能正常熄弧开断电路时，加在断口间的电压最大值为2.5Um;不能正常开断时，则施加于首开相或者其他两相断口间的电压还会更高。如果有一相介质强度恢复速度不够，承受不了较高的电压，就会发生重击穿，依重击穿发生时刻的相位和线路条件不同，产生的过电压情况不同。真空断路器偶然发生重击穿后通常能很快自动恢复其耐压强度，不会连续发生多次重击穿，所以过电压并不高，尤其随着真空断路器技术的不断完善和进步，发生重击穿的几率已经大大降低，甚至基本无重击穿，从而保证了其使用的安全性和可靠性。

2.4 接通过电压

真空断路器在接通电源时，触头间距逐渐变小，在动、静触头接触之前，要产生预击穿，触头间流过高频电流，接着在高频电流过零点进行开断，类似开断时的情况，也会出现过电压。但在接通时，触头间距随时间在变小，触头间耐压水平也在逐渐降低，过电压的峰值因而也受到抑制，不会产生过高的过电压，也不会带来严重的危害。

3 过电压的危害

3.1 截流过电压

由于电流被突然切断，其滞留于电机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。对电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生高的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。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，特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。

3.2 重燃过电压

重燃过电压由于电压叠加，使弧隙之间发生击穿，真空断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距不够大，就会发生二次重燃甚至多次重燃现象，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，对电机或变压器的绝缘危害极大。过电压值不需要很高，就能使匝间绝缘损坏，损坏电气设备，这正是重燃过电压对系统和其他电器危害的主要原因。

4 过电压的防护措施

4.1 研制低截流水平的真空断路器

为了解决真空断路器截流过电压的问题，必须使真空断路器开断小电流时截流值减小。这就要求真空泡触头材料的截流水平较低，应采用导热系数低、饱和蒸汽压高的材料，但此种材料往往开断能力较差。目前，随着纵向磁场的研究和应用，这一问题已经解决。低截流水平触头和纵向磁场的结合，既提高了开断能力，又降低了截流引起的过电压。同时，也可以采用截流值在0.5～1A以下的真空接触器控制小容量电动机，在不加装任何保护的情况下直接进行操作。为了短路保护，常常串接熔断器，也可以在真空接触器前串联一个真空断路器，平时正常操作用接触器，故障时由断路器开断短路电流。

为了防止重燃或重击穿产生的过电压危害，除了真空泡在出厂前进行电流电压的“老炼”外，真空断路器在投切电容器组时，投运前还应进行30～90相次的“老炼”处理。

4.2 负载端并联电容

在感性负载端上并联电容器，可以有效地降低负载波阻抗，从而降低截流过电压。但是必须注意，负载波阻抗的降低会使真空断路器的截流值增大。截流过电压取决于截流值与波阻抗两者的乘积。试验证明，随着负载上并联电容的增大，过电压呈降低趋势。负载并联电容器后，不仅降低过电压的幅值，还能减缓过电压的前沿陡度。这样既能保护感性负载免遭截流过电压的损害，还能减轻多次重燃过电压对电动机的绝缘危害。

用并联电容器保护变压器，一般可在变压器高压端并联0.1～0.2μF的电容器。真空断路器用电缆连接变压器时，由于电缆具有较大的分布电容，其作用等同于并联电容器，并可明显降低截流过电压，且电缆的长度越长，效果越明显。

4.3 负载端并联电阻－电容(RC保护)

把电阻和电容串联作为保护元件并联在负载进线端，称为RC过电压抑制器。RC过电压抑制器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。目前有三种形式的RC保护器，即中性点直接接地的普通型、中性点不接地型和双路RC过电压保护器。普通型RC保护器存在当单相短路时电容电流过大导致馈电回路全部跳闸，特别对于有高频分量的场所，使得RC保护器电阻烧损的问题。不接地型RC保护器虽然解决了因电容电流过大而跳闸以及烧电阻的问题，但对于相对地之间的高频振荡没有消除，使得事故发生率略高。双路RC过电压保护器既解决了对地电路中的高频振荡，又解决了对地电流过大和RC装置电阻烧损问题。用过电压抑制器保护电动机等负载效果好，但体积大、价格昂贵。

4.4 采用非线性电阻吸收器

根据真空断路器操作过电压产生的机理，当其切断小电流时会产生过电压，从而会危害电机绝缘及回路电路内的电气设备，因此必须采取措施限制操作过电压，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。目前，国内采取的措施是装设避雷器。普通的避雷器能限制过电压的幅值，但不能减缓过电压的陡度。因此，普通避雷器一般用来保护变压器的截流过电压，而不能在发生多次重燃过电压时保护电动机。保护电动机等电气设备可采用RC过电压抑制器，用电容器来减缓上升陡度，而用普通避雷器来限制幅值。避雷器可分为有灭弧间隙和无灭弧间隙两种。一般有灭弧间隙的避雷器是以非线性电阻和火花间隙串联而成的，所有的非线性电阻即为碳化硅电阻器。碳化硅电阻器在正常工作电压下，仍具有一定的电流值，因此，要与火花间隙串联使用。氧化锌压敏电阻是无灭弧间隙的避雷器，它具有半导体晶体管的特性，在正常工作电压下电阻大，电流小。当电压增高至某一值时，阻值剧降，呈现稳压特性，亦称为氧化锌避雷器。氧化锌压敏电阻具有如下特点:较好的非线性特征;动作快，伏安特性平坦;方波通流容量大，可达数百安培;寿命长，体积小，结构简单，维修方便。

4.5 串联电感

在真空断路器与电动机供电电缆之间串接数百微亨的电抗线圈(或饱和电抗器)用来抑制重燃时的高频电流，从而降低过电压的上升陡度和峰值。也可以在饱和电抗器上加并联电阻，组成L－R过电压抑制器，效果更好。但必须注意，电感L不可串接在电缆与电动机之间，否则就不能起到降低过电压上升陡度的作用。

5 注意事项

目前生产的真空断路器大多数为普通配电型真空断路器，用在发电机回路中有一些缺点和不足:发电机随着运行时间的延长，绝缘水平逐渐下降，真空断路器操作过电压与电机的绝缘水平配合几乎没有多少裕度;发电机回路断路器的技术性能要求比较严格，使用条件严酷，要求发电机断路器切断直流分量值要大于60%或80%的额定开断电流，普通配电型真空断路器很难达到;由于发电机本身的电容量，加上较长的引出线及分支线产生的电容量，如果使用RC过电压保护器，还应加上保护器的电容量，使在发生单相接地时电容电流较大，就会引起不必要的跳闸或在中性点增加设备(如消弧线圈、接地电阻等)，从而会引起断电保护复杂化。以上提出的是防止真空断路器控制感性负载和容性负载操作过电压的措施，为确保真空断路器使用过程中的安全可靠运行，无论采取何种方法，对于保护装置的本身质量和可靠性都是至关重要的，必须要进行时分严格的测试挑选和定期检查。

［1］杨广文，钱荣坤，袁德勇，等.真空断路器的使用与维护［M］.陕西:国营宝光电工出版社，1991.

［2］JB/T 3855－2008，高压交流真空断路器标准［S］.

［3］梁云霞，刁洪波，孙 伟.真空断路器的过电压保护［J］.电气开关，2005，(4):23－25.

Vacuum circuit breaker＇s over － voltage and its countermeasure

At present，oil circuit breaker has been replaced by vacuum circuit breaker，which plays an active role in the process of oilless reform in 10kV distribution network and below.Compared to oil circuit breaker，vacuum circuit breaker is suitable for frequent operation.It has long life and high reliability.It requires less maintenance.However，overvoltage occurs when low AC current is switched.The production mechanism of overvoltage is analyzed，and its damage and prevention measures are discussed.

vacuum circuit breaker;overvoltage;occurrence;prevention

TM561

B

1674－8069(2012)03－058－03

2012-01-08;

2012-05-12

王文军(1971-)，男，甘肃兰州人，工程师，主要从事火电厂电气一次及安全管理、监督、评价及咨询工作。E－mail:wwjj_1019@163.com