真空断路器操作过电压及其保护

天津联维乙烯工程有限公司 刘志波

真空断路器具有体积小，灭弧能力强，触头损耗小，开断次数多，检修周期长，使用维修方便等优点。近年来，在我公司的各级高压配电装置(6kV、10kV、35kV)中得到了广泛的应用，基本上已取代了SN系列少油断路器。多年来运行情况良好，维护工作量大大降低，运行可靠性得到了较大提高。但真空断路器操作过电压，对电机、变压器、电力电缆等电气设备绝缘造成的危害和影响也是需要我们重视和解决的问题。

一、操作过电压的产生与特点

由于电路中的电力设备大都可以看作为储能元件，在真空断路器开断瞬间，储存在电感、电容中的能量，会产生过电压。真空断路器操作过电压，主要有三种形式：即截流过电压，多次重燃过电压和三相同时开断过电压。

1.截流过电压

(1)截流过电压的产生

真空断路器熄弧性能极佳，开断交流小电流时，当电流从峰值下降到自然零点前，真空电弧便会熄灭。由于电流被突然中断，截流电流滞留在高压电动机的电感绕组中，此残余电磁能量(1/2×L×I2)，必然向杂散电容(C)充电，转变为电场能量(1/2×C×U2)，不计熄弧期间电源电压加在电容C的残余电压，能量转换产生的电压近似为：U＝Ic×Z(其中Ic为截流值)。式中：Z为波阻抗( Z= L/C )，U为截流过电压。由于C值甚小，因而过电压数值较高。

(2)截流过电压的特点

(a)截流过电压的高低与真空断路器的截流值Ic的大小有关。Ic越大，过电压越高；

(b)高压电动机容量越小，过电压越高。这是因为负载回路中电容较小，电感较大，波阻抗Z较大所致；

(c)截流过电压的高低具有随机性质。真空断路器的截流水平实际上是多次测试的平均值。

2.多次重燃过电压

(1)多次重燃过电压的产生

真空开关在开断三相感性负载(如高压电动机)时，真空开关各极触头的分离不会完全同期，总是有先有后。如果真空开关其中某一极触头正好在某相电流过零前分离，电流即过零，电弧则首先在该相熄灭。在首先开断的那极触头上就会发生电压恢复过程。由于真空断路器触头间隙很小(6kV等级10mm左右)，介质恢复强度不高，在较高的恢复电压作用下，间隙有可能被击穿。因回路参数的影响，触头击穿重燃时将流过高频电流。如果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。真空开关具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。此刻负荷侧的电感和电容发生电磁振荡，产生较高电压。这一电压又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开断电流，电压又要上升。随着触头的不断分开，其介质恢复强度不断增高。当介质恢复强度超过电压恢复速度，重燃不复产生，电压升级终了。多次重燃的结果，使得负载上的电压不断升高，从而产生较高的过电压。

(2)多次重燃过电压的特点

(a)陡度大，幅值高(高于截流过电压)，尽管出现机率很少，但对频繁操作的高压电动机是一大危险隐患；

(b)上升陡度很高，对电机绕组间的绝缘危害极大，过电压值不需很高，就能使匝间绝缘损坏。

3.三相同时开断过电压

(1)三相同时开断过电压的产生

真空断路器首相开断熄弧产生的高频电流通过三相互耦和中性点叠加在其他未断开的两相工频电流上，造成其他两相电弧电流强制过零，使得未断开的两相随之同时被切断。此两相被截断的工频电流往往比首相截流值大，十分类似于较大水平的截流现象，从而产生比首相开断截流过电压更高的操作过电压。

图一

图二

(2)三相同时开断过电压的特点

(a)大过电压总是发生在后两相的开断时刻，与断路器的截流水平关系不大；

(b)开断中小容量电机负载情况下，易出现三相同时截断过电压。

二、过电压保护分析

对过电压保护主要从以下两方面来考虑：

(a)采用低截流断路器来降低操作过电压。截流过电压与开关截流值成正比，而断路器的截流值与触头材料有关，现在一些真空断路器截流值已降至3～5A，这样可降低截流过电压。但这并不能限制多次重燃过电压和三相同时开断过电压。

(b)采用专门的保护装置。

1.阻容吸收装置

阻容吸收装置主接线图见图一，其原理是利用增大被保护设备上的并联电容办法来降低过电压幅值。当过电压波通过阻容吸收装置组成的电路时，一个与电容器串联的阻值为100～200欧姆的电阻则起释放部分能量的作用。

其并联电容作用有二：

(1)根据U=Ic×Z，Ic为截流值，Z为设备波阻抗。增大并联电容，使设备波阻抗减少，能够降低操作过电压的幅值。

(2)并联电容器可以平缓入侵到被保护设备的过电压的陡度，大大改善了设备上电压梯度，能有效地保护电机的绝缘。但是阻容吸收器绝缘强度及介质的局部放电量问题控制不是很好，并联在设备上会产生0.1A左右电容电流，加大了网络的电容电流，可能会加大单相弧光接地过电压。另外电力系统内的高频谐波也会使R—C装置发生发热、击穿等现象。

2.无间隙氧化锌避雷器

无间隙氧化锌避雷器采用氧化锌电阻片，有极其优异的非线性伏安特性。

其主接线见图二。

主要优点体现为：

(a)动作不需要间隙，电压稍微升高，即可迅速吸收过电压能量，抑制过电压的发展。

(b)其续流为毫安级，因此在过电压下只需吸收过电压能量，不需吸收续流能量。

(c)性能稳定，可靠性高。

(d)氧化性电阻片单位面积通流能力大，基本可以限制操作过电压。

无间隙氧化锌避雷器目前应用较广，其主要有待解决问题有下面两点：

(a)设备的保护裕度不够。就现在国产的保护电动机无间隙氧化性避雷器2.5kA、8/20μs残压不大于19.0kV。一般电动机的1min工频耐压值为2Ue+1，对已运行的电动机为上述耐压值的75%，即电动机的冲击耐压值为：Us＝1.414×(2Ue+1)×0.75×K。式中Ue为电动机电压等级、K为冲击系数，取1.15，考虑设备老化系数乘0.75，以6KV电压等级电动机为例，其相对地和相对相绝缘冲击耐压水平为：Us＝1.414×(2×6＋1)×0.75×1.15=15.9kV。为了寻求更大保护裕度必须进一步降低无间隙氧化性避雷器的残压，如果简单地减少氧化性电阻片的数量来降低残压目标，就会使它的荷电率很高，有功损耗增大，在持续长时间过电压情况下出现热不平衡，导致避雷器爆炸事故发生，严重影响避雷器运行的稳定性。

(b)氧化性避雷器的接线为相—地间保护，其保护范围是相与地之间的过电压，无法保护相与相之间的过电压。

三、实际使用情况分析

真空断路器操作过电压可采用以上三种方法进行保护，目前我们电气运行班组所采用的操作过电压保护器具体情况如下：

1.采用阻容吸收器保护，在实际使用的过程中存在以下问题：

(a)发生过电容器漏油现象，影响设备安全运行；

(b)过电压保护采用阻容吸收装置，加大了系统的电容电流。整个变电所6kV系统采用中性点不接地运行方式，与整个6kV系统相连电缆线路(Lcab)较长，根据经验公式单相接地电容电流Ic=UN×Lcab/10计算，变电所6kV系统已有较大电容电流。按每个并联在设备上产生0.1A左右电容电流、整个配电所按投运18个开关柜计算，将会增加1.8A左右的电容电流，更易引起弧光接地过电压。

2.无间隙氧化锌避雷器应用较多，在实际使用的过程中主要存在以下问题：

(a)设备的保护裕度不够。某日，配电所施工二线发生接地故障，由于接地时电容电流较大，电弧的时熄时燃，使系统产生谐振过电压，结果使运行中的P110B电机绝缘击穿。事后分析，除该电机运行时间太长设备老化外，氧化性避雷器的保护裕度不够及无法保护相与相之间的过电压也是产生这次事故的原因；

(b)试验中会经常发现因阀片老化、受潮，使泄漏电流增加，因此在运行中也存在一定隐患。

3.后来分别对其他变配电所进行改造，将原来安装在开关柜上的氧化锌避雷器及阻容吸收器拆除，更换安装了三叉戟式过电压保护器。

总结施工及使用过程，三叉戟式过电压保护器是目前较为理想的过电压保护器。其主要优点有以下几点：

(a)由于其体积小，接线采用软连接，因此更换非常方便，大大缩短了施工工期；

(b)带放电间隙，提高了过电压保护器的使用寿命；

(c)它采用四星形接法，大大降低了相间过电压，能可靠地保护运行设备；

(d)由于密封性能好，使自身故障率降低，经过改造后几年运行下来，运行性能稳定良好。