真空斷路器的過電壓保護(hù)

真空斷路器的過電壓保護(hù)1引言真空斷路器因其具有優(yōu)良的滅弧性能、優(yōu)異的頻繁操作特性、高電氣恢復(fù)強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、安全可靠等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中。但由于在截流、重燃或三相同時(shí)斷開時(shí)等原因產(chǎn)生過電壓，造成設(shè)備損壞，在實(shí)際運(yùn)行中，為限制這種過電壓而采用多種保護(hù)設(shè)備。由于選用不當(dāng)或者保護(hù)性能不適用，運(yùn)行事故時(shí)常發(fā)生。本文對(duì)此種過電壓設(shè)備的選用配置提出了粗淺的分析意見，以供同行參考。2真空斷路器操作過電壓的產(chǎn)生及原因分析真空斷路器在開斷高壓感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載時(shí)，所產(chǎn)生的過電壓有三種類型：即截流過電壓、多次重燃過電壓、三相同時(shí)開斷過電壓。分析這三種過電壓的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)，對(duì)正確地選用保護(hù)設(shè)備有重大的作用。2.1截流過電壓真空斷路器有較好的熄弧性能，在開斷時(shí)，可以使電弧在電流過零前開斷，截?cái)嚯娏鳒粼陔妱?dòng)機(jī)或變壓器中，此時(shí)剩余的能量在電動(dòng)機(jī)或變壓器電感繞組和散電容間振蕩產(chǎn)生較高過電壓。截流過電壓有以下特點(diǎn)：(1)截流過電壓與真空斷路器的截流值，Ic大小有關(guān)，截流值越高，過電壓值越高；(2)截流只發(fā)生在開斷小電流時(shí)，電流越大，陡度越大，截流值就越??；(3)過電壓的震蕩頻率很高，可達(dá)數(shù)千Hz，高的頻率必然伴隨著高的過電壓；(4)相對(duì)地過電壓是按相對(duì)地電容和相間電容而分配的，通常相對(duì)地過電壓為相間的2/3；(5)電動(dòng)機(jī)和變壓器容量越小，過電壓越高。電動(dòng)機(jī)和變壓器容量小，開斷電流較小，回路電容小，電感大，因而波阻抗較大，造成過電壓數(shù)值高；(6)回路的電纜在50~200m范圍內(nèi)過電壓最高，而這一長度范圍基本是開關(guān)柜到電動(dòng)機(jī)或變壓器的長度，電纜長度過短時(shí)，振蕩頻率高，熄弧困難，延長了熄弧時(shí)間，過電壓低；電纜長度長時(shí)，回路電容量大，波阻抗下降也會(huì)使過電壓降低。2.2多次重燃過電壓當(dāng)真空斷路器在電流過零前開斷，觸頭的一側(cè)是工頻電網(wǎng)電源，一側(cè)是高頻振蕩產(chǎn)生的過電壓。觸頭間恢復(fù)電壓為兩者之合，在觸頭開距小、觸頭間耐壓不充分的情況下發(fā)生第一次重燃。電源向回路中的電阻充電，出現(xiàn)類似空載長線路合閘的震蕩過程。回路的參數(shù)決定了重燃的高電流頻率高達(dá)數(shù)千Hz。這使得重燃的振蕩電壓高于截流電壓，這種震蕩過程直至絕緣介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度超過電壓恢復(fù)速度才終止。多次重燃過電壓的特點(diǎn)：(1)陡度大，幅值高；(2)變壓器和電機(jī)繞組的電壓分布上，過電壓陡度和頻率關(guān)系很大，這種過電壓對(duì)匝間絕緣威脅很大。2.3三相同時(shí)開斷過電壓真空斷路器首先斷開相熄弧產(chǎn)生的高頻電流通過三相互耦合中性點(diǎn)疊加在其它未斷開的兩相工頻電流上，造成其它兩相電弧電流強(qiáng)制過零，使得未斷開的兩相隨之同時(shí)切斷。此兩相被截?cái)嗟墓ゎl電流更大，從而產(chǎn)生比首相開斷過電壓更高的過電壓。此類型過電壓的特點(diǎn)是：(1)最大過電壓總是發(fā)生在后兩相開斷時(shí)刻；(2)在開斷中小容量電機(jī)或輕負(fù)載時(shí)，容易出現(xiàn)三相同時(shí)截?cái)唷?各種保護(hù)設(shè)備在油田電網(wǎng)的應(yīng)用情況及其評(píng)價(jià)我們油田的負(fù)荷主要是電機(jī)負(fù)載，有小容量的抽油機(jī)電機(jī)負(fù)載，也有2000kW的注水電機(jī)負(fù)荷，對(duì)真空斷路器的操作過電壓保護(hù)有阻容吸收器、無間隙氧化鋅避雷器和帶串聯(lián)間隙氧化鋅這三種保護(hù)裝置?，F(xiàn)對(duì)其作用及使用過程中出現(xiàn)的問題作一分析。3.1阻容吸收器阻容吸收器并聯(lián)在電動(dòng)機(jī)出口，電阻與電容串聯(lián)接地。由于吸收電容比雜散電容大，降低了波阻抗，從而降低了斷路器開斷時(shí)恢復(fù)電壓上升的陡度，減少了發(fā)生重燃的機(jī)會(huì)；另外吸收電阻抑制了重燃時(shí)高頻電流的增長，并對(duì)高頻電流變成以R—C時(shí)間衰減的電流，推后了電流過零的時(shí)間。這時(shí)觸頭開距已足夠大，足夠平緩恢復(fù)電壓，不再發(fā)生重燃。另外，回路容抗在數(shù)千Hz高頻截流過電壓的作用下急劇下降，成為很好的吸收回路，電容的這種頻敏效應(yīng)，大大增加了R—C的保護(hù)效果。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)證明阻容吸收器在限制真空斷路器揖作過電壓方面取得了良好的效果。但在實(shí)際運(yùn)行中，電容吸收器也有其副作用。R—C吸收器的安裝增加了接地電容電流，系統(tǒng)接地時(shí)，電容電流大，不易熄弧，經(jīng)常發(fā)生弧光接地過電壓。另外，由于安裝時(shí)沒有系統(tǒng)的考慮，使網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)零序容抗和電壓互感零序感抗剛好在諧振區(qū)之內(nèi)，最后調(diào)整了部分R—C阻容吸收器的電容量，加了一臺(tái)消弧線圈，才解決了上述接地電容電流大和零序容抗與零序感抗比在諧振區(qū)容易造成鐵磁諧振的問題。3.2無間隙氧化鋅避雷器在我們的油田電網(wǎng)中，也采用了無間隙氧化鋅避雷器，用以限制操作過電壓。無間隙氧化鋅在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)過電壓中發(fā)揮著很好的作用，但在保護(hù)真空斷路器的操作過電壓中感覺效果不好，存在以下問題：(1)電網(wǎng)的長期接地運(yùn)行，容易造成閥門老化，易出事故。我們油田的電網(wǎng)為中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)，油田的生產(chǎn)特點(diǎn)對(duì)供電的可靠性要求比較高，發(fā)生系統(tǒng)單相接地后，經(jīng)常長時(shí)間運(yùn)行，由于電機(jī)屬于弱絕緣，為了保護(hù)電機(jī)絕緣，通常避雷器選擇的持續(xù)運(yùn)行電壓比較低，而接地時(shí)，非接地相電壓升高到線電壓，與避雷器的動(dòng)作電壓相差無幾，又長期運(yùn)行，多次發(fā)生避雷器爆炸事故；(2)不能保護(hù)相間絕緣，安裝在高壓開關(guān)柜內(nèi)的避雷器，每相一只，采用星型接法，裕度小，保護(hù)對(duì)地絕緣已很勉強(qiáng)(其線壓值與電機(jī)耐壓值裕度小)，對(duì)相間絕緣基本不起作用；(3)不能改變振蕩頻率，對(duì)匝間絕緣保護(hù)不利。開斷過電壓和重燃過電壓振蕩頻率很高，波頭陡，繞組間電位梯度決定于Ldi/dt，匝間絕緣對(duì)頻率變化比較敏感，MOA只能限幅，不能降頻率，對(duì)保護(hù)電機(jī)的匝間絕緣不利；(4)響應(yīng)速度跟不上電壓波的變化。氧化鋅避雷器雖然以響應(yīng)速度快而著稱。但其總體性能總是有限，經(jīng)有關(guān)資料研究證明：氧化鋅避雷器對(duì)于2/8的波形，其殘壓假設(shè)為1，當(dāng)波形減少至1μs時(shí)，殘壓在以下開始，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰。此時(shí)尖峰的殘壓高出約20%，當(dāng)波頭變小時(shí)，高出值變大。而多次重燃和三相開斷波頭不足，殘壓值應(yīng)提高，與絕緣耐壓之間的網(wǎng)絡(luò)重成間隙。3.3串聯(lián)間隙氧化鋅避雷器為了解決接地時(shí)無間隙氧化鋅避雷器的問題以及解決避雷器不能保護(hù)相間的絕緣，我們某些變電站引進(jìn)了帶串聯(lián)間隙的星形避雷器。但這種避雷器也存在以下問題：雖然通過增加串聯(lián)間隙使閥片在接地運(yùn)行時(shí)得到保護(hù)，但這種避雷器與上文提到的③④問題仍不能解決。由于避雷