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1、操作过电压简介1:真空断路器简介真空断路器是利用高真空中电流流过零点时，等离子体迅速扩散而熄灭电弧，完成切断电流的目的。在真空断路器中，气体非常稀薄，气体分子的自由行程相对较大，发生相互碰撞的几率很小，其真空度应不低于10-4托时，在较小的真空间隙距离（2一3毫米）情况下，有很高的绝缘特性，真空断路器的触头开距般不大。特点，燃弧时间短，绝缘强度高，电气寿命也较高，触头的开距与行程小，动作速度极快。真空断路器会引起操作过电压，特别在开断感性负截如电动机时，一般情况下，为限制过电压而需给真空断路器配过电压吸收装置。2:操作过电压分析真空断路器开断高压电动机时主要产生三种过电压，即截流过电压、高频重
2、击穿过电压和三相同时截流过电压。运行统计表明，高压感应电动机的绝缘事故约占电厂电气设备事故的20%。从实际运行状况分析，真空断路器开断主要有电动机启动状态下开断、 空载电动机开断和电动机负载状态下开断三种。2. 1截流过电压真空断路器很好的灭弧性能使其开断小电流时，未等电流过零，电弧被强行熄 灭。电流波形好象被突然截断一般，这就是截流的现象。图1断路器开断感性负载若图1中的VCB在t=0时刻断开，电流瞬时被突然截断，此匕时的电源电压为一 u0中的电流为I,匕匕时在电动机漏抗L中将有储能*LI 2,由于电感上的电流不 能突变，将继续向电容C充电，电容上的电压将 继续升高。在电流被突然截断 后，电
3、动机的对地电容、等效电感回路发生高频振荡，产生截流过电压。如图2 所示。图2截流示意图电动机的截流过电压取决于特征阻抗、：和电机电流，当断开小功率的电动机 时，由于断开电流小，截断电流小，产生的过电压也较小；断开大功率的电动机，由于导线截面大，绕组匝数少，其等效电感L小，电容C大，所以电动机的特性阻抗，小，即使截断电流大（高达20 30A）， 其产生的过电压仍然较小，不会对电动机线圈绝缘造成很大的危害；但是断开中 等功率的电动机（几百千瓦）时，截断电流较大，特性阻抗也较大，所以产生的 过电压较高。特点：1. 电压的大小与断路器的截流值成正比；2. 磁能与电能相互转换的振荡频率很高，高频率必然伴
4、随着高的电压陡度。实测证明，回路电缆长度在50 200m范围内，截流过电压最高，而从开关柜 到电动机的实际距离大多数情况下是这一长度，也许这个长度的电缆分布参数 满足磁能与电能高频转换。3. 电动机状态不同（空载状态、满载状态、制动状态等），产生的操作过 电压也不同。断开空载运行的电动机，流过真空断路器的电流是电动机的空载电 流，大约为额定电流的25% 30%，同时影响截流过电压的电感是电动机漏 感，所以其储能不是很大，产生的过电压不是特别高，一般在电动机的预防性实 验电压，即是额定电压的1. 5倍以下。而电动机在刚启动时就立即出现很大的过负载，电动机启动电流将引起继电 保护误动作而断开。此时
5、，电动机的转子转速接近于零，转差很大，转子绕组相 当于短接的变压器的二次绕组，短路电流很大，流过真空断路器的电流接近于 电动机的启动电流，大约为额定电流的550% 650% ;或断开制动状态的电动 机时，除了考虑电动机定子绕组的漏感外还要考虑转子绕组的漏感；一般截流 过电压都超过电动机额定电压的2.5倍，甚至达到额定电压的6倍。电动机的 截流过电压远大于断开空载状态下的电动机的过电压。2.2多次重燃过电压重燃也称重击穿，是指在断路器断开熄弧后触头间发生的击穿。此时，恢复电压往往在最大值，能量交换十分剧烈，在断开短路电流时发生重燃 经常会造成断开失败。真空断路器在断较大的感性电流时，常常会发生由
6、于真空 断路器多次重燃而引起的过电压，即是多次 重燃过电压。图3重燃示意图随着重燃次数的增多，电感电流不断增大，可以看作为工频电流过零刖的等值截 流值不断增大，这将使过电压不断增大，幅值不断增高，而且其振荡程度将更加 剧烈，过电压频率更加大，甚至可以达到105 106Hz 陡度极高，介质恢复强度超过断路器触头间的恢复电压，这对电动机 的主绝缘和匝问绝缘都会造成严重的伤害。真空断路器因重燃产生的过电压都超过3倍，甚至有单相重燃的过电压计算值 达到8 6倍，对设备的绝缘危害极大，同时容易激发其余两相重燃，产生更高的 过电压，而且过电压上升的时间是十分之几微秒。波头极陡。过电压将集中在电 动机首端几
7、匝绕组上，特别是首端绕组，使电动机的匝间电位分布极不均匀， 有的匝间会承受很高的电压而首先发生击穿，造 成电动机击穿而损坏。2.3三相同时断开过电压三相同时断开的物理过程是：电动机一般通过三相电缆与电源相连接，电缆线的 芯间之间有相间电容c和互感M存在，如图4所示。当真空断路器断开三相中 性点不接地负载时，若某一相电流先过零，则这相先断开，在断路器的触头两端 则产生恢复电压，若在恢复电压的作用下，电弧重燃，将在断开的第一相产生 高频复燃电流。首相复燃的暂态高频电流通过其它两相的对地电容构成回路,并通过出线电缆与其它两相电磁耦合。同时感应出一个高频电流，这些高频电流与原来的工频 电流叠加起来，若
8、高频电流大于或者等于工频电流，由于真空断路器的灭弧能 力很强，则叠加结果可能使其它两相电流被强制截断而瞬时过零，对工图4三相同时开断示意图频电流而言，后两相的高频截流速度很快，几乎可以认为是三相截流同时发生， 那后两相的截流值就比较大，会产生较大的过电压。因为后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，从而产生比首相断开截流过电压更高的操作过电压，这对电动机的绝缘会造成很大的危害2.4总之，一般真空断路器断开电动机产生的操作过电压有三种类型：截流过电 压、高频多次重燃过电压和三相同时断开过电压。真空断路器断开电动机时产 生的三种过电压相互之间不是独立的，而是相互影
9、响的。3:电机分布参数模型图5电机绕组分布参数模型在稳态条件下，即是工频状态下，电动机绕组的电压是线性分布，其匝间电压较低。如果电动机的电压突然发生变化而导致瞬变过程，绕组的分布电压将会由 线性变成非线性，匝间将产生非常高的电压，特别是第一匝线圈，可能承受过 电压幅值的一半以上，这将严重威胁匝间绝缘，甚至使其受到破坏。匝间电压 与进入电动机绕组的电压冲击 波的陡度成正比。当匝间电压超过了匝间绝缘的冲 击耐压值，就有可能引起匝间绝缘击穿事故。研究结果表明，为了避免匝间绝缘故障，应该将冲击 波陡度限制在5 6kV/ s以下。由于电动机受到暂态冲击电压时，电动机绕组线圈和匝间电压分布比较复杂，所 以
10、要精确得出电动机耐压能力标准比较困难。美国电气工程协会成立了一个研究小组来分析旋转电动机承受冲击电压能力的问题，最后得 出结论为：冲击电压的陡度在下图的曲线以下对电动机的绝缘造成危害较小。图6电机耐压安全线4:电机端过电压保护应对措施 4.1操作过电压的保护方式目前工程设计中可考虑采用的真空断路器操作过电压的保护方 式有以下几 种：氧化锌避雷器保护，又分为普通氧化锌避雷器保护和 带串（并）联间隙的氧 化锌避雷器保护；三相组合式过电压保护器保护；R- C阻容过电压吸收器保 护。4.1.1带串（并）联间隙MOA保护一般情况下，真空断路器开断后产生的过电压，主要为相地过电压。由于真空断路器各相开断的
11、截流相差不大，且各相回路的电感（L）和电容（C基本相同，相间电压值一般不会很大，只有在特殊情况下才发展为较 高的相间过电压。所以采用带串饼）联间隙MOA保护电动机基本可满足工程要 求。采用带串（并）联间隙MOA保护真空断路器操作过电压，可以在保证设备安 全运行的前提下，保护电动机的相地绝缘，但不能兼顾电动机的相对相的绝缘 保护，尤其发生单相接地时容易损坏。4.1.2三相组合式过电压保护器保护保护原理（见图7）由图7可知，三相组 合式过电压保护器与氧化锌避雷器相比，从理论上讲，可以将相间过电压保护 值减低50%。CG为串联间隙；FR为氧化锌阀片图7保护器原理图保护器的特点(1) 采用四星形接线，
12、可将相间过电压大大降低，与普通MOA相比，可降 低60% 70%，可靠地保护了电动机的相间绝缘。(2) 同带串联间隙的MOA 一样，由于采用了氧化锌阀片与间隙串联的结 构，提高了保护器的使用寿命，且使保护器在系统出现单相接地、间隙性弧光接 地和谐振过电压等状态下均可安全运行。应用三相组合式过电压保护器存在的问题由于三星形中性点的对地绝缘悬浮，在实际运行中出现过对地绝缘击穿现象，从而在操作过电压下使保护器发生爆炸的情况。4.1.2 R-C阻容过电压吸收器保护4.1.2.1保护原理电动机及空载变压器回路装设R-C吸收器的工作原理见图8，真空断路器操作后产生的截流将在设备电感中储藏有L0I /2电磁
13、能量，并在由L0和c 0组成的回路上形成震荡。图8 RC保护等效电路C0为杂散电容；L0为负载电感；R, C1为吸收器电容、电感； 接入 C后，可将真空断路器操作过电压幅值限制在允许范围内，并可大大降 低过电压的震荡频率，减少了真空断路器的重燃几率。4.1.2.2吸收器的特点(1) R- C吸收器可随时吸收回路的过电压，当真空断路器切断电动机或变压器时，R- C的加入可使操作过电压的震荡衰减较快，较好地限制了 过电压的幅值和震荡频率。(2) 因R-C吸收器限制过电压的原理与MOA不同，它不存在残压问题，而 是靠操作过电压高频出现后引起容抗(ZC =1/(2 n fc降低，增大电容器上电 流，来
14、吸收产生过电压震荡的能量，从而限制操作过电压。正常工频工作状态 下，电流很小，所以其使用寿命较长。4.1.2.3应用中存在的问题(1) 采用R- C吸收器，增加了对地电容，将可能影响对高压厂用电系统 的接地方式，高压厂用电系统中性点必须经电阻接地或经消弧线圈接地。所以 在目前工程中一般采用的高压厂用电中性点不接地的系统，使用日7吸收器，将 改变高压厂用电系统的单相接地保护方式，并需增加中性点接地设备。(2) 以前国内仅能生产油浸式R- C吸收器，其体积大，安装不方便，维 护工作量大，并且存在渗油现象，因此限制了应用。目前国内已能生产干式R- 。吸收器，但产品质量尚不过关，出现过电容击 穿，甚至R-C吸收器爆炸的情 况。5:总结 通过对真空断路器操作过电压的几种保护方式的分析和比较5.1对于中性点为不接地系统的高压厂用电系统，采用带串（并）联间隙氧化锌避雷器保护操作过电压，简单经济，且基本满足工程设计要求； 5.2在对电动机相间绝缘要求高的情况下，可考虑采用三相组合式过电压保护 器保护或复合保护器；5.3对于中性点为经电阻接地系统的高压厂用电系统，建议采用干式R- C阻 容过电压吸收器保护。
