真空断路器断开空载变压器的过电压限制_电力/水利_工程科技_专业资料。真空断路器断开空载变压器的过电压限制 摘 要： 对真空断路器断开空载变压器的过电压原理进行了阐述， 对过电压的限制措施 进行了分析，并详细分析了两种常用的保护装置。 关键词：真空断路器 变压器 过电压
真空断路器断开空载变压器的过电压限制 摘 要： 对真空断路器断开空载变压器的过电压原理进行了阐述， 对过电压的限制措施 进行了分析，并详细分析了两种常用的保护装置。 关键词：真空断路器 变压器 过电压 限制措施 0 引 言 真空断路器较其他断路器有以下优点：机械寿命长、尺寸小、重量轻、无火灾危险，最 初用在需经常操作的地方和有防爆要求的地方。近年来，随着经济的增长，高层建筑负荷的 增长，防火要求的提高，真空开关的应用有了迅速的发展。真空开关在切断空载变压器回路 时会产生较高的过电压，大大超过变压器的绝缘水平，因此需要进行过电压保护。下面参考 有关试验数据， 对真空开关开断空载变压器时， 产生过电压的原理及几种过电压保护装置的 保护原理进行分析和探讨。 1 切空载变过电压产生原理 1．1 截流过电压产生原理 截流过电压是指真空开关开断空载变压器的小电感电流时，由于真空开关的强分断能 力，出现电流在未到达自然零点前被强行开断的现象。这主要是由于电弧电流较小时，阴极 斑点提供的金属蒸汽不够充分和稳定引起的。 真空电弧主要由电极在分断瞬间受热引起金属 蒸发而形成。 电弧使电极表面出现一些斑点， 这些斑点上的金属会不断熔化和蒸发来维持真 空电弧。 开断大电流时， 金属蒸汽充分蒸发， 电弧比较稳定， 是在工频电流自然过零时断弧。 试验证明，开断几百至几千安的交流电流时，一般不会发生截流现象。开断小电流时，如空 载变压器激磁电流（一般只有额定电流的0．6％～2％） 。由于弧柱扩散速度太快，阴极斑点 附近的金属蒸汽压力和温度剧降， 使金属质点的蒸发不能维持弧柱的扩散， 造成电流到达零 点之前的某一瞬时值Ij时发生强制熄弧即截流（如图2） 。 如图1，C为变压器对地等效电容，L为变压器励磁电感。假定截流在i＝Ij时发生， 即Ij＝Imsinα，由于截流，使回路中电流变化率di／dt很大，电感上的压降UL＝Ldi／dt很大， 形成过电压。从能量角度阐述，截流瞬间，绕阻中储有磁场能量LI2j／2，在电容中储有电 场能量 ，这些储存的能量在L－C回路中振荡，振荡频率f0＝ ，由于C值一 般很小，所以当全部储能都转化为电场能的瞬间，在电容C上将出现很高的过电压，即截流 过电压。最大的过电压为 数。 Z为特性阻抗，ηm为转化系 1．2 切空载变截流过电压中的重燃 实际上，切空载变压器时，刚截流的初始阶段，触头分开距离很短，触头间介电强度很 有限，并按一定的速度逐渐增长，而恢复电压却因高频振荡升高得很快，恢复场强等于介电 强度时，发生第一次重燃。C上的电荷通过C～K～CS回路进行高频放电，其储能迅速消耗 掉，C上电压迅速降低到电源电压U0。当再次断弧时，在高频放电时间内，因部分能量已被 消耗掉， 故此时的电感电流及其总磁场能比原来小一些， 第二次恢复电压的幅值也比第一次 小一些。接下来电弧的多次重燃使得电感中的储能越来越小，限制了最大可能的过电压，实 测也证实了这一点。 由文献［1］可知，当空载变压器从一侧分闸而引起过电压时，由于主磁通穿过整个铁 芯， 其他各个绕组也会按变比关系感应出同样倍数的过电压。 由于高压绕组绝缘裕度较中低 压侧小，故从中低压侧分闸的截流过电压对高压绕组的威胁更应引起注意。 2 切空载变截流过电压计算 真空开关开断一台空载状态的 S9 － 500 ／ 10 变压器， I0 ％＝ 1 ． 2 ，每相对地电容 C ＝ 5000pF，ηm取0．4。计算如下： （I0小于1A时，取Ij＝I0；I0大于1A时，取Ij＝1A） 来源:一般油浸变压器，通常过电压不会很高，但其耐电强度高，杂散电容大，通常过电压不 会产生很大危害； 但对耐冲击强度不高的干式变压器或需频繁操作的电弧炉变压器来说， 会 产生较高的有害过电压，应特别防护。由文献［2］可知，一般变压器容量越小，其特性阻 抗Z越大，过电压越高。通过上述计算值也可看出。 3 限制截流过电压的措施 根据公式 ，降低过电压，应降低截流值Ij或降低特性 阻抗Z（即降低电感L或增大电容C） 。已有设备的电感不可能改变，所以降低过电压应限制 截流值Ij或增大电容值C。真空开关与负载之间总是有一定长度的电缆进行连接的，电缆本 身存在的分布电容使特性阻抗Z降低，降低过电压。 限制过电压可采用以下措施： （1）使用低截流值的真空开关（使用低截流值的真空灭 弧室、使用分闸速度可调的操动机构） ； （2）安装保护装置（安装MOA、安装RC吸收装置、 安装大容量稳压装置） ； （3）开关与变压器之间采用一定长度的电缆线 使用低截流值的线）改进触头 大量试验与实践证明，截流值Ij主要取决于触头的金属材料，一般来说，触头材料的饱 和蒸汽压力越高，导热系数越小，截流值就越低；反之，则越高。而技术上对真空开关触头 的要求是多方面的，既要求触头的截流值低，又要求开关有很强的分断能力（即可分断大电 流的能力） ，还要求在动、静触头分开时具有较高的介电强度，单一的金属材料很难满足要 求。因此，常用多元合金或在多孔的高熔点金属（如钨、铬等）触头上浸渍低熔点合金（铜 或铜合金） 。这种触头的阴极斑点可喷发相对较多的金属蒸汽，在满足其他性能的要求下尽 量降低截流值。 （2）开关的分闸速度由固定值变为可调 开断大电流时采用高速分闸， 开断小电流时调为低速分闸。 这对开关厂提出了较高的要 求。这也顺应了开关智能化的潮流。 3．2 并联氧化锌避雷器MOA 在中性点不接地系统中，MOA必须承受单相接地弧光接地过电压的长期作用，时间可 以是2小时，因此使用MOA时必须提高其直流1mA参考电压，导致MOA残压升高，只能勉 强与变压器的出厂直流耐压值配合，保护效果较差。 3．3 采用RC吸收装置 如图3，未接入RC吸收装置时，QF断开后，C、L组成振荡电路，振荡频率很高，幅值也 很高。接入RC吸收装置后C1C0，C0可忽略不计，振荡电路变成R、C1、L回路，微分方程 为 RC吸收装置原理的核心就是用来改变电路的工作状态，将振荡电路改为非振荡电路， 从而抑制过电压。从以上分析可知，只有 R、C1比较大时，非振荡条件才能得到满足， RC 吸收装置是目前应用最多的限压装置，且效果很好。文献［3］中推荐了三种RC吸收装置， 前两种在使用中有可能出现跳闸和电阻烧坏现象，其中的双路RC吸收装置为前两种的改进 型（如图4） ，经使用的电路从未出现过问题，应推广使用。一般R1取100Ω，C1取0．1μF， C2取0．01～0．1μF。 3．4 采用大容量稳压装置 如图5所示，L为归算到次级绕组某一相的激磁电感，反向联接的整流管B和电解电容器 C组成一个双极整流电路。正常情况时，电容器被充电，其直流电压等于低压绕组端电压的 幅值Em。如在L两端产生截流过电压而高于Em，将对电容C充电，由于C值很大，端电压将 基本保持不变，从而达到了稳压的目的。假定激磁电流在幅值 Im截流，电磁能的转化系数 为ηm，电容器两端的最大充电电压（即变压器绕组上的允许过电压）为kEm，可得下式 来 源:文献［4］中介绍了在大连钢厂使用ZN3－10型线kVA电弧炉变压器进行 的空载分闸试验。部分数据如下：在变压器高、低压侧无保护的情况下，实测高压对地过电 压最大为3倍，相间过电压最大为4倍；在变压器高压侧有MOA保护的情况下，实测高压对 地过电压最大为2．8倍，相间过电压最大为3．6倍；在变压器低压侧加装大容量稳压装置 后，实测高压对地过电压最大为1．4倍，相间过电压最大为1．34倍。 3．5 对真空开关开断空载干式变压器应特别防护 干式变压器难燃、耐潮、体积小、维护方便，主要用于高层建筑、地铁、煤矿、石油化 工等“三防”要求高的场所。而这些场所的开关常选用真空开关。由以上分析可知，干式变 压器耐冲击强度不高，而干式变压器上的过电压一般较高，危害很大，应注意防护。而且电 压越高，容量越小，其特性阻抗Z越大，过电压越高，应特别防护。 4 结束语 由于真空开关开断空载变压器时过电压的大小与真空开关触头材料、 触头结构形式、 被 保护设备的参数等有关， 不同厂家的产品用在不同的环境中的结果都有较大不同， 实际上很 难用公式精确计算， 一般要在具体环境下通过试验确定， 虽然厂家也提供了一些相关的数据， 如ABB公司提供的参数表明，其真空开关（铜铬触头）开断空载变压器时，过电压一般不超 过3倍相电压，且一般不需要保护。但厂家的参数一般只是平均值，只能说明过电压超过 3 倍相电压的概率很小，并不是不会出现3倍及以上的过电压。采取限制措施是必要的。 参考文献： ［1］陈维贤．内部过电压基础［M］ ．北京：电力工业出版社，1981． ［2］谢小平，陈刚，黄立培．电气设备设计计算手册［Z］ ．北京：国防工业出版社， 1992． ［3］谢书勇．真空断路器操作过电压的保护装置—阻容保护器［M］ ．高压电器，1997 （6） ：15－18． ［4］陈维贤．电网内部过电压和可控感性补偿—陈维贤论文集［C］ ．武汉：湖北科学 技术出版社，2000． 来源:
