真空断路器开断电抗器操作过电压产生的原因和抑制的方法

1.应用中的问题探讨

　随着电力系统电网的不断扩大，为了保证系统稳定运行和供电质量，电网中、特别是在枢纽变电所，其低压侧均装设了用于无功调节的电抗器组。这种设备，出于其调节功能的需要，通常是投切频繁，同时，受安装场地等客观因素的影响，在其开断设备的选择上，具有灭弧能力强、触头损耗小、开断次数多、维护少、检修周期长等优点的真空断路器，成为设计优选方案。电抗器属于储能元件，在运行操作过程中，由于其工作状态发生变化，可能产生数倍于电源电压的操作过电压。真空断路器是采用真空作为灭弧介质，在开断电抗器时，其操作电压产生的机理和类型，与油断路器有所不同。
　　
　　1产生操作过电压的原因
　　
　　真空断路器开断电抗器时，操作过电压一般可分为：截流过电压、三相同时截流过电压和高频重燃过电压三种。另外，由于断路器的制造工艺问题，在合闸时发生弹跳，引起操作过电压的情况则更为复杂。
　　
　　(1)截流过电压。
　　
　　①产生的原因是因真空断路器灭弧能力强，在开断电抗器时，可能在电流到达零点之前发生强制熄灭，这就是断路器的截流。此时有大的电流变化率而电抗器侧压降UL=L，即形成过电压。
　　
　　②影响截流过电压大小的因素，根据理论计算，截流过电压倍数Kn可用下式表出：
　　
　　式中ηm——磁能转化为电场能的损耗系数，小于1
　　
　　fo——自振频率，大小为2π
　　
　　f——工频50Hz
　　
　　α——截流相角
　　
　　由此可见，影响过电压倍数的两个主要因素为：
　　
　　a.电抗器电感的大小及外部联线与电气设备的杂散电容大小；
　　
　　b.截流角度α，当α→90°，即电流在接近峰值处被截断，过电压倍数达最大值，过电压现象最为严重。
　　
　　对于真空断路器而言，其截流水平也直接影响操作过电压倍数，而截流水平又与真空灭弧室的制造工艺及断路器服务对象有关。强灭弧能力的真空断路器，在开断小电流时，截流过电压产生的机率较高，对于大电流负载则可能不会产生明显的影响。
　(2)三相同时截流过电压。
　　
　　从物理角度而言，图(1)中，断路器K开断后，L、C电路中定会产生高频率的能量振荡。在截流初始，恢复电压因高频振荡上升较快，此时断路器触头间抗电强度有限，触头间易发生电弧重燃，电容C上的电荷就要通过C—Lk—Cs回路进行高频放电，该高频电流过零时，电弧又熄灭，接着又可能多次出现重燃又熄弧的过程。所以在某些情况下，如开断感性小电流时，触头间的重燃相当于自动的放电间隙，限制了过电压幅值。另一方面，当电抗器与断路器通过三相电缆联接时，其电缆芯线间有相间互电容和互电感，使得当一相开断截流而产生过电压和重燃时，其暂态高频电流通过电磁耦合至其它两相同时感应出一个高频电流。该高频电流与原有的工频电流叠加，其结果可使两相电流瞬间过零而被截断。对于50Hz的工频而言，上述高频振荡过程极快，可视为三相同时截流，即在三相中同时产生截流过电压，且在后两相中的截流值可能很大，从而产生很高的过电压。
　　
　　(3)高频重燃过电压。
　　
　　此处讨论的高频重燃过电压，是基于真空断路器切断较大电流且并未发生截流时出现的多次重燃。
　　
　当工频电流过零时，真空断路器开断熄弧，电容C即向电感L放电，开始振荡，触头间出现恢复电压Uh，当电压等于断路器恢复强度时，发生第一次重燃；当振荡电压第一次达到幅值时，其值应为U1=Em(电源电势)+Uh，此时振荡电流第一次过零，再次熄弧，但电流值已非初次开断时的零值，即高频电流幅值大于工频电流瞬时值。如此反复，振荡电流不断升高，振荡最高电压不断加大，过电压可达极高幅值。虽然振荡必将衰减至稳态值，但已可能对设备绝缘产生严重危害。
　　
　　2抑制操作过电压的措施
　　
　　由上文分析可知，对电抗器操作过电压的抑制措施，主要从降低过电压出现的机率、抑制过电压幅值和降低过电压陡度等几方面入手，具体措施总结如下：
　　
　　(1)采用低电涌真空灭弧室断路器：
　　
　　由于真空断路器开断电抗器时，必然带来截流过电压问题，且电抗器的损耗相对较小，对减小过电压不利，因此在选用合分设备时，应注意考虑断路器的截流性能，选取低截流值的真空断路器；若截流值太高，应考虑在断路器上加装并联电阻，从而达到合理选择设备参数，降低过电压出现机率的目的。
　　
　　(2)采用避雷器：
　　
　　选用金属氧化物避雷器，具有理想的伏安特性。它不仅能防止雷电引起的外部过电压，而且能抑制因开断电抗器引起的内部操作过电压。因为在正常运行低电场强度下，其电阻率为1010～1011Ωm，漏电流极小，相当于一绝缘体；而当电场强度达到106～107V/m时，其电阻率迅速下降至低电阻状态，因而可使过电压能量迅速泄放，达到限制过电压进一步升高的目的。
　　
　　金属氧化物避雷器与阀式避雷器相比，不仅具有结构简单、体积小，通流容量大，使用寿命长的优势，而且由于其非线性特性，残压低，抑制过电压能力强，动作电流也比阀式避雷器偏低，对大气过电压和操作过电压均能起到保护作用。此外，它对电涌陡度响应快，能吸收任何波形的流涌电压，无间隙，无工频续流，避免了工频放电电压的不稳定性和冲击放电电压的分散性。所以金属氧化物避雷器是较理想的保护操作过电压元件。