真空斷路器（真空度測試儀021-56479692）操作過電壓對電機(jī)產(chǎn)生的危害及其所采取的措施
2010-05-05
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近年來，真空斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來越廣泛，由此而產(chǎn)生的一些問題也引起人們的關(guān)注。由于真空斷路器在截流、重燃或三相斷開時(shí)會(huì)產(chǎn)生操作過電壓，其操作過電壓幅值可以使電機(jī)等設(shè)備絕緣擊穿，相間導(dǎo)體閃路，引起事故擴(kuò)大，造成不應(yīng)有的損失，人們逐漸認(rèn)識(shí)到這種危害的嚴(yán)重性，于是開發(fā)出了多種用于限制真空斷路器操作過電壓的設(shè)備，如金屬氧化物避雷器、阻容吸收器、組合式過電壓保護(hù)器等產(chǎn)品，但由于選用不當(dāng)或保護(hù)設(shè)備技術(shù)性能的不適用或未考慮被保護(hù)設(shè)備的特殊情況，運(yùn)行時(shí)的事故仍時(shí)有發(fā)生。
1、真空斷路器操作過電壓對電機(jī)產(chǎn)生的危害
在真空斷路器前后兩側(cè)均存在著電感、電容，電感則為電機(jī)的等效電感和導(dǎo)體及變壓器的等效電感; 電容為導(dǎo)體對地及相間的等效電容、電機(jī)的等效電容等。真空斷路器開斷電機(jī)回路時(shí)產(chǎn)生截流過電壓、多次重燃過電壓及三相同時(shí)截流過電壓等三種危害。
1、1截流過電壓
由于真空斷路器有良好的滅弧性能，當(dāng)開斷小電流時(shí)，真空電弧在過零前就會(huì)熄滅，由于電流被突然切斷，其滯留于電機(jī)等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶瞿芰。對于電機(jī)和變壓器，特別是空載或容量較小時(shí)，則相當(dāng)于一個(gè)大的電感，且回路電容量較小，因此會(huì)產(chǎn)生大的過電壓，特別是開斷空載變壓器時(shí)更危險(xiǎn)。從理論上講可以產(chǎn)生很高的過電壓，但由于觸頭和回路中有一定的電阻產(chǎn)生損耗以及發(fā)生擊穿，對過電壓值有相當(dāng)?shù)囊种谱饔，但這種抑制作用是有限的，不能消除在切斷小電流時(shí)出現(xiàn)的過電壓。因此特別對感應(yīng)負(fù)載在采用真空斷路器作為操作元件時(shí)，應(yīng)加裝過電壓保護(hù)設(shè)備。
1、2多次重燃過電壓
多次重燃過電壓是由于弧隙發(fā)生多次重燃，電源多次向電機(jī)電容進(jìn)行充電而產(chǎn)生的。在真空斷路器切斷電流的過程中，觸頭的一側(cè)為工頻電源，另一側(cè)為LC回路充放電的振蕩電源，如果觸頭間的開距不夠大，兩個(gè)電壓疊加后就會(huì)使弧隙之間發(fā)生擊穿，斷路器的恢復(fù)電壓就會(huì)升高。如果觸頭開距增的不夠大，就會(huì)發(fā)生第二次重燃，再滅弧，再重燃以致發(fā)生多次重燃現(xiàn)象，多次的充放電振蕩，觸頭間的恢復(fù)電壓逐級升高，負(fù)載端的電壓也不斷升高，致使產(chǎn)生多次重燃過電壓，損壞電氣設(shè)備。實(shí)驗(yàn)證明，電機(jī)匝間絕緣的損壞主要是由于真空斷路器多次重燃引起的電壓逐級升高造成的，特別是在切斷電機(jī)的啟動(dòng)電流時(shí)極易發(fā)生過電壓。
1、3三相同時(shí)開斷過電壓
三相同時(shí)開斷過電壓是由于斷路器首先開斷相弧隙產(chǎn)生重燃時(shí)，流過該相弧隙的高頻電流引起其余兩相弧隙中的工頻電流迅速過零，致使未開斷相隨之被切斷，在其他二相弧隙中產(chǎn)生類似較大水平的截流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生更高的操作過電壓，所產(chǎn)生的過電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開斷中小容量電機(jī)或輕負(fù)載情況下容易出現(xiàn)三相同時(shí)開斷電壓。
2、電機(jī)回路中應(yīng)用真空斷路器應(yīng)采取的措施
由于電機(jī)繞組存在較大的電感量，以及繞組的匝間電容、對地電容和雜散電容的存在，相當(dāng)于一個(gè)LC振蕩回路，根據(jù)真空斷路器操作過電壓產(chǎn)生的機(jī)理，當(dāng)切斷小電流時(shí)容易產(chǎn)生過電壓危害電機(jī)絕緣及回路電器設(shè)備，因此必須采取措施限制操作過電壓，以保護(hù)電氣設(shè)備能安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)擴(kuò)大真空斷路器的應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)采取的措施有裝設(shè)金屬氧化物避雷器（MOA）、三叉戟過電壓保護(hù)器（TBP）、組合式過電壓保護(hù)器（JPB）等，以上三種設(shè)備均采用氧化鋅閥片作為主要元件，各保護(hù)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。
式中，K為沖擊系數(shù)，取K=1.15
對6kV電動(dòng)機(jī)和6.3kV發(fā)電機(jī)，Us=15.9~16.6（kV）
對10kV電動(dòng)機(jī)和10.5kV 發(fā)電機(jī)，Us=25.6~26.8（kV）
電機(jī)運(yùn)行時(shí)的試驗(yàn)電壓: Us′=1.5Ue
對6kV電機(jī)，Us′=9kV（有效值），沖擊值Us″=12.7kV
對10kV電機(jī)，Us′=15kV（有效值），沖擊值Us″=21.2kV
根據(jù)絕緣配合規(guī)程的要求，耐受電壓水平zui小應(yīng)超出保護(hù)水平15%，同時(shí)由于在10kV及以下系統(tǒng)中不接地或經(jīng)過消弧線圈接地，且當(dāng)發(fā)生單相接地時(shí)，健全相電壓升至線電壓，并允許運(yùn)行2h，這種情況下將使避雷器嚴(yán)重過熱而損壞。從電機(jī)試驗(yàn)電壓計(jì)算值及表中所列的保護(hù)水平看，MOA避雷器保護(hù)電機(jī)的水平zui差，TBP和JPB雖好于MOA，但裕度太小，保護(hù)性能仍不理想，因此，當(dāng)真空斷路器產(chǎn)生操作過電壓時(shí)，不能很好地保護(hù)電機(jī)。
目前有些廠家研制并生產(chǎn)了旨在限制真空斷路器操作過電壓危及電機(jī)絕緣的新產(chǎn)品RC阻容吸收器，它可使絕大多數(shù)電路的操作過電壓降至電源電壓峰值的2~2.5倍以下。目前有三種形式的RC保護(hù)器，即中性點(diǎn)直接接地的普通型RC保護(hù)器; 中性點(diǎn)不接地型RC保護(hù)器; 雙路RC過電壓保護(hù)。普通型RC保護(hù)器存在著當(dāng)單相短路時(shí)電容電流過大導(dǎo)致饋電回路全部跳閘，特別對于有高頻分量的場所，使得RC保護(hù)器電阻燒損; 不接地RC保護(hù)器雖然解決了因電容電流過大而跳閘以及燒電阻的問題，但對于相對地之間的高頻振蕩沒有消除，使得事故發(fā)生率略高；雙路RC過電壓保護(hù)器既解決了對地電路中的高頻振蕩，又解決了對地電流過大和R-C裝置電阻燒損問題。
但是不管哪種RC保護(hù)器，當(dāng)它應(yīng)用在不接地系統(tǒng)中時(shí)，按規(guī)程要求在電容電流不大于3~4A時(shí)，可帶負(fù)荷運(yùn)行2h，其RC回路中的電容無疑增大了回路的電容電流，如果超過或接近規(guī)程規(guī)定值則可能需要裝設(shè)消弧線圈或接地電阻，增加了設(shè)備和投資，因此應(yīng)對其進(jìn)行正確分析和選用。
根據(jù)各廠家的資料，RC裝置中電容量為0.1μF，電阻為100Ω，其容抗為Xc=1/ωC，ω=2πfn。其電容電流在10kV回路中為:
Ic=Ue/Xc=Ue2πfnC
=10×2×3.14×50×0.1
=0.32（A）
在6kV回路中電容電流為:
Ic=6×2×3.14×50×0.1=0.2（A）
從以上計(jì)算可知，每臺(tái)RC裝置的電容電流將達(dá)到0.2~0.32A之間。如果在一條母線上連接著5~10臺(tái)RC裝置，再加上電機(jī)回路的電容電流有可能超過規(guī)程規(guī)定的允許值，則在電機(jī)中性點(diǎn)必須裝設(shè)消弧線圈或電阻以保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，在電機(jī)回路特別是在發(fā)電機(jī)回路中選擇設(shè)備時(shí)，不僅要考慮電機(jī)回路的電容電流，同時(shí)要考慮分支回路的對地電容和用于保護(hù)真空斷路器的RC裝置的電容電流，這一問題往往被設(shè)計(jì)人員及廠家、運(yùn)行管理人員所忽視。
3、發(fā)電機(jī)回路中應(yīng)用真空斷路器應(yīng)注意的一些問題
目前生產(chǎn)的真空斷路器大多數(shù)為普通配電型真空斷路器，已有不少單位在一些中小水電機(jī)組、電機(jī)回路和企業(yè)小型機(jī)組中廣泛采用，用戶也感到比使用少油斷路器簡單、方便、無維護(hù)工作量、尺寸小、安裝更換快等優(yōu)點(diǎn)，也考慮了裝設(shè)過電壓保護(hù)裝置。即使這樣，在發(fā)電機(jī)回路中裝設(shè)普通配電型真空斷路器仍存在一些缺點(diǎn)和不足①發(fā)電機(jī)隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，其絕緣水平逐漸下降，真空斷路器的操作過電壓與電機(jī)的絕緣水平配合幾乎沒有多少裕度; ②發(fā)電機(jī)回路斷路器的技術(shù)性能要求比較嚴(yán)格，使用條件嚴(yán)酷，如切斷直流分流標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)電機(jī)斷路器切斷直流分量值為大于60%或80%的額定開斷電流，普通配電型真空斷路器很難達(dá)到; ③由于發(fā)電機(jī)本身的電容量（水輪發(fā)電機(jī)大于汽輪發(fā)電機(jī)），加上較長的引出線及分支線產(chǎn)生的電容量，如果使用RC過電壓保護(hù)器，還應(yīng)加上保護(hù)器的電容量，使在發(fā)生單相接地時(shí)電容電流較大，就會(huì)引起不必要的跳閘或在中性點(diǎn)增加設(shè)備（如消弧線圈、接地電阻等），從而會(huì)引起斷電保護(hù)復(fù)雜化。
在工程的初步設(shè)計(jì)階段，重要的工作之一就是設(shè)備選型，為了選擇合適的設(shè)備有必要對發(fā)電機(jī)的電容電流作出初步估算。計(jì)算發(fā)電機(jī)電容值有多個(gè)不同的公式，有些則需應(yīng)用電磁計(jì)算的有關(guān)參數(shù)，在初步設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用受到一定的限制，因此可采用比較簡單的美國GE公司的計(jì)算公式:
Cf=3KdSn/ √Un（1+0.08Un）
式中: Kd為對有阻尼的凸極電機(jī)取0.0317; Sn為發(fā)電機(jī)容量; Un為發(fā)電機(jī)額定電壓。
求得發(fā)電機(jī)的電容后，可根據(jù)發(fā)電機(jī)的額定相電壓Ux求得電機(jī)的電容電流: Icr=ωCfUx×10-6
式中: Ux為發(fā)電機(jī)額定相電壓（V）。
通過對發(fā)電機(jī)回路電容電流的計(jì)算，以及其他條件，可確定發(fā)電機(jī)回路是否采用真空斷路器，若采用真空斷路器，采用何種限制操作過電壓的措施，以及確定發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式。
4、結(jié)語
通過對真空斷路器操作過電壓的產(chǎn)生機(jī)理以及我國目前生產(chǎn)的保護(hù)設(shè)備的技術(shù)參數(shù)的分析和計(jì)算，指出了在電機(jī)回路中裝設(shè)真空斷路器時(shí)，必須有完善的保護(hù)設(shè)備來限制真空斷路器的操作過電壓，更好地保護(hù)主設(shè)備，才能不斷地?cái)U(kuò)大真空斷路器的使用范圍，使電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。特別是在發(fā)電機(jī)回路中使用真空斷路器時(shí)，更要慎重，不可盲目使用，除具有完善的保護(hù)措施外，還要考慮其絕緣水平配合、發(fā)電機(jī)回路的電容電流、切斷直流分量的要求等因素，使真空斷路器的優(yōu)良性能得到充分發(fā)揮。
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