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真空斷路器操作過電壓對電機產生的危害

[關鍵詞]真空斷路器操作過電壓電機回路危害性對策

近年來，真空斷路器在電力系統中應用越來越廣泛，由此而產生的一些問題也引起人們的關注。由于真空斷路器在截流、重燃或三相斷開時會產生操作過電壓，其操作過電壓幅值可以使電機等設備絕緣擊穿，相間導體閃路，引起事故擴大，造成不應有的損失，人們逐漸認識到這種危害的嚴重性，于是開發出了多種用于限制真空斷路器操作過電壓的設備，如金屬氧化物避雷器、阻容吸收器、組合式過電壓保護器等產品，但由于選用不當或保護設備技術性能的不適用或未考慮被保護設備的特殊情況，運行時的事故仍時有發生。

1、真空斷路器操作過電壓對電機產生的危害
　　在真空斷路器前后兩側均存在著電感、電容，電感則為電機的等效電感和導體及變壓器的等效電感;電容為導體對地及相間的等效電容、電機的等效電容等。真空斷路器開斷電機回路時產生截流過電壓、多次重燃過電壓及三相同時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，當開斷小電流時，真空電弧在過零前就會熄滅，由于電流被突然切斷，其滯留于電機等電感繞組中的能量必然向繞組的雜散電容充電，轉變為電場能量。對于電機和變壓器，特別是空載或容量較小時，則相當于一個大的電感，且回路電容量較小，因此會產生大的過電壓，特別是開斷空載變壓器時更危險。從理論上講可以產生很高的過電壓，但由于觸頭和回路中有一定的電阻產生損耗以及發生擊穿，對過電壓值有相當的抑制作用，但這種抑制作用是有限的，不能消除在切斷小電流時出現的過電壓。因此特別對感應負載在采用真空斷路器作為操作元件時，應加裝過電壓保護設備。

1、2多次重燃過電壓
　　多次重燃過電壓是由于弧隙發生多次重燃，電源多次向電機電容進行充電而產生的。在真空斷路器切斷電流的過程中，觸頭的一側為工頻電源，另一側為LC回路充放電的振蕩電源，如果觸頭間的開距不夠大，兩個電壓疊加后就會使弧隙之間發生擊穿，斷路器的恢復電壓就會升高。如果觸頭開距增的不夠大，就會發生**次重燃，再滅弧，再重燃以致發生多次重燃現象，多次的充放電振蕩，觸頭間的恢復電壓逐級升高，負載端的電壓也不斷升高，致使產生多次重燃過電壓，損壞電氣設備。實驗證明，電機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，特別是在切斷電機的啟動電流時極易發生過電壓。

1、3三相同時開斷過電壓
　　三相同時開斷過電壓是由于斷路器首先開斷相弧隙產生重燃時，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??之被切斷，在其他二相弧隙中產生類似較大水平的截流現象，從而產生更高的操作過電壓，所產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或輕負載情況下容易出現三相同時開斷電壓。

2、電機回路中應用真空斷路器應采取的措施
　　由于電機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，相當于一個LC振蕩回路，根據真空斷路器操作過電壓產生的機理，當切斷小電流時容易產生過電壓危害電機絕緣及回路電器設備，因此必須采取措施限制操作過電壓，以保護電氣設備能**可靠地運行，同時擴大真空斷路器的應用范圍。目前國內采取的措施有裝設金屬氧化物避雷器（MOA）、三叉戟過電壓保護器（TBP）、組合式過電壓保護器（JPB）等，以上三種設備均采用氧化鋅閥片作為主要元件，各保護設備的主要技術參數如表1所示。

式中，K為沖擊系數，取K=1.15
對6kV電動機和6.3kV發電機，Us=15.9~16.6(kV)
對10kV電動機和10.5kV 發電機，Us=25.6~26.8(kV)
電機運行時的試驗電壓: Us′=1.5Ue
對6kV電機，Us′=9kV(有效值)，沖擊值Us″=12.7kV
對10kV電機，Us′=15kV(有效值)，沖擊值Us″=21.2kV

　　根據絕緣配合規程的要求，耐受電壓水平*小應超出保護水平15%，同時由于在10kV及以下系統中不接地或經過消弧線圈接地，且當發生單相接地時，健全相電壓升至線電壓，并允許運行2h，這種情況下將使避雷器嚴重過熱而損壞。從電機試驗電壓計算值及表中所列的保護水平看，MOA避雷器保護電機的水平*差，TBP和JPB雖好于MOA，但裕度太小，保護性能仍不理想，因此，當真空斷路器產生操作過電壓時，不能很好地保護電機。
　　目前有些廠家研制并生產了旨在限制真空斷路器操作過電壓危及電機絕緣的新產品RC阻容吸收器，它可使絕大多數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保護器，即中性點直接接地的普通型RC保護器;中性點不接地型RC保護器;雙路RC過電壓保護。普通型RC保護器存在著當單相短路時電容電流過大導致饋電回路全部跳閘，特別對于有高頻分量的場所，使得RC保護器電阻燒損;不接地RC保護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，使得事故發生率略高；雙路RC過電壓保護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保護器，當它應用在不接地系統中時，按規程要求在電容電流不大于3~4A時，可帶負荷運行2h，其RC回路中的電容無疑增大了回路的電容電流，如果超過或接近規程規定值則可能需要裝設消弧線圈或接地電阻，增加了設備和投資，因此應對其進行正確分析和選用。
根據各廠家的資料，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)

　　從以上計算可知，每臺RC裝置的電容電流將達到0.2~0.32A之間。如果在一條母線上連接著5~10臺RC裝置，再加上電機回路的電容電流有可能超過規程規定的允許值，則在電機中性點必須裝設消弧線圈或電阻以保護設備的**運行。因此，在電機回路特別是在發電機回路中選擇設備時，不僅要考慮電機回路的電容電流，同時要考慮分支回路的對地電容和用于保護真空斷路器的RC裝置的電容電流，這一問題往往被設計人員及廠家、運行管理人員所忽視。

3、發電機回路中應用真空斷路器應注意的一些問題
　　目前生產的真空斷路器大多數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組、電機回路和企業小型機組中廣泛采用，用戶也感到比使用少油斷路器簡單、方便、無維護工作量、尺寸小、安裝更換快等優點，也考慮了裝設過電壓保護裝置。即使這樣，在發電機回路中裝設普通配電型真空斷路器仍存在一些缺點和不足①發電機隨著運行時間的延長，其絕緣水平逐漸下降，真空斷路器的操作過電壓與電機的絕緣水平配合幾乎沒有多少裕度;②發電機回路斷路器的技術性能要求比較嚴格，使用條件嚴酷，如切斷直流分流標準要求發電機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到;③由于發電機本身的電容量（水輪發電機大于汽輪發電機），加上較長的引出線及分支線產生的電容量，如果使用RC過電壓保護器，還應加上保護器的電容量，使在發生單相接地時電容電流較大，就會引起不必要的跳閘或在中性點增加設備（如消弧線圈、接地電阻等），從而會引起斷電保護復雜化。
　　在工程的初步設計階段，重要的工作之一就是設備選型，為了選擇合適的設備有必要對發電機的電容電流作出初步估算。計算發電機電容值有多個不同的公式，有些則需應用電磁計算的有關參數，在初步設計時應用受到一定的限制，因此可采用比較簡單的美國GE公司的計算公式:
Cf=3KdSn/ √Un(1+0.08Un)
式中: Kd為對有阻尼的凸極電機取0.0317; Sn為發電機容量; Un為發電機額定電壓。
求得發電機的電容后，可根據發電機的額定相電壓Ux求得電機的電容電流: Icr=ωCfUx×10-6
式中: Ux為發電機額定相電壓（V）。

　　通過對發電機回路電容電流的計算，以及其他條件，可確定發電機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，以及確定發電機中性點接地方式。

4、結語
　　通過對真空斷路器操作過電壓的產生機理以及我國目前生產的保護設備的技術參數的分析和計算，指出了在電機回路中裝設真空斷路器時，必須有完善的保護設備來限制真空斷路器的操作過電壓，更好地保護主設備，才能不斷地擴大真空斷路器的使用范圍，使電力系統**、可靠、經濟地運行。特別是在發電機回路中使用真空斷路器時，更要慎重，不可盲目使用，除具有完善的保護措施外，還要考慮其絕緣水平配合、發電機回路的電容電流、切斷直流分量的要求等因素，使真空斷路器的優良性能得到充分發揮。

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