真空断路器截流过电压的抑制
2007-05-09 10:38:54 来源：
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电力18讯：
陕西省地方电力集团公司 马金明
摘要：当真空断路器开断小电感电流时，引起操作过电压，称为截流过电压，对线路和电气设备的绝缘造成危害，特别是在35kV系统中，操作过电压保护措施相对较少，在一定程度上成为阻碍其应用的一大难题。
1 截流过电压产生原理
真空断路器开断小电感电流时的截流现象，主要是由于电弧电流较小时，阴极斑点提供的金属蒸气不够充分和稳定引起的。真空电弧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，金属蒸气充分蒸发，电弧比较稳定，在工频电流自然过零时熄弧。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。开断小电感电流时，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气压力和温度剧降，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时发生强制熄弧而形成截流。
对于开断空载变压器的情况，原理电路如图1所示。设C为变压器等效电容，L为变压器励磁电感。假定截流在i = Ich时发生，即i = Ich = Imsina，u = U0。由于截流，使回路中电流变化率di/dt很大，电感上的压降uL = di/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(1/2)LIch，在电容中储有电场能量(1/2)CU20，这些储存的能量在L-C回路中振荡，振荡频率f = 1/[2π(LC)1/2]，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。考虑到磁场能量中总有一部分消耗在变压器的铁损和铜损中，转变为电场能量的只是磁场能量的一部分，最大的过电压为Um=[ηm(ηchZC)2+U 0]1/2，其中Zc = (L/C)1/2称为变压器的特性阻抗，又称为波阻抗，ηm称为磁能转换效率。由此可见，要降低过电压，就需要降低截流值或特征阻抗值。
2 现有过电压保护装置存在的不足
(1)并联金属氧化物避雷器（MOA）。MOA结构简单，但是其保护作用仅仅是限制过电压的幅值，而不能限制过电压的波头陡度，在达到MOA动作门槛电压前不能减轻过电压对变压器纵绝缘的作用。35kV系统为中性点不接地系统，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2h。因此使用MOA时必须提高其直流1mA参考电压，从而导致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。
(2)RC吸收装置。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。它可以降低截流过电压幅值的陡度，并对高频振荡进行阻尼，降低重燃的可能性。但是RC吸收装置中的电容增加了电网接地的总电容电流，可能会因此而装设补偿设备，使电网运行复杂化。另外，RC吸收装置参数的选择，尚没有明确的方法和标准，这是因为真空断路器开断电感性负荷时的过电压取决于很多实际因素，一但参数选择不当，容易引起电阻烧毁和跳闸事故。而且RC吸收装置体积大、成本高，安装维护工作量也大。
3 使用低截流值真空断路器抑制截流过电压的最佳方案
ZW7型户外真空断路器采取了一系列措施来改进其性能，大大降低了截流值，不会产生操作过电压，因而不需要另外安装限压装置，既节省了投资，又提高了系统的工作可靠性。
(1)采用新型低截流值触头材料。大量试验与实践证明，截流值主要取决于触头的金属材料。一般来说，触头材料的饱和蒸气压力越高，导热系数越小，截流值就越低，反之则越高。而技术上对真空断路器触头的要求是多方面的，既要求触头的截流值低，又要求断路器有很强的分断能力（分断大电流的能力），还要求在动、静触头分开时具有较高的绝缘强度，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气，在满足其他性能的要求下可以尽量降低截流值。CuCr触头材料是目前应用最广最成功的触头材料，具有开断能力强，耐压水平高等优点，但其截流值较高。为此对降低CuCr触头材料的截流水平进行了深入研究，先后在CuCr触头材料中添加Bi、Sb、Ta等材料，改变材料成分及含量，改变材料的金相及内部结构，使ZW7型户外真空断路器的截流水平下降。
(2)最佳开距。触头开距增大会使蒸气粒子的扩散空间增大，有利于降低粒子密度和电弧温度，所以导致截流值增大，这一点已经为试验所证明。因此，对ZW7型户外真空断路器的最佳开距进行了理论和试验研究，在保证大电流开断能力和耐压水平的基础上，将开距由原来的22mm减小到18mm，使截流值降低，而且降低了操作功。
(3)极间磁场。研究表明，极间磁场较弱时，适当增加磁场会使截流值降低；而当极间磁场较强时，增加磁场反而会使截流值升高。因此，改进后的ZW7型户外真空断路器采
陕西省地方电力集团公司 马金明
摘要：当真空断路器开断小电感电流时，引起操作过电压，称为截流过电压，对线路和电气设备的绝缘造成危害，特别是在35kV系统中，操作过电压保护措施相对较少，在一定程度上成为阻碍其应用的一大难题。
1 截流过电压产生原理
真空断路器开断小电感电流时的截流现象，主要是由于电弧电流较小时，阴极斑点提供的金属蒸气不够充分和稳定引起的。真空电弧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，金属蒸气充分蒸发，电弧比较稳定，在工频电流自然过零时熄弧。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。开断小电感电流时，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气压力和温度剧降，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时发生强制熄弧而形成截流。
对于开断空载变压器的情况，原理电路如图1所示。设C为变压器等效电容，L为变压器励磁电感。假定截流在i = Ich时发生，即i = Ich = Imsina，u = U0。由于截流，使回路中电流变化率di/dt很大，电感上的压降uL = di/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(1/2)LIch，在电容中储有电场能量(1/2)CU20，这些储存的能量在L-C回路中振荡，振荡频率f = 1/[2π(LC)1/2]，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。考虑到磁场能量中总有一部分消耗在变压器的铁损和铜损中，转变为电场能量的只是磁场能量的一部分，最大的过电压为Um=[ηm(ηchZC)2+U 0]1/2，其中Zc = (L/C)1/2称为变压器的特性阻抗，又称为波阻抗，ηm称为磁能转换效率。由此可见，要降低过电压，就需要降低截流值或特征阻抗值。
2 现有过电压保护装置存在的不足
(1)并联金属氧化物避雷器（MOA）。MOA结构简单，但是其保护作用仅仅是限制过电压的幅值，而不能限制过电压的波头陡度，在达到MOA动作门槛电压前不能减轻过电压对变压器纵绝缘的作用。35kV系统为中性点不接地系统，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2h。因此使用MOA时必须提高其直流1mA参考电压，从而导致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。
(2)RC吸收装置。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。它可以降低截流过电压幅值的陡度，并对高频振荡进行阻尼，降低重燃的可能性。但是RC吸收装置中的电容增加了电网接地的总电容电流，可能会因此而装设补偿设备，使电网运行复杂化。另外，RC吸收装置参数的选择，尚没有明确的方法和标准，这是因为真空断路器开断电感性负荷时的过电压取决于很多实际因素，一但参数选择不当，容易引起电阻烧毁和跳闸事故。而且RC吸收装置体积大、成本高，安装维护工作量也大。
3 使用低截流值真空断路器抑制截流过电压的最佳方案
ZW7型户外真空断路器采取了一系列措施来改进其性能，大大降低了截流值，不会产生操作过电压，因而不需要另外安装限压装置，既节省了投资，又提高了系统的工作可靠性。
(1)采用新型低截流值触头材料。大量试验与实践证明，截流值主要取决于触头的金属材料。一般来说，触头材料的饱和蒸气压力越高，导热系数越小，截流值就越低，反之则越高。而技术上对真空断路器触头的要求是多方面的，既要求触头的截流值低，又要求断路器有很强的分断能力（分断大电流的能力），还要求在动、静触头分开时具有较高的绝缘强度，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气，在满足其他性能的要求下可以尽量降低截流值。CuCr触头材料是目前应用最广最成功的触头材料，具有开断能力强，耐压水平高等优点，但其截流值较高。为此对降低CuCr触头材料的截流水平进行了深入研究，先后在CuCr触头材料中添加Bi、Sb、Ta等材料，改变材料成分及含量，改变材料的金相及内部结构，使ZW7型户外真空断路器的截流水平下降。
(2)最佳开距。触头开距增大会使蒸气粒子的扩散空间增大，有利于降低粒子密度和电弧温度，所以导致截流值增大，这一点已经为试验所证明。因此，对ZW7型户外真空断路器的最佳开距进行了理论和试验研究，在保证大电流开断能力和耐压水平的基础上，将开距由原来的22mm减小到18mm，使截流值降低，而且降低了操作功。
(3)极间磁场。研究表明，极间磁场较弱时，适当增加磁场会使截流值降低；而当极间磁场较强时，增加磁场反而会使截流值升高。因此，改进后的ZW7型户外真空断路器采
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