真空断路器操作过电压的研究论文

真空断路器操作过电压对电机产生的危害及其所采取的措施论文

[摘 要] 通过对真空断路器操作过电压的产生机理以及我国目前生产的保护设备的技术参数的分析计算，提出了真空断路器产生截波过电压对电机产生的危害及其所采取的措施，以及装设过电压保护器后对电机产生的影响，特别在电机回路中应用真空断路器时，除具有完善的保护措施外，还应注意一些其它问题，使真空断路器的优良性能得到充分发挥。

[关键词] 真空断路器 操作过电压 电机 回路 危害性 对策

近年来，真空断路器在电力系统中应用越来越广泛，由此而产生的一些问题也引起人们的关注。由于真空断路器在截流、重燃或三相断开时会产生操作过电压，其操作过电压幅值可以使电机等设备绝缘击穿，相间导体闪路，引起事故扩大，造成不应有的损失，人们逐渐认识到这种危害的严重性，于是开发出了多种用于限制真空断路器操作过电压的设备，如金属氧化物避雷器、阻容吸收器、组合式过电压保护器等产品，但由于选用不当或保护设备技术性能的不适用或未考虑被保护设备的特殊情况，运行时的事故仍时有发生。

1、真空断路器操作过电压对电机产生的危害

在真空断路器前后两侧均存在着电感、电容，电感则为电机的等效电感和导体及变压器的等效电感; 电容为导体对地及相间的等效电容、电机的等效电容等。真空断路器开断电机回路时产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时截流过电压等三种危害。

1、1截流过电压

由于真空断路器有良好的灭弧性能，当开断小电流时，真空电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电，转变为电场能量。对于电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生大的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。从理论上讲可以产生很高的过电压，但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用，但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。

1、2多次重燃过电压

多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距增的不够大，就会发生第二次重燃，再灭弧，再重燃以致发生多次重燃现象，多次的充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏电气设备。实验证明，电机匝间绝缘的损坏主要是由于真空断路器多次重燃引起的电压逐级升高造成的，特别是在切断电机的'启动电流时极易发生过电压。

1、3三相同时开断过电压

三相同时开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使未开断相随之被切断，在其他二相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相同时开断电压。

2、电机回路中应用真空断路器应采取的措施

由于电机绕组存在较大的电感量，以及绕组的匝间电容、对地电容和杂散电容的存在，相当于一个LC振荡回路，根据真空断路器操作过电压产生的机理，当切断小电流时容易产生过电压危害电机绝缘及回路电器设备，因此必须采取措施限制操作过电压，以保护电气设备能安全可靠地运行，同时扩大真空断路器的应用范围。目前国内采取的措施有装设金属氧化物避雷器（MOA）、三叉戟过电压保护器（TBP）、组合式过电压保护器（JPB）等，以上三种设备均采用氧化锌阀片作为主要元件，各保护设备的主要技术参数如表1所示。

式中，K为冲击系数，取K=1.15

对6kV电动机和6.3kV发电机，Us=15.9~16.6(kV)

对10kV电动机和10.5kV 发电机，Us=25.6~26.8(kV)

电机运行时的试验电压: Us′=1.5Ue

对6kV电机，Us′=9kV(有效值)，冲击值Us″=12.7kV

对10kV电机，Us′=15kV(有效值)，冲击值Us″=21.2kV

根据绝缘配合规程的要求，耐受电压水平最小应超出保护水平15%，同时由于在10kV及以下系统中不接地或经过消弧线圈接地，且当发生单相接地时，健全相电压升至线电压，并允许运行2h，这种情况下将使避雷器严重过热而损坏。从电机试验电压计算值及表中所列的保护水平看，MOA避雷器保护电机的水平最差，TBP和JPB虽好于MOA，但裕度太小，保护性能仍不理想，因此，当真空断路器产生操作过电压时，不能很好地保护电机。

目前有些厂家研制并生产了旨在限制真空断路器操作过电压危及电机绝缘的新产品RC阻容吸收器，它可使绝大多数电路的操作过电压降至电源电压峰值的2~2.5倍以下。目前有三种形式的RC保护器，即中性点直接接地的普通型RC保护器; 中性点不接地型RC保护器; 双路RC过电压保护。普通型RC保护器存在着当单相短路时电容电流过大导致馈电回路全部跳闸，特别对于有高频分量的场所，使得RC保护器电阻烧损; 不接地RC保护器虽然解决了因电容电流过大而跳闸以及烧电阻的问题，但对于相对地之间的高频振荡没有消除，使得事故发生率略高；双路RC过电压保护器既解决了对地电路中的高频振荡，又解决了对地电流过大和R-C装置电阻烧损问题。

但是不管哪种RC保护器，当它应用在不接地系统中时，按规程要求在电容电流不大于3~4A时，可带负荷运行2h，其RC回路中的电容无疑增大了回路的电容电流，如果超过或接近规程规定值则可能需要装设消弧线圈或接地电阻，增加了设备和投资，因此应对其进行正确分析和选用。

根据各厂家的资料，RC装置中电容量为0.1μF，电阻为100Ω，其容抗为Xc=1/ωC，ω=2πfn。其电容电流在10kV回路中为:

Ic=Ue/Xc=Ue2πfnC

=10×2×3.14×50×0.1

=0.32(A)

在6kV回路中电容电流为:

Ic=6×2×3.14×50×0.1=0.2(A)

从以上计算可知，每台RC装置的电容电流将达到0.2~0.32A之间。如果在一条母线上连接着5~10台RC装置，再加上电机回路的电容电流有可能超过规程规定的允许值，则在电机中性点必须装设消弧线圈或电阻以保护设备的安全运行。因此，在电机回路特别是在发电机回路中选择设备时，不仅要考虑电机回路的电容电流，同时要考虑分支回路的对地电容和用于保护真空断路器的RC装置的电容电流，这一问题往往被设计人员及厂家、运行管理人员所忽视。

3、发电机回路中应用真空断路器应注意的一些问题

目前生产的真空断路器大多数为普通配电型真空断路器，已有不少单位在一些中小水电机组、电机回路和企业小型机组中广泛采用，用户也感到比使用少油断路器简单、方便、无维护工作量、尺寸小、安装更换快等优点，也考虑了装设过电压保护装置。即使这样，在发电机回路中装设普通配电型真空断路器仍存在一些缺点和不足①发电机随着运行时间的延长，其绝缘水平逐渐下降，真空断路器的操作过电压与电机的绝缘水平配合几乎没有多少裕度; ②发电机回路断路器的技术性能要求比较严格，使用条件严酷，如切断直流分流标准要求发电机断路器切断直流分量值为大于60%或80%的额定开断电流，普通配电型真空断路器很难达到; ③由于发电机本身的电容量（水轮发电机大于汽轮发电机），加上较长的引出线及分支线产生的电容量，如果使用RC过电压保护器，还应加上保护器的电容量，使在发生单相接地时电容电流较大，就会引起不必要的跳闸或在中性点增加设备（如消弧线圈、接地电阻等），从而会引起断电保护复杂化。

在工程的初步设计阶段，重要的工作之一就是设备选型，为了选择合适的设备有必要对发电机的电容电流作出初步估算。计算发电机电容值有多个不同的公式，有些则需应用电磁计算的有关参数，在初步设计时应用受到一定的限制，因此可采用比较简单的美国GE公司的计算公式:

Cf=3KdSn/ √Un(1+0.08Un)

式中: Kd为对有阻尼的凸极电机取0.0317; Sn为发电机容量; Un为发电机额定电压。

求得发电机的电容后，可根据发电机的额定相电压Ux求得电机的电容电流: Icr=ωCfUx×10-6

式中: Ux为发电机额定相电压（V）。

通过对发电机回路电容电流的计算，以及其他条件，可确定发电机回路是否采用真空断路器，若采用真空断路器，采用何种限制操作过电压的措施，以及确定发电机中性点接地方式。

4、结语

通过对真空断路器操作过电压的产生机理以及我国目前生产的保护设备的技术参数的分析和计算，指出了在电机回路中装设真空断路器时，必须有完善的保护设备来限制真空断路器的操作过电压，更好地保护主设备，才能不断地扩大真空断路器的使用范围，使电力系统安全、可靠、经济地运行。特别是在发电机回路中使用真空断路器时，更要慎重，不可盲目使用，除具有完善的保护措施外，还要考虑其绝缘水平配合、发电机回路的电容电流、切断直流分量的要求等因素，使真空断路器的优良性能得到充分发挥。

参 考 文 献

1.王秀梅等.真空断路器.北京: 机械工业出版社.1983

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4.谢书勇.在电网中运行的真空断路器的操作过电压.高压电器.1997(3)

5.穆建新.真空断路器在电机回路中的应用.中国农村水利水电.2001(6)

综述真空断路器存在的问题处理及预防措施论文

摘要：本文针对真空断路器在运行、检修中出现的问题进行分析。并提出了处理方法和预防措施。

关键词：检修故障预防处理

1断路器的工作原理

真空断路器利用真空中电流过零点时，等离子体迅速扩散而熄灭电弧，达到切断电流的目的。真空灭弧室是真空断路器的主要部件，开关寿命长短决定于触头的磨损和灭弧室真空度，真空度是真空断路器的重要技术指标。

2断路器真空泡真空度降低

2.1原因分析

2.1.1真空泡的材质或制作工艺存在问题，真空泡本身存在微小漏点。

2.1.2真空泡内波形管的材质或制作装配工艺存在问题，随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数的增多，其真空度逐步下降，下降到一定程度将会影响其开断能力和耐压水平。

2.1.3分体式真空断路器，如使用电磁式操作机构的真空断路器，在操作时，由于操作连杆的传动距离比较大，直接影响开关的同期、弹跳、超行程等机械特性，使真空度降低的速度加快。

2.2故障危害真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力，并导致断路器的`使用寿命急剧下降。

2.3处理方法①在进行断路器定期停电检修时，必须使用真空测试仪对真空泡进行真空度的定性测试，确保真空泡具有一定的真空度(真空度不能低于6.6×10-2Pa，制造厂新生产的真空灭弧室要求达到7.5×10-4Pa以下)。②当真空度降低时，必须更换真空泡，并做好行程、同期、弹跳等特性试验。③做好极限开断电流值的统计。在日常运行中，应对真空断路器的正常开断操作和短路开断隋况进行记录。当发现极限开断电流值l，达到厂家给出的极限值时，应更换真空灭弧室。

1=n1Ir+n2Ik；

式中：n1—正常开断次数；

Ir—厂家提供的断路器额定工作电流；

n2—短路开断次数；

Ik—l0kV母线最大开断电流。

2.4预防措施①当前真空断路器型号繁杂、生产厂家众多，产品质量分散性大，有的真空断路器无备品、备件，给维护与检修造成了一定的难度，所以，选用真空断路器时，应该选用质量信誉良好的厂家生产的成熟产品。②选用本体与操作机构一体的真空断路器。③运行人员应定期对真空断路器进行认真严格的巡视，应注意断路器真空泡外部是否有放电现象；特别是玻璃外壳真空泡，应对其内部表面颜色和开断电流时弧光的颜色进行目测判断，当内部表面颜色变暗或开断电流时弧光的颜色为暗红色时，真空泡的真空度基本上为不合格，应及时停电更换。④检修人员进行停电检修工作时，必须进行断路器同期、弹跳、行程、超行程、回路电阻等特性测试，以确保断路器处于良好的工作状态。⑤在现场检验灭弧室是否合格的最简便的方法是对灭弧室进行42kV的工频耐压试验。

3真空断路器分闸失灵

3.1故障现象①断路器远方遥控不能分闸；②就地手动不能分闸；③外部回路或设备故障时继电保护动作，但断路器不能分闸。

3.2原因分析①分闸操作回路断线；②分闸线圈断线；③操作电源电压降低；④分闸线圈电阻增加，分闸动能降低；⑤分闸顶杆变形，分闸时存在顶杆卡涩、不灵活现象，分闸动力降低；⑥分闸顶杆变形严重，分闸时卡死；⑦分闸顶杆动作，但不能可靠地打开分闸压板。

3.3故障危害断路器分闸失灵，会导致事故越级，扩大事故范围。

3.4处理方法①检查分闸回路是否断线；②检查分闸线圈是否断线；③测量分闸线圈电阻值是否合格；④检查分闸顶杆是否变形；⑤检查操作电压是否正常；⑥改铜质分闸顶杆为钢质，以避免顶杆变形；⑦调整分闸顶杆及铁芯的长度，保证动作可靠；⑧分闸线圈固定架应保证紧固，防止铁芯动作时分闸线圈固定架也随之上下窜动。

3.5预防措施①运行人员若发现分合闸指示灯不亮。应及时检查分合闸回路是否断线；②检修人员在停电检修时，应注意测量分闸线圈的电阻，并检查分闸线圈固定架螺丝是否紧固；③检查分闸顶杆是否变形；④如果分闸顶杆的材质为铜质应更换为钢质；⑤必须进行低电压分合闸试验，以保证断路器性能可靠。

4弹簧操作机构合闸储能回路故障

4.1故障现象①合闸后无法实现分闸操作；②储能电机运转不停IE，甚至导致电机线圈过拱损坏。 4.2原因分析①行程开关安装位置偏下，致使合闸弹簧尚未储能完毕，行程开关触点已经转换完毕，切断了电机电源，弹簧所储能量不够分闸操作；②行程开关安装位置偏上，致使合闸弹簧储能完毕后，行程开关触点还没有得到及时转换，储能电机仍处于工作状态；(3)行程开关或其接点损坏，储能电机不能停止运转。

4.3故障危害在合闸储能不到位的情况下，若线路发生事故，断路器不能分闸，将会导致事故越级，扩大事故范围。

4.4处理方法①调整行程开关位置，实现电机准确断电；②检修时应注意行程开关的动作情况，如行程开关损坏，应及时更换。

4.5预防措施运行人员在倒闸操作时，应注意观察合闸储能指示灯，以判断合闸储能情况；检修人员在检修工作结束后，应就地进行几次分合闸操作试验，以确定断路器处于良好状态。

5分合闸不同期、弹跳数值大

5.1原因分析①断路器本体机械性能较差，多次操作后，由于机械原因导致不同期、弹跳数值偏大；②分体式断路器由于操作杆距离较大，分闸力传到触头时，各相之间存在偏差，导致不同期、弹跳数值偏大；③合闸冲击刚性过大，致使动触头发生轴向反弹；④动触杆导向不良，晃动过大；⑤触头平面与中心轴垂直度不好，碰合时产生横向滑动等。

5.2故障危害如果不同期或弹跳大，会严重影响真空断路器开断过电流的能力，影响断路器的寿命，严重时能引起断路器爆炸。

5.3处理方法①在保证行程、超行程的前提下，通过调整三相绝缘拉杆的长度使同期、弹跳测试数据在合格范围内；②提高配件的加工精度，使绝缘支座与轴、换向器与钢销、轴等紧密配合，减小空程间隙；③加强装配工艺质量控制，提高装配工艺质量。在真空断路器装配过程中，注意安装合理，不使真空灭弧室受到额外的力；④调整导向管的位置，使灭弧室动触头的运动轨迹通过灭弧室的轴心，真空灭弧室动触头活动自如，无任何卡涩现象；⑤适度加大触头超程弹簧预压力。

通过采取以上措施，可以有效地控制真空断路器合闸弹跳。如果通过调整无法实现，则必须更换数据不合格相的真空泡，并重新调整到数据合格。

5.4预防措施由于分体式真空断路器存在诸多故障隐患，在更换断路器时应使用一体式真空断路器；定期检修工作时必须使用特性测试仪进行有关特性测试，及时发现问题，并解决问题。

6运行维护与检修试验

加强对10kV真空断路器的维护非常必要，维护中应做好以下几个方面的工作：

6.1在检修维护试验中，要测试开关的导电回路电阻、开关的机械特性、断口间的工频耐压试验，真空度试验，试验数据要满足厂家规定。断口间的工频耐压试验、真空度检验是检验真空管是否漏气的有效方法。

6.2在保护定检时，应对断路器做跳合闸试验，以检验开关在有故障时，断路器动作是否可靠。

6.3对断路器机构、传动轴等传动部位应注入一些润滑油，对紧固件要进行紧固确认等，以确保断路器传动灵活。

6.4开展真空度的测试工作。真空灭弧室真空度的测定主要有以下几种方法：

6.4.1观察法如果真空灭弧室的外壳是玻璃的，则可根据涂在玻璃内壁表面上的钡吸气剂薄膜颜色的变化来判断真空度：真空度良好时，吸气剂薄膜呈镜面状态；真空度变差时，吸气剂薄膜呈乳白色。这种用肉眼观察真空度的方法不太准确，只能作为参考。

6.4.2工频耐压法将真空断路器置于分闸状态下，在真空灭弧室的触头间加工频电压来判定真空度。如果真空灭弧室能耐受工频电压10秒以上，可认为真空度满足要求。如果随着电压升高，电流也增大，且超过5A，则认为真空度不合格。这种方法简单易行，现场使用方便。

6.4.3磁控放电法磁控真空度测试仪通常在触头之间施加一次或数次高压脉冲，脉冲宽度为数十到上百毫秒，磁场线圈中则通以同步脉冲电流，产生与高压同步的脉冲磁场来测量真空度。

对于真空度不满足要求，已接近或低于国家标准6.6×10-2Pa时，应及时进行真空灭弧室的更换，对于真空度有较大幅度降低，但仍在合格范围内的真空断路器，应适当缩短测试周期，并结合历次测量情况进行分析，判断真空度下降的趋势，据此决定真空断路器是否继续进行。

阻容保护把电阻R与电容C串联作为保护元件并联在负载进线端构成RC过电压抑制器。电容器既可以减缓过电压的上升陡度，又可以降低负载的波阻抗，因而降低截流过电压。电阻的作用是：当发生截流时，它的存在增加了高频放电电路的衰减系数，可减少重燃次数和降低多次重燃过电压，甚至可以有效的防止其发生。用RC抑制器来保护电动机等负载，效果最好。 非线性电阻保护 ：采用普通避雷器与电容器并联，普通避雷器能限制过电压幅值，用电容器来减缓过电压上升陡度。采用金属氧化物避雷器，它采用ZnO压敏电阻，是无灭弧间隙的避雷器，具有半导体晶体管稳定的特性。在正常工作电压下阻值很大，电流很小，当电压增高至某一值后，阻值下降，呈现稳定特性。应当注意的是，采用金属氧化物避雷器作过电压保护，其型号要与系统电压相符，和电感负载或电容器组容量应匹配恰当。电感保护在真空断路器与电动机供电电缆之间串联电抗线圈(或饱和电抗器)与电阻并联组成的LR过电压抑制器，从而抑制过电压的上升陡度和峰值。