真空斷路器（真空度測(cè)試儀021-56479692）操作過(guò)電壓對(duì)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(lái)，真空斷路器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，由此而產(chǎn)生的一些問(wèn)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(kāi)時(shí)會(huì)產(chǎn)生操作過(guò)電壓，其操作過(guò)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(kāi)發(fā)出了多種用于限制真空斷路器操作過(guò)電壓的設(shè)備，如金屬氧化物避雷器、阻容吸收器、組合式過(guò)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(guò)電壓對(duì)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(duì)地及相間的等效電容、電機(jī)的等效電容等。真空斷路器開(kāi)斷電機(jī)回路時(shí)產(chǎn)生截流過(guò)電壓、多次重燃過(guò)電壓及三相同時(shí)截流過(guò)電壓等三種危害。
1、1截流過(guò)電壓
由于真空斷路器有良好的滅弧性能，當(dāng)開(kāi)斷小電流時(shí)，真空電弧在過(guò)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?chǎng)能量。對(duì)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(guò)電壓，特別是開(kāi)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(guò)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(duì)過(guò)電壓值有相當(dāng)?shù)囊种谱饔茫@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(guò)電壓。因此特別對(duì)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(guò)電壓保護(hù)設(shè)備。
1、2多次重燃過(guò)電壓
多次重燃過(guò)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(guò)程中，觸頭的一側(cè)為工頻電源，另一側(cè)為L(zhǎng)C回路充放電的振蕩電源，如果觸頭間的開(kāi)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(kāi)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(jí)升高，負(fù)載端的電壓也不斷升高，致使產(chǎn)生多次重燃過(guò)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(jí)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(guò)電壓。
1、3三相同時(shí)開(kāi)斷過(guò)電壓
三相同時(shí)開(kāi)斷過(guò)電壓是由于斷路器首先開(kāi)斷相弧隙產(chǎn)生重燃時(shí)，流過(guò)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(guò)零，致使未開(kāi)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(guò)電壓，所產(chǎn)生的過(guò)電壓是加在相與相之間的絕緣上。在開(kāi)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(kāi)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(duì)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(guò)電壓產(chǎn)生的機(jī)理，當(dāng)切斷小電流時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)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(guò)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(guó)內(nèi)采取的措施有裝設(shè)金屬氧化物避雷器（MOA）、三叉戟過(guò)電壓保護(hù)器（TBP）、組合式過(guò)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(duì)6kV電動(dòng)機(jī)和6.3kV發(fā)電機(jī)，Us=15.9~16.6（kV）
對(duì)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(duì)6kV電機(jī)，Us′=9kV（有效值），沖擊值Us″=12.7kV
對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)大導(dǎo)致饋電回路全部跳閘，特別對(duì)于有高頻分量的場(chǎng)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(guò)大而跳閘以及燒電阻的問(wèn)題，但對(duì)于相對(duì)地之間的高頻振蕩沒(méi)有消除，使得事故發(fā)生率略高；雙路RC過(guò)電壓保護(hù)器既解決了對(duì)地電路中的高頻振蕩，又解決了對(duì)地電流過(guò)大和R-C裝置電阻燒損問(wèn)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(wú)疑增大了回路的電容電流，如果超過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)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(wèn)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(wèn)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(jiǎn)單、方便、無(wú)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(guò)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(zhǎng)，其絕緣水平逐漸下降，真空斷路器的操作過(guò)電壓與電機(jī)的絕緣水平配合幾乎沒(méi)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(kāi)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(zhǎng)的引出線及分支線產(chǎn)生的電容量，如果使用RC過(guò)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(duì)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(jiǎn)單的美國(guó)GE公司的計(jì)算公式:
Cf=3KdSn/ √Un（1+0.08Un）
式中: Kd為對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)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(yǔ)
通過(guò)對(duì)真空斷路器操作過(guò)電壓的產(chǎn)生機(jī)理以及我國(guó)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(lái)限制真空斷路器的操作過(guò)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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