真空断路器操作过电压原因及其防护

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真空断路器操作过电压原因及其防护

爱之箭

[摘要]主本文对真空断路器操作过电压的类型及其原因进行了分析，讨论了实际运行时的一些问题，提出了真空断路器操作过电压的防护措施。
: F  Z2 `" \5 f. n0 [, Y0 n关键词 截流过电压  重燃  重击穿  运行老练
9 h  t5 \/ q: \) k( J    真空断路器具有维护工作量小、断流容量大、适宜频繁操作等许多优点，在电力系统中逐渐取代了其它类型开关，得到了广泛的应用。但是，真空断路器在运行中发生的操作过电压问题亦引起了人们的高度关注。对真空断路器操作过电压原因和防护措施的探讨，成为推广使用真空断路器迫切需要解决的问题。
2 H0 o) A& q0 Y6 T4 L+ R& I2 w5 U1 Wl操作过电压的类型及其分析
    真空断路器在接通和分断电路时，都可能发生操作过电压。真空断路器的触头合闸时一般存在不同程度的弹跳现象，因而发生过电压。但接通电路时，触头间距随时间增长很快消失，触头间出现的过渡电压呈下降趋势，因此，过电压的峰值一般较低，对设备没有多大威胁。
' f1 j+ \  G& ^: ~5 ~1．1影响设备安全运行的主要是断开电路时产生的过电压
. ]5 A2 ~! T* T    当真空断路器断开小电感电流时，由于开关本身的原因，往往出现负荷电流在未达到零点前被强行开断的现象，电感负载上剩余的电磁能基因此产生过电压，这种由截流现象产生的过电压你为截流过电压。截流过电压的大小与截流值及负载的电感成正比。
  g6 K  w6 j1 H    真空管产生截流的原因主要是由于电弧电流较小时，电极斑点提供的金属蒸汽不够充分稳定引起的。这也就是为什么当真空断路器开断大的电感电流时，反而不会产生截流过电压的原因。因为随着电流的增大，金属蒸汽充分蒸发，电弧稳定得多。实验证明，当开断电流达到几百至几千安时，一般就不发生截流现象。
5 o0 M  p6 I3 a" R    当真空断路器断开容性电流或大的电感电流时，重燃或重击穿过电压是问题的主要方面。重燃过电压一般指的是电弧熄灭后，在工频电压相位角  为0～90”范围内电弧复燃；重击穿是指  为90～180”范围内电弧复燃。
, _% }. k* v1 a( H为什么电弧复燃会产生过电压呢？我们用下面图1的电容开断电路图来进行分析。
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. }. f9 Z" S/ b( f! a1 ^    如果在t=t。时断路器断开，产生电弧，因为电弧电压很低，可近似uf≈0(为 uf。 0（uff为电弧电压），所以电源电压u与电容电压uc基本相等，即u≈uc。在t≈t1时，电流过零，电弧熄灭，这时电源电压将继续按正弦规律变化而逐渐变小，但电容电压因电路开断不再变化，保持长：李爱芝uc=-um，断路器触头间的电压uhf=u－uc=-Um_-(--Um)=2um，触头间的介质强度不够，发生了击穿，电路会发生高频振荡（振荡频率f0=  ），触头间出现高频电流。这时，电容器上的电压为触头间的电压减去电容上残留的电压，即 uc=2Um－UO=  2Um－（－Um）=3 Um（U。为电容上的残压）。电容上就出现了3倍过电压。以此类推，这种情况继续下去，触头间反复击穿，电容上就会出现5倍、7倍…．的过电压。虽然多次击穿从理论上讲是成立的，但实际上却很少发生。因为触头间距在开断过程中是不断增加的,介质强度也将不断提高。当介质恢复强度超过电压过渡增长速度时，重击穿现象就会停下来。所以，重击穿所产生的过电压有一定的限制，并不会太高。以开断电容电路为例，实际中所测量触头间的电压都在3Um以下。
  c3 m1 E3 }4 q1．2导致重击穿的原因分析
+ `7 ~$ {. w7 q真空断路器发生重击穿过电压现象，可能会造成负荷的损坏。那么，重击穿过电压跟哪些因素有关呢？   
首先，击穿时刻与过电压的大小有关。前面我们的分析是以触头间的击穿发生在电流过零后  为180°，即恢复电压达最大值时的情况，在此情况下，过电压最大。实际上在电流过零后  角为0～180°范围内时，任何时刻均有击穿可能。随着击穿时刻不同，产生的过电压大小也不同。当触头间的击穿发生在电流过零后  =0～90°，这时电源电压u在一Um和0之间变化，若发生击穿时电容上的残压为－Um，当u=－Um时，uc=uhf－uo=－2Um－（－Um）=－Um；而当u=0时，uc=uhf－uo=0－（－Um）=Um可见，电容 上的电压始终在－Um和Um之间，亦就是说负荷上没有过电压，当触头间的击穿发生电流过零后  =90°～180°时，这时电源电压在0和Um之间变化。当u=0时，uc=uhf－uo=0－（－Um）=Um；当u=Um时，uc=uhf－uo=2Um－（－Um）=3Um。在  =90°～180°这段时时刻，随着  角的增大，电容器上的过电压值亦增大，可能对负荷造成危害。
其次，分闸时的电流相位角与操作过电压的大小有关。断路器在开断电路时，电流的个位角  是随机分布的，但电弧在电流过零时才熄灭。因此，燃弧时间和电流过零时触头分开距离均与分闸时电流的相位角有关，相位角  越小，断路器开断时燃弧时间越长。在电流过零时电弧熄灭后，触头分开距离相对就大，介质强度就高，因此就不易发生重击穿了；反之，则相反。
& D1 }# a( Z% L另外，断路器的分断速度亦和操作过电压有关，很明显，当断路器的分断速度增大后，电流过零时触头的分开距离增大，介质强度亦因此增大，当然不易发生重击穿现象。
2过电压的防护措施
    真空管是造成截流过电压的主要原因。所以采用导热系数低，饱和蒸汽压高、低截流水平的触头材料，应用纵向磁场的熄弧原理，把截流过电压控制在一个较低的水平，是真空管生产厂家常采用的一个有效方法。
    为了防止重燃或重击穿产生的过电压危害，制造厂亦常采用“运行老练”的方法来提高触头间的耐压强度。所谓“运行老练”，就是在真空管电极间加上一定的电压，让电极间隙发生火花击穿放电，并控制放电电流的大小；经过若干次的这种火花放电，存在于电极表面许多肉眼看不到的“毛刺”将被清除掉，击穿电压因此而得到提高。
    选择合适的分闸速度，有利于操作过电压的减小。比如，在分断小电感电流时，操作机构的分闸速度适当地慢一些，可以减少截流值；而分断电容电路时，分闸速度可以快一些，以增加触头断开距离，提高触头间的介质强度，减小重击穿发生。对于真空断路器使用单位来说，还可以采取以下一些过电压保护措施。
2.1在感性负载上并联电容器