真空断路器操作过电压对电机的危害及措施

通过对真空断路器操作过电压的机理和目前国内生产的保护设备的技术参数的分析计算，真空断路器的斩波过电压对电机的危害和采取的措施，以及安装过电压保护器后对电机的影响，特别是在电机回路中应用真空断路器时，除了完善的保护措施外，还应注意其他一些问题，以充分发挥真空断路器的优良性能。

[关键词]真空断路器操作过电压电机回路危害对策

近年来，真空断路器在电力系统中的应用越来越广泛，由此产生的一些问题也引起了人们的关注。由于真空断路器在开断、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使电机等设备绝缘击穿，相间导体闪络，使事故扩大，造成不应有的损失。人们逐渐认识到这种危害的严重性，于是开发了各种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。但由于被保护设备的技术性能选择不当或不适用或未考虑被保护设备。

1，真空断路器操作过电压对电动机的危害。

真空断路器的前后两侧都有电感和电容，电感是电机和导体、变压器的等效电感。电容是导体对地、对相的等效电容，电机的等效电容等。真空断路器在开断电机回路时，存在开断过电压、多次重燃过电压和三相同时开断过电压三种危害。

1和1的拦截过电压

由于真空断路器具有良好的灭弧性能，当开断小电流时，真空电弧会在过零点之前熄灭。因为电流突然被切断，电机电感绕组中截留的能量必然会对绕组的杂散电容充电，转化为电场能量。对于电机和变压器，特别是空载或者容量很小时，相当于一个很大的电感，回路电容很小，所以会产生很大的过电压，尤其是空载变压器关断时。理论上可以产生很高的过电压，但由于触点和电路中有一定的电阻造成损耗和击穿，对过电压有相当大的抑制作用，但这种抑制作用是有限的，不能在切断小电流时消除过电压。因此，特别是对于感性负载，当真空断路器作为操作元件时，应装设过电压保护装置。

1，2多重重燃过电压

反复再燃过电压是由于电弧间隙的反复再燃和电源对电机电容的多次充电造成的。真空断路器在切断电流的过程中，触头的一侧是工频电源，另一侧是振荡电源，用于LC电路的充放电。如果触头之间的开距不够大，这两个电压就会叠加造成弧隙之间的击穿，断路器的恢复电压就会升高。如果触头之间的距离不够大，就会发生二次重燃、灭弧、重燃，产生多次重燃现象，多次充放电振荡，触头之间的恢复电压会逐级上升，负载端的电压也会不断上升，产生多次重燃过电压，损坏电气设备。实验表明，电动机匝间绝缘的损坏主要是由于真空断路器的反复再烧引起的电压逐步升高造成的，特别是当电动机的起动电流被切断时，容易发生过电压。

1，3三相同时操作过电压

三相同时分断过电压是由于断路器首先分断相弧间隙产生重燃时，流过相弧间隙的高频电流使其他两相弧间隙中的工频电流迅速过零，使未分断的相被切断，导致其他两相弧间隙中电流闭合程度相近，从而产生较高的操作过电压，加在相间绝缘上。在关断中小容量电机或轻负载的情况下，容易出现三相同时关断电压。

2、真空断路器在电机回路中的应用应采取措施。

因为电机绕组中有较大的电感，绕组中有匝间电容、接地电容和杂散电容，相当于一个LC振荡回路。根据真空断路器操作过电压的机理，开断小电流时容易产生过电压，必须采取措施限制操作过电压，以保护电气设备的安全可靠运行，扩大真空断路器的应用范围。目前国内采取的措施有安装金属氧化物避雷器(MOA)、三叉戟过电压保护器(TBP)、组合式过电压保护器(JPB)等。以上三种装置均采用氧化锌阀片作为主要部件，各保护装置的主要技术参数见表1。

其中K为冲击系数，K=1.15。

对于6kV电动机和6.3kV发电机，Us=15.9~16.6(kV)。

对于10kV电动机和10.5kV发电机，Us=25.6~26.8(kV)。

电机运行时的测试电压:us′= 1.5 UE。

对于6kV电机，US′= 9kV(有效值)，冲击值US ″ = 12.7kV。

对于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，最低耐压水平应超过15%的防护水平。同时，避雷器在10kV及以下系统中不接地或不经消弧线圈接地会严重过热损坏，且发生单相接地时，声相电压上升到线电压，允许运行2小时。从电机的计算试验电压和表中所列的防护等级来看，MOA避雷器对电机的防护等级最差。虽然TBP和JPB比MOA好，但差距太小，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，已有厂家开发生产出新产品RC阻容吸收器，以限制真空断路器的操作过电压危及电机绝缘，可将大部分电路的操作过电压降低到电源峰值电压的2~2.5倍以下。目前，RC保护器有三种形式，即中性点直接接地的普通RC保护器；中性点不接地RC保护器；双向RC过压保护。常见的RC保护器存在的问题是，单相短路时，电容电流过大，导致所有馈电回路跳闸，特别是有高频分量的地方，使得RC保护器的电阻烧毁；不接地RC保护器虽然解决了因电容电流过大而跳闸、烧电阻的问题，但没有消除相对地之间的高频振荡，使得事故率略高；双向RC过电压保护器不仅解决了接地回路中的高频振荡，还解决了R-C器件的接地电流过大和烧阻问题。

但不接地系统中无论使用哪种RC保护器，按规定在电容电流不大于3~4A时，都可以带负荷运行2小时。RC电路中的电容无疑会增加电路的电容电流。如果超过或接近规程中的规定值，可能需要安装消弧线圈或接地电阻，增加了设备和投资，应正确分析选择。

根据各厂家数据，RC器件电容为0.1μF，电阻为100ω，其容抗为XC = 1/ωc，ω= 2πfn。它在10kV电路中的电容电流为:

Ic=Ue/Xc=Ue2πfnC

=10×2×3.14×50×0.1

=0.32(A)

在6kV电路中，电容电流为:

IC = 6×2×3.14×50×0.1 = 0.2(A)

根据以上计算，每台RC设备的电容电流将达到0.2~0.32A，如果在一条母线上连接5~10台RC设备，电动机回路的电容电流可能超过规程规定的允许值，则必须在电动机的中性点安装消弧线圈或电阻，以保护设备的安全运行。因此，在电动机回路中，特别是在发电机回路中选择设备时，不仅要考虑电动机回路的电容电流，还要考虑支路的接地电容和用于保护真空断路器的RC装置的电容电流，而这些往往被设计者、制造者和运行管理者所忽视。

3.真空断路器在发电机回路应用中应注意的几个问题？

目前生产的真空断路器多为普通配电真空断路器，已广泛应用于一些中小型水电机组、电机回路和企业中的小型机组。用户也觉得比少用油断路器更简单方便，维护工作量少，体积更小，安装更换更快，也考虑安装过压保护装置。即便如此，在发电机回路中安装普通配电真空断路器仍存在一些缺点和不足。①随着运行时间的延长，发电机的绝缘水平逐渐降低，真空断路器的操作过电压与电动机的绝缘水平相差不大。(2)发电机断路器的技术性能要求严格，使用条件苛刻。例如，切断DC分流的标准要求发电机断路器切断DC分量值大于60%或80%的额定开断电流，这是普通配电真空断路器难以达到的；(3)由于发电机本身的电容(水轮发电机比汽轮发电机大)，以及较长的出线和支线产生的电容，如果采用RC过电压保护器，还应增加保护器的电容，这样在发生单相接地时，电容电流大，会造成不必要的跳闸或增加中性点设备(如消弧线圈和接地电阻)，使断电保护复杂化。

在项目的初步设计阶段，一项重要的工作就是设备的选型。为了选择合适的设备，有必要对发电机的电容电流进行初步估算。发电机电容的计算公式有很多种，有些需要应用电磁计算的相关参数，在初步设计中受到限制，可以采用美国GE公司相对简单的计算公式:

Cf=3KdSn/ √Un(1+0.08Un)

其中:阻尼凸极电机Kd为0.0317；Sn是发电机容量；Un是发电机的额定电压。

得到发电机电容后，根据发电机额定相电压Ux即可得到电动机的电容电流:Icr=ωCfUx×10-6。

其中:Ux是发电机的额定相电压(V)。

通过对发电机回路电容电流等条件的计算，可以确定发电机回路是否采用真空断路器，如果采用，采取什么措施限制操作过电压，确定发电机中性点接地方式。

4.结论

通过对真空断路器操作过电压机理和目前国内生产的保护设备技术参数的分析计算，指出在电动机回路中安装真空断路器时，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，以不断扩大真空断路器的应用范围，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，更要谨慎，不能盲目使用。除完善的保护措施外，还应考虑其绝缘水平配合、发电机回路的电容电流和切除DC分量的要求等因素，以充分发挥真空断路器的优良性能。

参加考试，贡献力量

1.王秀梅等人的真空断路器。北京:机械工业出版社. 1983。

2.电气工程手册。北京:机械工业出版社。1997.

3.张文远。真空断路器合闸弹跳的危害及对策。电气时代。2001(11)

4.谢淑勇。真空断路器在电网中运行的操作过电压。高压设备。1997(3)

5.穆建新。真空断路器在电机电路中的应用。中国农村水利水电. 2005438+0 (6)

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