張風(fēng)軍 付茂林

【摘要】為了減少真空開關(guān)操作過電壓對(duì)高壓電機(jī)的損害，有必要弄清真空開關(guān)的工作原理，識(shí)別產(chǎn)生過電壓的原因。真空斷開關(guān)在開斷電機(jī)等感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的波陡度很大，幅值很高，直接威脅感性負(fù)載的匝間絕緣，是造成電機(jī)設(shè)備損壞的重要原因之一。目前抑制過電壓的措施有兩種，一種是限制過電壓幅值的避雷器，另一種是降低過電壓振蕩頻率的阻容（R—C）過電壓吸收器。故對(duì)真空斷路器操作過電壓抑制措施進(jìn)行研究是必要的，只有采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，從降低過電壓幅值和波陡度這兩方面考慮，就能有效抑制或減輕其危害，這對(duì)廣泛推廣真空斷路器的應(yīng)用將起到積極的推動(dòng)作用?！娟P(guān)鍵詞】真空開關(guān) 過電壓 防范

1 概述

真空開關(guān)因其開斷容量大、開斷能力強(qiáng)、開斷電弧小等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛使用于配電斷路器，大負(fù)荷起動(dòng)開關(guān)，尤其是在油田大功率（1500KW左右）注水電機(jī)起動(dòng)中應(yīng)用更為普遍。由于真空開關(guān)斷電能力極強(qiáng)而容易產(chǎn)生操作過電壓，注水電機(jī)屬感性負(fù)載，在感性負(fù)載中，這種過電壓幅值高，能達(dá)到電源電壓的幾倍，甚至幾十倍，上升陡度快，頻率也高，對(duì)電網(wǎng)中的負(fù)載及其本身負(fù)載的絕緣造成一定的影響，甚至?xí)舸╇娎|、電機(jī)的絕緣層，引起電氣事故。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)對(duì)真空開關(guān)的操作過電壓采取必要的防范措施。

2 真空開關(guān)開斷原理

真空滅弧室：

真空滅弧室是真空開關(guān)中最重要的部件，如圖1。真空滅弧室的外殼是由絕緣筒、兩端的金屬蓋板和波紋管所組成的密封容器。滅弧室內(nèi)有一對(duì)觸頭，靜觸頭焊接在靜導(dǎo)電桿上，動(dòng)觸頭焊接在動(dòng)導(dǎo)電桿上，動(dòng)導(dǎo)電桿在中部與波紋管的一個(gè)斷口焊在一起，波紋管的另一端口與動(dòng)端蓋的中孔焊接，動(dòng)導(dǎo)電桿從中孔穿出外殼。由于波紋管可以在軸向上自由伸縮，故這種結(jié)構(gòu)即能實(shí)現(xiàn)在滅弧室外帶動(dòng)動(dòng)觸頭作分合運(yùn)動(dòng)，又能保證真空外殼的密封性。

（1）動(dòng)觸桿：動(dòng)觸桿與絕緣桿連接，實(shí)現(xiàn)操作動(dòng)力的轉(zhuǎn)動(dòng)。

（2）波紋管： 波紋管既要保證滅弧室完全密封，又要在滅弧室外部操動(dòng)時(shí)使觸頭作分合運(yùn)動(dòng)，允許伸縮量決定了滅弧室所能獲得的觸頭最大開距

（3）外殼： 整個(gè)外殼通常由絕緣材料和金屬組成。對(duì)外殼的要求首先是氣密封要好；其次是要有一定的機(jī)械強(qiáng)度；再是有良好的絕緣性能。

（4）導(dǎo)電系統(tǒng)： 定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭、動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿構(gòu)成了滅弧室的導(dǎo)電系統(tǒng)。其中定導(dǎo)電桿、定跑弧面、定觸頭合稱定電極，動(dòng)觸頭、動(dòng)跑弧面、動(dòng)導(dǎo)電桿合稱動(dòng)電極，由真空滅弧室組裝成的真空斷路器合閘時(shí)，操動(dòng)機(jī)構(gòu)通過動(dòng)導(dǎo)電桿的運(yùn)動(dòng)，使兩觸頭閉合，完成了電路的接通。

（5）屏蔽罩： 觸頭周圍的屏蔽罩主要是用來吸附燃弧時(shí)觸頭上蒸發(fā)的金屬蒸氣，防止絕緣外殼因金屬蒸氣的污染而引起絕緣強(qiáng)度降低和絕緣破壞，同時(shí)，也有利于熄弧后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度的迅速恢復(fù)。在波紋管外面用屏蔽罩，可使波紋管免遭金屬蒸氣的燒損。

（6）觸頭：觸頭結(jié)構(gòu)對(duì)滅孤室的開斷能力有很大影響。采用不同結(jié)構(gòu)觸頭產(chǎn)生的滅弧效果有所不同的，早期采用簡(jiǎn)單的圓柱形觸頭，結(jié)構(gòu)雖簡(jiǎn)單，但開斷能力不能滿足斷路器的要求，僅能開斷10kA以下電流。目前，常采用的有螺旋糟型結(jié)構(gòu)觸頭、帶斜槽杯狀結(jié)構(gòu)觸頭和縱磁場(chǎng)杯狀結(jié)構(gòu)觸頭三種，其中以采用縱磁場(chǎng)杯狀結(jié)構(gòu)觸頭為主。

真空開關(guān)開斷原理：

真空滅弧室是用密封在真空中的一對(duì)觸頭來實(shí)現(xiàn)電力電路的接通與分?jǐn)喙δ艿囊环N電真空器件，是利用高真空作絕緣介質(zhì)。當(dāng)其斷開一定數(shù)值的電流時(shí)，動(dòng)、定觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的某一點(diǎn)或某幾點(diǎn)上，表現(xiàn)電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發(fā)生電極金屬的蒸發(fā)，同時(shí)形成極高的電場(chǎng)強(qiáng)度，導(dǎo)致間隙擊穿，產(chǎn)生了真空電弧，當(dāng)工作電流接近零時(shí)，同時(shí)觸頭間距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴(kuò)散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質(zhì)迅速由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流被分?jǐn)?，開斷結(jié)束。

3 真空開關(guān)操作過電壓的產(chǎn)生

（1）載流過電壓。由于真空開關(guān)真空度相當(dāng)高，出廠時(shí)在1.333×10-4Pa以上，運(yùn)行中也在1.333×10-2Pa以上，所以具有良好的滅弧性，在切斷小電流時(shí)，電弧在過零前就會(huì)熄滅，由于電流被突然切斷，滯留在電機(jī)電感繞組中的能量會(huì)向繞組中的雜散電容充電，轉(zhuǎn)變?yōu)殡妶?chǎng)能量，對(duì)電機(jī)，特別是負(fù)荷較小時(shí)，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)生很高的過電壓，雖然回路有一定的電阻或觸頭被擊穿，對(duì)過電壓有一定的抑制作用，但這種抑制作用有限，不能消除在切斷小電流時(shí)產(chǎn)生的過電壓。

（2）多次重燃過電壓。多次重燃過電壓是由于弧隙發(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。在真空開關(guān)切斷電流的過程中，觸頭的一側(cè)為工頻電源，另一側(cè)為L(zhǎng)C回路充放電振蕩電源，如果觸頭開距不夠大，兩個(gè)電壓疊加就會(huì)使弧隙之間擊穿，發(fā)生重燃，然后再滅弧、再重燃，形成多次充放電振蕩，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，產(chǎn)生多次重燃過電壓。

（3）開斷過電壓。在動(dòng)靜觸頭剛分離時(shí)，由觸頭材料本身產(chǎn)生的金屬蒸氣電離后，使觸頭間隙擊穿，形成真空電弧，這種真空電弧電流相當(dāng)小，當(dāng)它被突然切斷時(shí)，

因所帶電機(jī)為感性負(fù)荷，容量又比較大，電機(jī)上的剩余電磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生反向過電壓（也稱載流壓），這種過電壓可達(dá)到額定供電電壓的十倍左右。

4 操作過電壓的防范

防范操作過電壓主要采用限制過電壓幅值的氧化鋅避雷器（MOA）和降低過電壓振蕩頻率的阻容（R—C）過電壓吸收器。

4.1 帶并聯(lián)間隙的氧化鋅避雷器（MOA）

負(fù)載為電機(jī)的操作過電壓保護(hù)中，一般采用帶并聯(lián)間隙的MOA，帶并聯(lián)間隙的結(jié)構(gòu)是將閥片分為主閥片RI和并聯(lián)閥片R2，R1和R2串聯(lián)，在R2上有并聯(lián)間隙G。在正常電壓下，G不放電，電壓加在R1和R2上，運(yùn)行安全可靠，過電壓作用時(shí)，避雷器上的殘壓還未達(dá)到技術(shù)條件規(guī)定值之前，G放電，R2被短路，避雷器的殘壓完全由R1上的殘壓所決定，所以殘壓比較低，保護(hù)性能也比較好。氧化鋅避雷器應(yīng)盡量靠近電機(jī)側(cè)安裝。

4.2 阻容保護(hù)器

阻容保護(hù)器是一種保護(hù)效果較好的措施，只要阻容參數(shù)選擇恰當(dāng)，就可降低恢復(fù)電壓上升陡度，降低振蕩頻率，減少負(fù)載波阻抗，就能有效降低過電壓幅值。電容C的作用，除可降低過電壓幅值外，主要用以減緩過電壓上升陡度，電阻R則起消耗高頻振蕩電能，抑制截流過電壓幅值的作用。采用雙回路阻容保護(hù)器效果最隹，它即能解決對(duì)地電路中的高頻振蕩，又可解決對(duì)地電流過大和阻容保護(hù)裝置電阻燒損問題。由于負(fù)載等效電感和開關(guān)的截流值等參數(shù)難以查找和實(shí)測(cè)，難以準(zhǔn)確選擇阻容參數(shù)。如果R、C阻容參數(shù)選擇不當(dāng)，不但起不到保護(hù)作用，反而會(huì)起消極作用，甚至?xí)?dǎo)致過電壓幅值倍增，因此在選R—C阻容吸收器時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎小心。

5 結(jié)語(yǔ)

由于油田高壓注水電機(jī)功率大、造價(jià)高，分析操作過電壓產(chǎn)生的原因，認(rèn)清其危害，采取有效的防范措施，對(duì)高壓注水電機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭發(fā)榮.真空開關(guān)操作過電壓對(duì)高壓電機(jī)絕緣的危害[EB/OL]

作者簡(jiǎn)介

張風(fēng)軍：工程師，?？?，主要從事石油化工電氣安裝質(zhì)量管理工作。