操作过电压的探讨

在电网中运行的真空断路器的操作过电压
一. 前言
真空断路器以其所具有的优越性在中压开关设备领域内独占鳌头，在国内外得到最广泛的应用和发展。由于电路中存在着电感、电容等储能器件，在开关操作瞬间放出能量在电路中就会产生电磁振荡。所以如果系统保护措施不力或者操作不当时，就可能出现截流、重燃或三相同时截流等原因引起的过电压。要解决过电压这个问题除了从断路器性能的改进方面着手解决之外，主要还是从改变真空断路器的运行条件，即在线路上采取措施，使得在操作时发生截流、重燃或三相同时截流时能将过电压限制在允许的水平。目前解决的方法通常有两种：一种是用限制过电压幅值的避雷器；另一种是用降低以至消除振荡过电压的RC装置。两者各有所长，最好是将两者并连起来使用，对过电压的抑制和保护会有更好的效果。
二.操作过电压的类型以及产生
以三相空载高压电动机为例，研究其开断时产生操作过电压的等效线路图1所示。图中，uA、uB、uC分别为三相电源的电压；iA、iB、iC分别为流过三相电动机每相的空载电流；DL为真空断路器；C0和C’0等效电容：L0为真空断路器电源侧线路的等效电感；CD和C’D分别为真空断路器电动机侧导体的对地和相间等效电容；LD为电动机的等效电感；A、B、C和A’、B’、C’分别为真空断路器各相端子的标号。

图1 研究产生操作过电压的等效电路图
对于如图1所示的等效电路，当断路器DL开断时，由于三相电流iA、iB、iC的相位不同，通常总是有一相先开断。设A相为首先开断相，因为B相和C相弧隙中电弧仍在燃烧，图1可以简化成等效电路图2,图中UΦ为电源的相电压。

图2 简化的等效电路图
关于真空断路器在操作时产生的过电压类型，经试验和统计共有三种，即1. 截流过电压；2. 多次重燃过电压；3. 三相同时截流过电压。下面，我们来探讨这些过电压的产生及特点。
1. 截流过电压
真空断路器极好的熄弧性能，在开断时可以使小电流真空电弧在过零前就会熄灭。正是由于电流的突然过零，而产生了截流过电压。
图3为常见的电流过零前波形，图中Ic为截流值。由于电流被突然中断，截流电流滞留在高压线路电感绕组LD中，此残余电磁能量 ，必然向电容 D充电，转变为电场能量 ,因能量转换产生的电压近似为：

式中U为截流过电压，由于CD值很小（一台5000kVA空载变压器，约为1500～2000pF），因而过电压可以达到较高的数值，一般是最高电压的2倍左右。

图3 真空电弧的截流现象
截流过电压有以下特点：
(1). 截流过电压的高低与真空断路器的截流值Ic的大小有关，Ic愈大，过电压值愈高。CuCr触头的使用大大减小了截流值Ic，通常只有3A,保证不超过5A；
(2). 试验和统计证明，当开断电流超过一定值（六百安），截流值Ic就变得非常低。而开断电流越小时，Ic值有可能很大，因此在开断电流小的场合尤其要注意过电压的保护；
(3). 电动机和变压器容量越小，过电压越高。这一方面是因为开断电流较小，另一方面时因为回路中的电容较小、电感较大所致。尤其是开断空载变压器是非常危险的，因为当变压器带有负载时，回路的波阻抗很小；
(4). 实测和统计证明，回路电缆长度在50～200米范围内过电压最高，而大多数情况下从开关柜电动机的电缆长度正好在这之间，要做好防备工作；
(5). 截流过电压的高低具有随机性，对于低截流水平的断路器，不能排除出现高过电压倍数的可能性。特别使频繁地操作感性负载，一定要注意过电压保护措施。
2. 多次重燃过电压
多次重燃过电压是典型的谐振过电压，是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向回路中电容进行充电而产生的。在开断过程中，由于相位差的原因，其中一相必然在过零前先开断。此时，触头一侧为工频电源，另一侧则为高频振荡，触头电压为两者之和。触头开距小，触头间耐压不充分而将发生第一次重燃，电源向回路电容充电。回路参数决定了重燃时流过的高频电流的频率高达105~106HZ，充放电振荡过程决定了重燃过电压高于截流过电压。发生了第一次重燃又熄弧后，断路器的恢复电压上升更高，在极短的时间内触头开局尚不够大，很可能会发生第二次重燃。再熄弧，以致发生多次重燃现象。每一次重燃都是在前一次的基础上发生的，导致恢复电压在极短的时间内上升到非常高。
3. 三相同时截流过电压
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，流过该弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的高频电流迅速过零而产生的。以图4为例，如果首开相A在其开断时发生重燃，则在电源通过弧隙A向CD和CD’充电时，流过弧隙A的高频振荡电流ig将通过CD和CD’同时流过弧隙B和C。随着弧隙A电弧电压增高，ig的幅值也增大，使得弧隙B和C中的电流强制过零而熄弧。电路的三相发生等效截流，并过渡为多次重燃过程，出现很高的过电压，这就是三相同时截流过电压。

图4说明产生三相同时截流过电压的等效电路图
三.常见过电压及其近似波形图
1. 单相电感性负荷回路操作过电压

图5所示单相电感性负荷电路
真空断路器ZK分闸操作过程中负荷侧的电压波形如图6所示。
图6单相电感性负荷过电压波形
2. 三相变压器电路操作过电压
真空断路器在实际运行中，多数情况用于变压器电路投切操作，其原理图如图8，过电压波形图如9图。

图8 变压器电路原理

图9 变压器电路分闸过电压波形
3. 切三相电容器组的操作过电压
电容器组的电路原理图见图10，电容器组电路分闸过电压波形如图11所示。
图10电容器组电路原理图

图11电容器组电路分闸过电压波形
4. 电感电容串联电路操作过电压
谐波吸收装置、调波装置及静补装置等一些电路中常用电感电容串联电路。电感电容串联电路分闸时，可能出现较高的过电压，这种电路的操作过电压波形如图12所示。

图12 电感电容串联操作过电压
5. 电感电容并联操作过电压
在真空断路器负荷侧有时会出现变压器与电容组并联的情况。这种情况的操作过电压波形如图10所示。图10（a）为变压器带有的负载的情况，图10（b）表示变压器空载的情况。

图13 电感电容并联操作过电压波形
a）有负载操作电压波形；b）空载操作电压波形
6. 复合电路操作过电压
在实际运行电路中，有时会碰到不同形式的LC复合电路，这些电路中的变压器、电抗器、电容器以不同的方式进行组合，其操作过电压波形也是不同的。图14表示了一种复合电路，图15是它的过电压波形。

图14 复合电路
T—变压器；C—电容器；LH—电抗器

图15复合电路操作过电压波形
a）变压器有载；b）变压器空载
7. 合闸操作过电压
线路合闸时，在电容器和大容量变压器电路合闸过程中都会发生振荡，其电压幅值均小于电源电压峰值电压的1.4倍。
(解决方案待续,希望大家说说们的看法,非常感谢)