真空开关过电压

真空开关过电压
真空开关过电压
真空断路器操作过电压
原因分析及防范措施
真空断路器操作过电压
原因分析及防范措施
[摘要]本文介绍了百丈漈电厂采用真空断路器替换少油断路器的情况，针对真空断路
器的操作过电压现象，分析了真空断路器产生操作过电压的原理，通过对真空断路器操作
过电压的原因分析提出了防范建议，并结合现场实际情况做了技术改进和防范措施。

[关键词]真空断路器操作过电压分析及防范
温州百丈漈水力电厂系梯级发电企业，成立于上世纪60年代初期，有百一电、百二
电两级电站，总装机44.6MW。

现另管辖三个110kV变电所和三个多经电站（装机29 MW），共有各电压等级真空断路器74台。

从1995年开始断路器无油化改造以来，对其下属单位
共18台少油断路器进行了技改，全部采用了真空断路器，对95年后施工的电压等级为
35kV、10kV、6kV断路器设备亦进行了真空断路器的选型。

真空断路器是利用真空的绝缘和灭弧性能构成的开关设备。

它的触头是在密封的真空
腔内分、合电路的，触头切断电流时，仅有金属蒸汽离子形成的电弧，而无气体的碰撞
游离，因金属蒸汽离子的扩散及再复合过程非常迅速，从而能快速灭弧和恢复原来的真空度，可经受多次分、合闸而不降低开断能力。

因此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，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。

现笔者就关于在选用真空断路器过程中，为避免选用真空断路器所带来的操作过电压
问题做一些探讨。

一、操作过电压的分析
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。

所以，影响设备安全运行的主要是断开电路时产生的过电压，即截流过压和电
弧重燃过电压、重击穿过电压。

1、截流过电压。

真空断路器开断小电感电流时的截流现象，主要是由于电弧电流较小时，阴极斑点提
供的金属蒸气不够充分和稳定引起的。

真空电弧由电极在分断瞬间受热引起金属蒸发而形成，电弧使电极表面出现一些斑点，这些斑点上的金属会不断熔化和蒸发来维持真空电弧。

开断大电流时，金属蒸气充分蒸发，电弧比较稳定，在工频电流自然过零时熄弧。

试验证明，开断几百至几千安的交流电流时，一般不会发生截流现象。

开断小电感电流时，如空
载变压器激磁电流(一般只有额定电流的0.6％~2％)，由于弧柱扩散速度太快，阴极斑点
附近的金属蒸气压力和温度剧降，使金属质点的蒸发不能维持弧柱的扩散，造成电流到达
零点之前的某一瞬时值时发生强制熄弧而形成截流。

因此由于真空断路器良好的灭弧性能，当开断小电流时，电弧在过零前就会熄灭，由
于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中
的能量必然向绕组的杂散电容充电，转变为电场能量。

对于电机和变压器，特别是空
载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，会产生较高的过电压，特
别是开断空载变压器时更危险。

由此可见，要降低过电压，就需要降低截流值或变压器、
发电机的特征阻抗值。

2、电弧重燃过电压、重击穿过电压
当真空断路器断开容性电流或大的电感电流时，将会产生重燃过电压和重击穿过电压。

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
穿是指工频电压相位角为90～180”范围内电弧复燃。

如图1。

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（uf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，电弧在电流过零时就会熄灭，两者作用下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。

，
由此可见发生重击穿过电压大小与分闸时的电流相位角有关，相位角越小，断路器开
断时燃弧时间越长操作过电压也就越高。

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。

二、操作过电压的防范建议
1、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。

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，电弧在电流过零时就会熄灭，两者作用下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。

，
由此可见发生重击穿过电压大小与分闸时的电流相位角有关，相位角越小，断路器开断时燃弧时间越长操作过电压也就越高。

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。

二、操作过电压的防范建议
1、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。

2、为了防止重燃或重击穿产生的过电压危害，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。

3、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。

可见，在防范截流过电压与电弧重燃、重击穿过电压是相对的，两者采用的措施在某种程度上出现了矛盾。

所以我们只能在两者之中根据实际应用的情况，取其一平衡点，消除两者最恶劣工况达到避其锋芒的办法。

三、实际应用措施
1、选择合适、可靠的发电机专用真空断路器
百丈漈电厂所管辖的电站均为水电调峰电站，其发电机出口真空断路器的操作就相当
频繁，如洪一电站两台机在2021年并网次次数就分别为328次、324次。

所以在发电机出口断路器的选型上应需考虑截流过电压做为重点。

根据真空断路器截流过电压的产生原因
分析，有两个因素可以降低截流操作过电压，即降低截流值或降低发电机的特征阻抗值。

但是发电机的特征阻抗值是固定的，因此最合适的方法是降低真空断路器操作的截流值。

目前生产的真空断路器有普通配电型真空断路器和发电机出口专用真空断路器。

在数
次发电机断路器无油化改造和新建电站的发电机出口断路器的选型上，我们以选择采用新
型低截流值触头材料的真空断路器为主。

而技术上对真空断路器触头的要求是多方面的，
既要求触头的截流值低，又要求断路器有很强的分断能力(分断大电流的能力)，还要求在动、静触头分开时具有较高的绝缘强度，单一的金属材料很难满足要求。

因此，常用多元
合金或在多孔的高熔点金属(如钨、铬等)触头上浸渍低熔点合金(铜或铜合金)。

这种触头
的阴极斑点可喷发相对较多的金属蒸气，在满足其他性能的要求下可以尽量降低截流值。

CuCr触头材料是目前应用最广最成功的触头材料，具有开断能力强，耐压水平高等优点，但其截流值较高。

为此在CuCr触头材料中添加Bi，Sb，Ta等材料，改变材料成分及含量，改变材料的金属含量及内部结构的真空断路器是较适合我们发电机出口断路器选型要求的。

2、调整真空断路器的最佳开距。

触头开距增大会使蒸气粒子的扩散空间增大，降低
粒子密度和电弧温度，导致截流值增大。

所以在保证大电流开断能力和耐压水平的基础上，将开距适当地减小作为防截流操作过电压的辅助手段。

3、通过调整分闸弹簧，将发电机出口断路器的分闸速度适当放慢。

4、并联金属氧化锌避雷器。

但是其保护作用是限制过电压的幅值，而不能限制过电
压的波头陡度，在达到避雷器动作门槛电压前不
能减轻过电压对发电机纵绝缘的作用。

通过现场实际运行的检验，在百丈漈电厂利用真空断路器替代少油断路器以来，未出
现操作过电压损坏设备事故的发生。

综合以上的分析及采用的措施来看，选用不同的真空
断路器在不同的运行设备上使用是关键之举。

在适当调整真空断路器的开距和分合闸速度上，我们需严格按照有关规程规定，切不
可顾此失彼。

如发电机出口断路器的分闸虽要防止截流操作过电压，但是也要防止发电机
满负荷时的保护动作跳闸要求。

并联氧化锌避雷器虽有效地防止了操作过电压对设备造成的损害，但是在中性点不接
地系统中，其必须承受单相接地时线电压的能力，这种情况下将使避雷器严重过热。

所以真空断路器的操作过电压问题仅能适当的防范，仍无法彻底解决。

目前有些厂家研制并生产了旨在限制真空断路器操作过电压危及电机绝缘的新产品RC阻容吸收器，亦在探索阶段。

总之，真空断路器的操作过电压防范仍是任重而道远，需要我们在实践中不断积累经验，从而有效地抑制操作过电压，推动真空断路器的广泛应用。