真空开关操作过电压的产生及防范措施

真空开关操作过电压的产生及防范措施

【摘要】为了减少真空开关操作过电压对高压电机的损害，有必要弄清真空开关的工作原理，识别产生过电压的原因。真空断开关在开断电机等感性负载时产生的波陡度很大，幅值很高，直接威胁感性负载的匝间绝缘，是造成电机设备损坏的重要原因之一。目前抑制过电压的措施有两种，一种是限制过电压幅值的避雷器，另一种是降低过电压振荡频率的阻容（r—c）过电压吸收器。故对真空断路器操作过电压抑制措施进行研究是必要的，只有采取适当的保护措施，从降低过电压幅值和波陡度这两方面考虑，就能有效抑制或减轻其危害，这对广泛推广真空断路器的应用将起到积极的推动作用。【关键词】真空开关过电压防范

1 概述

真空开关因其开断容量大、开断能力强、开断电弧小等优点，而广泛使用于配电断路器，大负荷起动开关，尤其是在油田大功率（1500kw左右）注水电机起动中应用更为普遍。由于真空开关断电能力极强而容易产生操作过电压，注水电机属感性负载，在感性负载中，这种过电压幅值高，能达到电源电压的几倍，甚至几十倍，上升陡度快，频率也高，对电网中的负载及其本身负载的绝缘造成一定的影响，甚至会击穿电缆、电机的绝缘层，引起电气事故。在实际应用中，应对真空开关的操作过电压采取必要的防范措施。

2 真空开关开断原理

真空灭弧室：

真空灭弧室是真空开关中最重要的部件，如图1。真空灭弧室的外壳是由绝缘筒、两端的金属盖板和波纹管所组成的密封容器。灭弧室内有一对触头，静触头焊接在静导电杆上，动触头焊接在动导电杆上，动导电杆在中部与波纹管的一个断口焊在一起，波纹管的另一端口与动端盖的中孔焊接，动导电杆从中孔穿出外壳。由于波纹管可以在轴向上自由伸缩，故这种结构即能实现在灭弧室外带动动触头作分合运动，又能保证真空外壳的密封性。

（1）动触杆：动触杆与绝缘杆连接，实现操作动力的转动。（2）波纹管：波纹管既要保证灭弧室完全密封，又要在灭弧室外部操动时使触头作分合运动，允许伸缩量决定了灭弧室所能获得的触头最大开距

（3）外壳：整个外壳通常由绝缘材料和金属组成。对外壳的要求首先是气密封要好；其次是要有一定的机械强度；再是有良好的绝缘性能。

（4）导电系统：定导电杆、定跑弧面、定触头、动触头、动跑弧面、动导电杆构成了灭弧室的导电系统。其中定导电杆、定跑弧面、定触头合称定电极，动触头、动跑弧面、动导电杆合称动电极，由真空灭弧室组装成的真空断路器合闸时，操动机构通过动导电杆的运动，使两触头闭合，完成了电路的接通。

（5）屏蔽罩：触头周围的屏蔽罩主要是用来吸附燃弧时触头上蒸发的金属蒸气，防止绝缘外壳因金属蒸气的污染而引起绝缘强度降低和绝缘破坏，同时，也有利于熄弧后弧隙介质强度的迅速恢复。

在波纹管外面用屏蔽罩，可使波纹管免遭金属蒸气的烧损。

（6）触头：触头结构对灭孤室的开断能力有很大影响。采用不同结构触头产生的灭弧效果有所不同的，早期采用简单的圆柱形触头，结构虽简单，但开断能力不能满足断路器的要求，仅能开断10ka 以下电流。目前，常采用的有螺旋糟型结构触头、带斜槽杯状结构触头和纵磁场杯状结构触头三种，其中以采用纵磁场杯状结构触头为主。

真空开关开断原理：

真空灭弧室是用密封在真空中的一对触头来实现电力电路的接

通与分断功能的一种电真空器件，是利用高真空作绝缘介质。当其断开一定数值的电流时，动、定触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的某一点或某几点上，表现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致间隙击穿，产生了真空电弧，当工作电流接近零时，同时触头间距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断，开断结束。

3 真空开关操作过电压的产生

（1）载流过电压。由于真空开关真空度相当高，出厂时在1.333×10-4pa以上，运行中也在1.333×10-2pa以上，所以具有良好的灭弧性，在切断小电流时，电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，滞留在电机电感绕组中的能量会向绕组中的杂散电容充

电，转变为电场能量，对电机，特别是负荷较小时，相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生很高的过电压，虽然回路有一定的电阻或触头被击穿，对过电压有一定的抑制作用，但这种抑制作用有限，不能消除在切断小电流时产生的过电压。

（2）多次重燃过电压。多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空开关切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为lc回路充放电振荡电源，如果触头开距不够大，两个电压叠加就会使弧隙之间击穿，发生重燃，然后再灭弧、再重燃，形成多次充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，产生多次重燃过电压。

（3）开断过电压。在动静触头刚分离时，由触头材料本身产生的金属蒸气电离后，使触头间隙击穿，形成真空电弧，这种真空电弧电流相当小，当它被突然切断时，

因所带电机为感性负荷，容量又比较大，电机上的剩余电磁场就会产生反向过电压（也称载流压），这种过电压可达到额定供电电压的十倍左右。

4 操作过电压的防范

防范操作过电压主要采用限制过电压幅值的氧化锌避雷器（moa）和降低过电压振荡频率的阻容（r—c）过电压吸收器。

4.1 带并联间隙的氧化锌避雷器（moa）

负载为电机的操作过电压保护中，一般采用带并联间隙的moa，

带并联间隙的结构是将阀片分为主阀片ri和并联阀片r2，r1和r2串联，在r2上有并联间隙g。在正常电压下，g不放电，电压加在r1和r2上，运行安全可靠，过电压作用时，避雷器上的残压还未达到技术条件规定值之前，g放电，r2被短路，避雷器的残压完全由r1上的残压所决定，所以残压比较低，保护性能也比较好。氧化锌避雷器应尽量靠近电机侧安装。

4.2 阻容保护器

阻容保护器是一种保护效果较好的措施，只要阻容参数选择恰当，就可降低恢复电压上升陡度，降低振荡频率，减少负载波阻抗，就能有效降低过电压幅值。电容c的作用，除可降低过电压幅值外，主要用以减缓过电压上升陡度，电阻r则起消耗高频振荡电能，抑制截流过电压幅值的作用。采用双回路阻容保护器效果最隹，它即能解决对地电路中的高频振荡，又可解决对地电流过大和阻容保护装置电阻烧损问题。由于负载等效电感和开关的截流值等参数难以查找和实测，难以准确选择阻容参数。如果r、c阻容参数选择不当，不但起不到保护作用，反而会起消极作用，甚至会导致过电压幅值倍增，因此在选r—c阻容吸收器时应谨慎小心。

5 结语

由于油田高压注水电机功率大、造价高，分析操作过电压产生的原因，认清其危害，采取有效的防范措施，对高压注水电机的平稳运行具有十分重要的意义。

参考文献