如何对操作过电压进行分类与分析

（一）截流过电压

1.感性小电流截流过电压

感性小电流截流过电压是高真空度灭弧室内真空介质固有的特性和小电流电弧导电机理所决定的一种操作过电压。在真空开关开断如空载变压器、小容量电抗器和电动机、电磁式电压互感器等一类几安至几十安低值感性电流时，由于真空介质固有的高绝缘强度，在动、静触头刚分离一段很小的距离尚未达到额定开距的瞬间，断口即获得了极高的初始恢复强度，其数值之高足以使这一很小的间距成为绝缘体。鉴于小电流电弧燃烧时弧柱中导电离子是依靠电极表面热电子发射产生的，但数安至几十安电流在自然过零前瞬时值的热效应极差，无法发射出电弧导通所需的足够多的热电子，电弧于是提前在电流自然过零点前某一瞬时值i0时不能继续燃烧，即被强制遮断，这种现象称为截流效应。

图5-1　典型的真空开关截流和过电压波形示意图

负载被开断后脱离了电源回路，存在于负载电感L中，截断电流i0具有的磁能只能在与之并联的电容C组成的回路中释放，回路中的电容器C获得了电能Cu2/2然后又经同一回路释放给电感。在这一电能、磁能互相转换的过程中回路里出现了高频振荡电流if。由于电流的陡度di/dt很大，它在负载L上产生了幅值极高的过电压，称为截流过电压，图5-1所示为典型的截流和截流过电压波形示意图。试验发现，当开断较小的感性电流时，截波还可能出现在工频电流的上升部分。

截流过电压的最大值um可用能量转换公式（5-1）进行推导，即

按照经验，在um的计算式（5-2）中增加了一个系数K，它表示过电压幅值因涡流、电阻损耗等阻尼作用衰减的系数，K值与负载结构有关。一般电动机的K值为0.6～0.8，变压器则为0.25。C是与负载并联的电容，如线圈对地分布电容、电缆或引线对地电容等，当仅考虑线圈对地分布电容时，L/C即为负载的波阻抗。因为C很小，所以过电压um很高。电动机的波阻抗比变压器的大，因此开断电动机时的截流过电压幅值更高。

由此可见，截流过电压最大值与被截断电弧电流的瞬时值i0、负载种类和回路参数有关。其中，i0对过电压幅值有着决定性作用，它称为截流水平，i0的大小具有一定的随机性。大量试验研究发现，触头合金材料的成分还对截流过电压幅值的大小有直接影响。用高截流水平触头的真空开关产生的截流过电压不但幅值高而且陡度大，在触头刚分离瞬间，因为断口的恢复强度有限，会发生多次击穿并导致重燃。

截流水平高的真空开关还可能引起两相或三相截流过电压。一种发生三相截流过电压的原因是在首开相开断负载后，因为它的截流值高，在电路中产生强烈的振荡，通过相间电磁耦合，在后两相中感应出高频电流。一旦高频电流与一相或者两相的工频电流瞬时值叠加并恰好等于零时，就相当于发生两相或三相截流，称为等效截流。由于相位关系，这时后两相的工频电流瞬时值很大，因此可能出现幅值很高的过电压，国内实测曾有4.3p.u.的记录。

另一种发生三相截流过电压的原因则是真空断路器本身的质量，如触头合金的截流水平很高，三个灭弧室中的电弧都在电流自然过零点前提前被遮断。图5-2所示为真空断路器开断一台空载变压器时发生三相截波过电压的实测波形。变压器的参数是3750kVA、13200V/576V，供电电缆长33m。其中A相的截流为8A，过电压最大峰值123kV，频率969Hz，过电压倍数为6.6p.u.。因为回路中电阻很小，所以过电压衰减极慢，这更加剧了对变压器的威胁[28]。

一般来说，两相或三相截流过电压发生的概率很低，但其能量大，因而破坏力更大。

图5-2　真空断路器三相截流的实测波形

由电抗器容量决定的额定电流一般在100A至几百安，电弧特性仍属于小电流电弧。真空断路器开断时同样可能发生截流现象出现截流过电压。但与变压器不同的是电抗器的铁芯串有空气隙，所以电感量L小得多，磁能在能量转换过程中产生的高频电压振荡频率更高，电流的陡度di/dt更大。此时的触头刚分开，间隙很小恢复强度还很弱，无法承受这一上升率极大的恢复电压而发生重燃。接下来由于电抗器与连接线波阻抗不同的缘故，重燃波多次反射、叠加，便出现了更高幅值的过电压。

2.感性大电流截流过电压

一种感性大电流截流过电压常出现于切断正在加速中或机械性故障转子被堵转的电动机时。起因是在断路器触头刚分离瞬间，被开断的是电动机堵转时接近短路的大电流。因此第一次开断电弧后断口的离子密度极大。又因为大电流电弧的特点是在电流过零时熄灭，感性电路中电压相位超前电流约90°电角，所以恢复电压的瞬时值很高。再加上负载L储能多，高频电流持续时间长，还由于电动机与连接电缆的波阻抗相差很大，行波在导体连接处发生多次反射、叠加，结果产生了陡度和幅值都极高的过电压，致使断口多次重燃；对于开断启动中的电动机，虽然其瞬时电流达6～7倍额定电流，但一般也仅为几百安，例如，图5-3中被试电动机的额定电流为19.3A，7倍的该值是135A，此时的电弧尚属小电流电弧，则有发生截流的可能，所以在截流+高频振荡和波反射、叠加的过程中，同样也可使断口多次重燃，产生陡度和幅值极高的过电压。

(www.xing528.com)

图5-3　3AF真空断路器开断加速中电动机的重燃过电压

上述的重燃过电压对设备的危害极大。一张典型的3AF型断路器开断正在加速中的一台6kV、200k W电动机时出现多次重燃过电压的记录的波形如图5-3所示，实测过电压最大值为4.29p.u.，陡度极高，在电动机入口处的测量值最大达20kV/ms；在914个绕组电压测量记录中，得到最大的过电压幅值为22kV，陡度为13.8kV/ms，可见这种过电压对绕组绝缘严重威胁的程度[29-30]。

当控制电动机的真空开关使用类别为AC-3和AC-4时，在高能量连续转换、停顿的交替变化过程中，电磁暂态过程使灭弧室断口多次熄弧又多次重燃，电动机绕组上也发生极其复杂的波反射，因而也出现非常严重的操作过电压。

控制电弧炉变压器的真空断路器操作特点是合、分闸较频繁，根据炉温调整的需要，还可允许在短路状态下持续运行10s，在每炉的熔化期内，经常有1～3次短路。而且由于生产需要，功率因数cosφ调整范围在0.2～0.9之间。这与真空开关切除转子堵转的电动机操作相似，因而在频繁合、分电弧炉变压器时也会出现高幅值的重燃过电压。

（二）投、切容性负载时的重燃过电压

首先用电工学rLC串联回路接入交流电源的计算方法，分析在开关合闸将单个电容器组连接电源电压为u=Umsin（ωt+φ）时负载电压uc和电流ic的过渡过程。求得它们最终的表达式如下

式中：φ为合闸瞬间电源电压的相位角；Z为回路阻抗；φ为串联电路电流的相位角；δ为衰减系数；ω′为过渡过程中高频振荡的角频率，它比回路自由振荡角频率ω0低，即ω0θ为与衰减系数有关的参数。

uc的第一项是电容器C的稳态电压，后两项是暂态电压。分析这两项的数值范围可估算出过电压的最大值。由于在实际回路中，导体电阻r很小，因而也小，所以ω′≈ω0。再因为δ≪ω0，所以在高频电流第一次过零时刻ω′t=π，最后可确定第二项最大值接近第一项的稳态最大值在第三项中，高频振荡频率ω′≈ω0，远比工频ω高，这一项的值很小。因此可推算出电容器在合闸操作时的最大过电压接近2.0p.u.，该值不会对设备造成危害。

同样分析ic时，第3项通常φ很小，在整个暂态过程中的比重很少，因此也是第2项这一暂态电流影响最大，在其分母中，由于前述所以ωω′LC=314ω′/ω′2=314/ω′，相应该项改写为

按操作常用的10kV成套并补电容器组450～9600kvar（C为12～84μF）和几十米长度的连接导体的电感带入估算，则ω′值约为ω的几十倍，也就是该项瞬态值可能达到稳态电流的最大倍数。同时，由式（5-4）中还可观察到该电流的频率也很高，一般在几千赫至几十千赫间。ic中的这一电流分量即合闸涌流。如果合闸涌流过大，电动力对触头刚合速度有明显的减弱影响，合金表面可出现一些烧蚀痕迹，其不利的影响将在分闸操作时表现出来。

在母线已接有多组电容器的情况下，开关合闸将另一组电容器接在该母线时称为背靠背电容器组的操作，可出现幅值比单个电容器组操作时更高的涌流，其原因是合闸瞬间已接入的电容器组起了减少电源内阻的作用。如恰在电源电压峰值处合闸，最严重时涌流可接近甚至超过安装点的短路电流值。

真空开关分闸操作电容器组的过程如图5-4所示，它表明断口受到的威胁不是恢复电压的陡度，而是工频电源电压瞬时值与电压换向后电容器极板上残存的充电电荷共同的作用。从图5-4中可见，电容电流在过零时被开断后，系统电压u自其峰值起继续按正弦波规律变化，经过1/2周波后到达反向峰值。这时因为电容器残存电荷的充电作用，施加于断口的恢复电压为2Um。如此时断口的绝缘强度低于恢复电压，则发生重燃，电容器再次充电，在此过程中，高频电流的熄灭与再次导通又引起电容的多次重复充放电，致使电容极板上出现幅值极高的过电压，如图5-4中虚线所示。因此，从原理上讲，开关不重燃就不会产生过电压。

图5-4　断路器开断电容器组及发生重燃的过程

实践证实，真空开关出现重燃与灭弧室真空度、触头合金材料成分、电极表面光洁度以及出厂前的老练程度等因素有密切关系。如果触头材料的熔点低、硬度差且表面加工不光洁，极易因高幅值合闸涌流的强大电动力减缓刚分速度使表面烧伤而引起电场畸变，因而在分闸操作过程中的恢复电压作用下发生击穿放电而重燃。同时，灭弧室的真空度不够高，还有开断后灭弧室内残存的金属蒸气扩散得不彻底或未被屏蔽罩完全吸收，也是开关断口恢复强度低导致重燃的主要原因之一。

空载电缆、空载架空线等也均属于容性负载，电流分别不超过100A和10A，它们与电容器组的差异在于被开断电流小、合闸涌流也小，而且电源电压换向后残存的充电电荷也少。电容器组的电流则视其容量而定，一般从几十安到几百安为常见。所以，真空断路器投、切空载电缆、空载架空线一般不会出现重燃的问题，除非断路器的质量十分低劣。