消除或限制操作过电压的措施优化方案

1.截流过电压的限制措施

对于真空开关开断空载变压器等一类小感性电流时的截流过电压，经分析小电流电弧机理可知，选用低截流水平的触头材料是降低截流过电压的一项根本措施。例如，国际上现行采用的Cr-Cu合金是一种典型的低截流水平的材料。近些年来，又经不断的改进，这种合金最好的截流水平最大概率56%对应的电流是3A；对应截断电流为4A的概率仅为5%，因此，在中性点绝缘运行系统的过电压不超过2.5～3.0p.u.，它不会对设备绝缘构成威胁。由于真空接触器最主要的用途是控制弱绝缘的电动机，所以要求截流水平越低越好。因而触头材料大都采用二元、三元合金（Ag-W-Co等）甚至用Cu-Ni合金并在电极斜槽内充填Bi、Ti等高蒸气压金属，使弧腔在电弧电流过零前仍有较多电子，这样推迟了截流的时间使i0＜1A，与之对应的截流过电压最大仅为1.3p.u.甚至低至0.8p.u.，确保了电动机安全运行。

然而出于要降低制造成本，国内有许多真空开关触头采用铬含量较低的合金，还有的用其他多元成分的合金材料如Cu-Te-Si、Cu-Bi-Se、Cu-Bi-Ag，以及Cu-Bi-Al等，运行发现，这类触头的截流水平很高，有的可达15～20A。因而选择适当有效的过电压限制措施非常必要。经计算发现，小感性电流的截流过电压能量不大，例如，一台10kV、16000kVA三相变压器每相的电感L值约为19mH，如果截流水平是10A，将电感的磁能转换为过电压能量。当选用额定电压17kV的氧化锌电站避雷器保护时，按其2000μs方波电流150A（I）和操作冲击电流残压38.3kV（U）计算，每次可吸收过电压能量为W′=IUt=150A×38.3kV×2000μs=11.5kJ，该值远远大于0.238J，说明用氧化锌避雷器是切实有效的措施。同理，电站型氧化锌避雷器用于限制真空断路器切小容量电抗器和电动机、感应式电压互感器等产生的操作过电压也是可靠的措施，对额定电流大于600A的电抗器，Siemens公司的经验是增添一组与避雷器并联的阻—容吸收器，可平缓作用于绕组的电压波陡度并增大能量的吸收能力。

针对电动机弱绝缘设备的特点和绝缘配合的要求，用阻—容吸收装置限制真空开关开断这类负载发生的重燃过电压有很好的效果。其工作的原理是增大被保护设备的并联电容，即式（5-2）分母中C，使过电压幅值降低。同时，适当的电容值使吸收器对陡波响应迅速，能平缓入侵过电压波的陡度，对改善设备绕组上电压梯度、保护绝缘有重要作用。与电容串联的电阻在过电压波通过时可吸收部分能量，加快振荡的衰减过程。阻—容吸收装置中元件的取值没有统一规定。国际大电网会议曾有R=100Ω和C=0.1～0.2μF的建议，在我国，通常应用中电容一般为零点几微法，电阻取值在几十欧姆至200Ω之间。在结构上，通常三相电容器按Y形接法，并和串联电阻一起封装在箱内。

需要注意的是：电容器与连线电感串接使电源中出现了以三次谐波为主的高次谐波，如大量、集中安装R—C阻容吸收装置，电源因受到污染和电磁干扰可影响计算机控制系统的正常工作；在中性点绝缘运行的供电系统中，会因相—地之间过大的三次谐波电流甚至超过接地电流使上级开关误跳闸停电。

图5-5　有过电压限制器时3AF真空断路器开断加速中电动机的重燃过电压

国外专门设计了一种低保护水平的有串联间隙氧化锌避雷器，代表性的产品如德国Siemens公司的3EF1型、3EF3型过电压限制器，它们的特点是火花间隙放电电压低，而且电阻片比常规避雷器的少，因而残压也低，所以避雷器具有极低的保护水平和较大的保护裕度，可限制真空开关控制电动机时产生的感性电流截流过电压，使之不损坏弱绝缘的电动机，图5-5所示为在电动机三相对地安装3EF3型后的过电压波形，对比图5-3，可观察到其具有明显的保护效果。

图5-6　氧化锌避雷器两种不同安装方式时的限压效果

（a）与电动机绕组并联；（b）与真空断路器断口并联

氧化锌避雷器的安装位置还可连接在真空断路器的两端，由于它到灭弧室断口最近，在波过程中对入射波的限制效果更好，使入侵到电动机的过电压幅值也较低，图5-6所示为避雷器两种不同连接方式时过电压波形对比的示波图。采用安装在断路器断口两侧的连接方式，其另一个优点还在于电动机运行时断路器的触头闭合，避雷器两端电位差等于零，即它免受线路电压的持续作用下发热而引起老化，对保持避雷器氧化锌电阻长期稳定运行的寿命极为有利[31]。

大量运行实践证实，在国内生产的用于保护电动机的有串联间隙氧化锌避雷器（单支结构或有4个单元的组合式结构）却不能发挥应有的作用，其原因是：

（1）与德国等国的中性点接地运行方式的系统不同，我国6～10kV配电系统基本采用中性点绝缘运行方式，系统中经常频发因谐振和电弧间歇接地持续时间达几秒甚至数小时的过电压，幅值在2.5～3.0p.u.之间。这类过电压虽对绝缘配合标准设计值为4.0p.u.的设备绝缘无危害，但如避雷器的火花间隙在这些过电压出现时动作，氧化锌电阻片因为数量比常规避雷器的少，所以按指数规律可通过非常大的泄漏电流而引起热崩溃导致爆炸。这样一来，火花间隙的放电电压必须整定在3.0p.u.以上，因而对冲击放电电压的保护水平不能降得较低，提供的保护裕度不大，保护效果极其有限。

（2）现行的产品一般采用十分简单的平板火花间隙，无放电预照射功能，放电电压分散大且难于控制，因而制造厂说明书中的检验标准是工频放电电压规定值的90%～120%，测量结果都属于合格范围。基于氧化锌电阻片相对介电常数高的特点，在施加工频电压测试避雷器放电电压时，由于氧化锌电阻片的电容量大而分配了较大比例的压降，从电压波形上看不出火花间隙放电的准确时刻，只能从对应于避雷器泄漏电流波形从微小值到急剧增大的突变点判断。一般用户没有专用设备，无法准确地进行测量验收工作，一旦将放电电压真实值低于3.0p.u.的避雷器投运，爆炸的概率极高。

鉴于上述原因，使用阻—容吸收装置仍为一种可靠的保护措施。同时，经多数地区的电业局、发电厂和工业用户大量的实践发现，对有间隙氧化锌避雷器发生爆炸后改用GB 11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》表9中电机用无间隙氧化锌避雷器替代后，电动机的运行状态良好。本书作者于1996—2005年期间，也曾在清理了山东、河南、广东和上海等多处工业用户8BK30型真空接触器柜内有间隙组合式避雷器爆炸事故后，改用电机用无间隙氧化锌避雷器替换，经数年跟踪观察，没有再发生爆炸事故，6.3kV电动机始终运行正常。虽然从技术数据来看，它的保护水平（残压）比有间隙避雷器的高一些，但究其原因，至今没有旋转电机操作冲击绝缘水平的相关标准规定值，也鲜见有关的深入研究报道，所以用这些避雷器时，保护裕度的实际情况并不很清楚。国内还有多家运行单位也有用同样方法处理这一类事故的经验，证实了选择按国标生产的电机用无间隙氧化锌避雷器也是限制这类过电压的可靠措施。

2.切断并联电抗器时重燃过电压的限制措施

鉴于电抗器的电感量小，对应的截流磁能和由它导致的过电压能量也小，北京、上海等地的运行经验表明选用电站型金属氧化物避雷器和不低于0.3μF的并联电容器可取得较好的效果。

Siemens公司的研究结果显示，当电抗器的额定电流大于600A时，电弧特性已基本接近大电流电弧，截流值变小，只需并联阻—容吸收器即可避免这种截流过电压的危害。

国内的一项试验研究是对用3AH型真空断路器投、切并补电抗器的过电压进行了实测和对比分析。第一组试验是在无任何过电压保护装置时投、切中性点不接地的BKSC-6000/10型电抗器（10kV、6000kvar）。在不发生重燃时，切电抗器时的过电压仅为1.57p.u.；而在如图5-7所示的首开相A相发生重燃时，在未重燃的B相和C相出现高频感应过电压，最大的相—地过电压幅值为5.833p.u.，同时，这两相的相间过电压也是最高的，为85～92kV，这一数值对设备绝缘构成极大威胁。第二组试验是投、切中性点不接地的BKSC-5000/10型电抗器（10kV、5000kvar），不同之处是负载侧安装了氧化锌避雷器（额定电压17kV，冲击电流残压45kV）和RC阻容吸收器（40Ω、0.4μF），结果切电抗器时的重燃过电压被有效地限制在2.0p.u.以下，而且波前也变得平缓，这时的典型示波图如图5-8[32]所示。

图5-7　无过电压保护装置时切6000kvar电抗器的波形

（a）电压、电流波形；（b）过电压波形的放大(www.xing528.com)

图5-8　有过电压保护装置时切5000kvar电抗器的波形

文献[33]的作者通过计算、仿真和现场实测，深入研究了切断35kV并联补偿电抗器的操作过电压和分析各种限制措施的有效性。在中性点绝缘运行系统中，35kV并联电抗器通常经由电缆与断路器连接。正常操作时由于发生高频振荡，首开相恢复电压可达3.0p.u.，常规配置的负载侧振荡频率为1～2kHz，恢复电压上升速度约为300～600kV/ms，远超过真空断路器断口（约为30～50kV/ms）的介质绝缘恢复速度，由此首开相开断后的重燃还引发了后两相断口的等效截流，产生了极具危害的过电压。据绍兴电力局对18组并联电抗器23次开断的实测，无论变电站母线有无出线，断路器型式为真空或六氟化硫，电抗器结构为干式空心或油浸铁芯，过电压都普遍存在且危害极为严重。在统计数据23个样本中，仅有2次正常开断，19次出现三相截流开断，占82.6%，全部引起避雷器动作。实测的典型波形如图5-9所示，等效截流值均在100A以上；因避雷器动作，示波图中的过电压幅值已被限制。

图5-9　开断35kV并联电抗器操作过电压典型实测波形（避雷器均动作）

经对母线的运行方式、阻容吸收器电容量的大小以及组合避雷器的限压效果、断路器型式和它在电路中的位置变化等不同条件下过电压情况分析后，得到了一些重要的结论，其要点有：

（1）无论真空断路器或六氟化硫断路器，开断并联电抗器时均有首开相重燃和三相重燃现象。

（2）母线在有出线运行切断并联电抗器时，未出现绝缘事故，即使有一条出线，母线侧的过电压也明显不高，但并联电抗器侧仍有过电压的风险。据此，经仿真计算，证实母线在加装了10倍并联电抗器侧对地电容后，其相对地和相间过电压分别被限制在60kV和90kV以下，消除了过电压的威胁。

（3）实测与仿真、计算均表明，在开断并联电抗器过程中，电抗器匝间绝缘持续承受数十次幅值高达150kV的过电压，当绕组两端加装专用的氧化锌避雷器后，可对匝间绝缘提供有效的保护。仿真、计算这时的匝间过电压被限制在75kV左右。

（4）采用断路器在并联电抗器中性点侧投、切操作的方式，可有效抑制操作过电压的发展，减少了首开相连续重燃的次数以及后两相的等效截流现象，对限制开断35kV并联电抗器的操作过电压极为有效。

3.投、切电容器组时重燃过电压的限制措施

从切断容性负载的电流、电压变化过程得知，真空断路器不重燃就不会出现过电压，因此应首选技术先进型无重燃断路器或GB 1984—2003《高压交流断路器》规定的极低重燃概率的C2级断路器。这类断路器具有以下特点：

（1）真空度高达10-10bar或更高，保证了断口有足够高的初始绝缘强度。

（2）触头材料采用高熔点、高硬度Cu-Cr合金材料制造且表面粗糙度极低，因而电场均匀放电电压高且不易因烧损使放电电压降低。

（3）合、分闸的速度都设计得较高，同时弹跳极小或等于零。这样，刚合速度高且无弹跳，可避免触头表面在合闸时被电弧烧伤；刚分速度高则有利于提高介质绝缘的恢复速度，极小的分闸弹跳幅值使分闸瞬间开距不致有明显的变小而减弱介质绝缘强度。

（4）操动机构的输出功大，可有效削弱甚至抵消伴随高幅值涌流的电动力对触头运动的不良影响，这一点对开断背靠背电容器组的操作尤为重要。

通常采用综合措施限制真空断路器投、切电容器组操作的重燃过电压，这包括电容器内置放电线圈或放电电阻、串联电抗器以及并联专用的电压互感器和避雷器。其中，放电线圈或放电电阻、互感器的作用是消耗涌流的部分能量、降低过电压幅值；串联电抗器的引入大大增加了回路的L值，使高频振荡的频率变低，涌流幅值和陡度di/dt减小。由于多次重燃时过电压的能量巨大，此处的避雷器是专门设计的并联补偿用氧化锌避雷器。值得注意的是，避雷器不能作为唯一的限压措施，现以10kV、Y形接法的单相电容器组为例，计算重燃过电压的能量并分析如下。

在开断电流后，如断路器发生第一次重燃并假设高频电流过零熄灭，残存电荷使电容器电压上升到额定相电压幅值的3倍，对应的过电压能量为

式中：C为单相电容器组的容量。

查GB 11032—2010《交流无间隙金属氧化物避雷器》规定的并联补偿电容器用避雷器的2000μs（t）电流为400A（I），操作冲击电流残压U为21.0kV，计算每次可吸收过电压能量W′=IUt=400A×21.0kV×2000μs=16.8kJ。

当W′=W时，得C=56μF，这相当于三相电容器组容量为1760kvar。由于过电压能量与电容器电压平方成正比，如果发生重燃，由图5-4中过电压增长规律得知，这时过电压能量将是巨大的。还因为避雷器的热平衡特性不能经受连续的大电流冲击，必须经历至少数十秒冷却到一定温度才可下次再动作，如在极短的几个周波后连续承受又一次过电压释能，它将产生的巨大热量发生热崩溃而爆炸，可见避雷器难以限制重燃过电压。另外，在实际工程中，许多并补电容器组的容量都大于1760kvar，因而避雷器限制切电容器组重燃过电压的效果非常有限。按现有技术水平制造的避雷器，仅可释放小容量电容器组第一次重燃的能量，减少断路器再次重燃的威胁。所以，这是避雷器不能作为唯一限压措施的原因。当然为了增大氧化锌避雷器对过电压能量的吸收能力，可增加更多的并联电阻片柱，但结构过于庞大。

经验表明，在真空断路器投运前进行适当老练处理可在投、切电容器组操作中有效减少重燃的概率甚至完全消除重燃。例如，进行一定次数的空载合、分闸操作，使触头表面硬度增大，合金表层结构更加坚实；以及将动触头拉开，固定在小于额定开距的某一间距，施加多次冲击电压使之放电，可“烧除”合金表面细微的毛刺和颗粒，保持投、切操作中局部电场的均匀并有利于提高恢复强度。