真空断路器操作过电压对电机产生的危害及其所采取的措施

近年来，真空断路器在电力系统中应用越来越广泛，由此而产生的一些问题也引起人们的关注。由于真空断路器在截流、重燃或三相断开时会产生操作过电压，其操作过电压幅值可以使电机等设备绝缘击穿，相间导体闪路，引起事故扩大，造成不应有的损失，人们逐渐认识到这种危害的严重性，于是开发出了多种用于限制真空断路器操作过电压的设备，如金属氧化物避雷器、阻容吸收器、组合式过电压保护器等产品，但由于选用不当或保护设备技术性能的不适用或未考虑被保护设备的特殊情况，运行时的事故仍时有发生。

1、真空断路器操作过电压对电机产生的危害
　　在真空断路器前后两侧均存在着电感、电容，电感则为电机的等效电感和导体及变压器的等效电感; 电容为导体对地及相间的等效电容、电机的等效电容等。真空断路器开断电机回路时产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时截流过电压等三种危害。

1、1截流过电压
　　由于真空断路器有良好的灭弧性能，当开断小电流时，真空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，因此会产生大的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。从理论上讲可以产生很高的过电压，但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用，但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。

1、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。在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为LC回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距增的不够大，就会发生第二次重燃，再灭弧，再重燃以致发生多次重燃现象，多次的充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏电气设备。实验证明，电机匝间绝缘的损坏主要是由于真空断路器多次重燃引起的电压逐级升高造成的，特别是在切断电机的启动电流时极易发生过电压。

1、3三相同时开断过电压
　　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，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使未开断相随之被切断，在其他二相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相同时开断电压。

2、电机回路中应用真空断路器应采取的措施
　　由于电机绕组存在较大的电感量，以及绕组的匝间电容、对地电容和杂散电容的存在，相当于一个LC振荡回路，根据真空断路器操作过电压产生的机理，当切断小电流时容易产生过电压危害电机绝缘及回路电器设备，因此必须采取措施限制操作过电压，以保护电气设备能安全可靠地运行，同时扩大真空断路器的应用范围。目前国内采取的措施有装设金属氧化物避雷器（MOA）、三叉戟过电压保护器（TBP）、组合式过电压保护器（JPB）等，以上三种设备均采用氧化锌阀片作为主要元件，各保护设备的主要技术参数如表1所示。

式中，K为冲击系数，取K=1.15
对6kV电动机和6.3kV发电机，Us=15.9~16.6（kV）
对10kV电动机和10.5kV 发电机，Us=25.6~26.8（kV）
电机运行时的试验电压: Us′=1.5Ue
对6kV电机，Us′=9kV（有效值），冲击值Us″=12.7kV
对10kV电机，Us′=15kV（有效值），冲击值Us″=21.2kV

　　 根据绝缘配合规程的要求，耐受电压水平zui小应超出保护水平15%，同时由于在10kV及以下系统中不接地或经过消弧线圈接地，且当发生单相接地时，健全相电压升至线电压，并允许运行2h，这种情况下将使避雷器严重过热而损坏。从电机试验电压计算值及表中所列的保护水平看，MOA避雷器保护电机的水平zui差，TBP和JPB虽好于MOA，但裕度太小，保护性能仍不理想，因此，当真空断路器产生操作过电压时，不能很好地保护电机。
　　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，它可使绝大多数电路的操作过电压降至电源电压峰值的2~2.5倍以下。目前有三种形式的RC保护器，即中性点直接接地的普通型RC保护器; 中性点不接地型RC保护器; 双路RC过电压保护。普通型RC保护器存在着当单相短路时电容电流过大导致馈电回路全部跳闸，特别对于有高频分量的场所，使得RC保护器电阻烧损; 不接地RC保护器虽然解决了因电容电流过大而跳闸以及烧电阻的问题，但对于相对地之间的高频振荡没有消除，使得事故发生率略高；双路RC过电压保护器既解决了对地电路中的高频振荡，又解决了对地电流过大和R-C装置电阻烧损问题。
　　但是不管哪种RC保护器，当它应用在不接地系统中时，按规程要求在电容电流不大于3~4A时，可带负荷运行2h，其RC回路中的电容无疑增大了回路的电容电流，如果超过或接近规程规定值则可能需要装设消弧线圈或接地电阻，增加了设备和投资，因此应对其进行正确分析和选用。
根据各厂家的资料，RC装置中电容量为0.1μF，电阻为100Ω，其容抗为Xc=1/ωC，ω=2πfn。其电容电流在10kV回路中为:
Ic=Ue/Xc=Ue2πfnC
=10×2×3.14×50×0.1
=0.32（A）
在6kV回路中电容电流为:
Ic=6×2×3.14×50×0.1=0.2（A）

　　 从以上计算可知，每台RC装置的电容电流将达到0.2~0.32A之间。如果在一条母线上连接着5~10台RC装置，再加上电机回路的电容电流有可能超过规程规定的允许值，则在电机中性点必须装设消弧线圈或电阻以保护设备的安全运行。因此，在电机回路特别是在发电机回路中选择设备时，不仅要考虑电机回路的电容电流，同时要考虑分支回路的对地电容和用于保护真空断路器的RC装置的电容电流，这一问题往往被设计人员及厂家、运行管理人员所忽视。

3、发电机回路中应用真空断路器应注意的一些问题
　　目前生产的真空断路器大多数为普通配电型真空断路器，已有不少单位在一些中小水电机组、电机回路和企业小型机组中广泛采用，用户也感到比使用少油断路器简单、方便、无维护工作量、尺寸小、安装更换快等优点，也考虑了装设过电压保护装置。即使这样，在发电机回路中装设普通配电型真空断路器仍存在一些缺点和不足①发电机随着运行时间的延长，其绝缘水平逐渐下降，真空断路器的操作过电压与电机的绝缘水平配合几乎没有多少裕度; ②发电机回路断路器的技术性能要求比较严格，使用条件严酷，如切断直流分流标准要求发电机断路器切断直流分量值为大于60%或80%的额定开断电流，普通配电型真空断路器很难达到; ③由于发电机本身的电容量（水轮发电机大于汽轮发电机），加上较长的引出线及分支线产生的电容量，如果使用RC过电压保护器，还应加上保护器的电容量，使在发生单相接地时电容电流较大，就会引起不必要的跳闸或在中性点增加设备（如消弧线圈、接地电阻等），从而会引起断电保护复杂化。
　　在工程的初步设计阶段，重要的工作之一就是设备选型，为了选择合适的设备有必要对发电机的电容电流作出初步估算。计算发电机电容值有多个不同的公式，有些则需应用电磁计算的有关参数，在初步设计时应用受到一定的限制，因此可采用比较简单的美国GE公司的计算公式:
Cf=3KdSn/ √Un（1+0.08Un）
式中: Kd为对有阻尼的凸极电机取0.0317; Sn为发电机容量; Un为发电机额定电压。
求得发电机的电容后，可根据发电机的额定相电压Ux求得电机的电容电流: Icr=ωCfUx×10-6
式中: Ux为发电机额定相电压（V）。

　　 通过对发电机回路电容电流的计算，以及其他条件，可确定发电机回路是否采用真空断路器，若采用真空断路器，采用何种限制操作过电压的措施，以及确定发电机中性点接地方式。

4、结语
　　通过对真空断路器操作过电压的产生机理以及我国目前生产的保护设备的技术参数的分析和计算，指出了在电机回路中装设真空断路器时，必须有完善的保护设备来限制真空断路器的操作过电压，更好地保护主设备，才能不断地扩大真空断路器的使用范围，使电力系统安全、可靠、经济地运行。特别是在发电机回路中使用真空断路器时，更要慎重，不可盲目使用，除具有完善的保护措施外，还要考虑其绝缘水平配合、发电机回路的电容电流、切断直流分量的要求等因素，使真空断路器的优良性能得到充分发挥。