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【摘 要】真空断路器的操作过电压严重威胁电力系统和设各的安全。对真空断路器操作过电压的产生特点及应用进行了分析，对真空断路器的过电压保护提出了解决方案。
【关键词】真空断路器；过电压；保护；方案
1.真空断路器操作过电压的产生及原因分析
真空断路器在开断高压感应电动机等感性负载时，所产生的过电压有三种类型：
1.1截流过电压
当真空断路器断开小电感电流时，由于开关本身的原因，往往出现负荷电流在未达到零点前被强行开断的现象，电感负载上剩余的电磁能因此产生过电压，这种由截流现象产生的过电压称为截流过电压。截流过电压的大小与截流值及负载的电感成正比。截流过电压有以下特点：
（1）截流过电压与真空断路器的截流值I大小有关，截流值越高，过电压值越高。
（2）截流只发生在开断小电流时，电流越大，陡度越大，截流值就越小。
（3）过电压的震荡频率很高，可达数千hZ，高的频率必然伴随着高的过电压。
（4）相对地过电压是按相对地电容和相间电容而分配的，通常相对地过电压为相间的2/3。
（5）电动机和变压器容量越小，过电压越高。电动机和变压器容量小，开断电流较小，回路电容小，电感大，因而波阻抗较大，造成过电压数值高。
（6）回路的电缆在50-200m范围内过电压最高，而这一长度范围基本是开关柜到电动机或变压器的长度，电缆长度过短时，振荡频率高，熄弧困难，延长了熄弧时间，过电压低；电缆长度长时，回路电容量大，波阻抗下降也会使过电压降低。
1.2多次重燃过电压
当真空断路器断开容性电流或大的电感电流时，重燃或重击穿过电压是问题的主要方面。我们用下面图1的电容开断电路图来进行分析。
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（为 uf。0（uff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 （1）
断路器触头间的电压
uhf=u-uc=-Um_-（--Um）=2um （2）
此时若触头间的介质强度不够，则发生了击穿，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）=3Um（U。为电容上的残压） （3）
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。但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。多次重然过电压的特点：
（1）陡度大，幅值高。
（2）变压器和电机绕组的电压分布上，过电压陡度和频率关系很大，这种过电压对匝间绝缘威胁很大。
1.3三相同时开断过电压
真空断路器首先断开相熄弧产生的高频电流通过三相的中性点叠加在其它未断开的两相工频电流上，造成其它两相电弧电流强制过零，使得未断开的两相随之同时切断。此两相被截断的工频电流更大，从而产生比首相开断过电压更高的过电压。此类型过电压的特点是：
（1）最大过电压总是发生在后两相开断时刻。
（2）在开断中小容量电机或轻负载时，容易出现三相同时截断。
分析这三种过电压的产生原因及特点，对正确地选用保护设备有重大的作用。
2.各种保护设备在电网的应用情况及其评价
电网的负荷主要是电机负载，有小容量的抽油机电机负载，也有2000kW的注水电机负荷，对真空断路器的操作过电压保护有阻容吸收器、无间隙氧化锌避雷器和带串联间隙氧化锌这三种保护装置。现对其作用及使用过程中出现的问题作一分析。
2.1阻容吸收器
阻容吸收器并联在电动机出口，电阻与电容串联接地。由于吸收电容比杂散电容大，降低了波阻抗，从而降低了断路器开断时恢复电压上升的陡度，减少了发生重燃的机会；另外吸收电阻抑制了重燃时高频电流的增长，并对高频电流变成以R-C时间衰减的电流，推后了电流过零的时间。这时触头开距已足够大，足够平缓恢复电压，不再发生重燃。另外 ，回路容抗在数千Hz高频截流过电压的作用下急剧下降，成为很好的吸收回路，电容的这种频敏效应，大大增加了R-C的保护效果。根据现场的运行实践经验和数据证明阻容吸收器在限制真空断路器操作过电压方面取得了良好的效果。但在实际运行中， RC吸收器的安装增加了接地电容电流，需要调整部分R-C阻容吸收器的电容量，增加一台消弧线圈，才解决了上述接地电容电流大和零序容抗与零序感抗比在谐振区容易造成铁磁谐振的问题。
2.2无间隙氧化锌避雷器
在电网中，无间隙氧化锌避雷器用以限制操作过电压。无间隙氧化锌在中性点接地系统过电压中发挥着很好的作用，但在保护真空断路器的操作过电压中感觉效果不好，存在以下问题：
（1）电网的长期接地运行，容易造成阀门老化，易出事故。
（2）不能保护相间绝缘。
（3）不能改变振荡频率，对匝间绝缘保护不利。
（4）响应速度跟不上电压波的变化。
2.3串联间隙氧化锌避雷器
为了解决接地时无间隙氧化锌避雷器的问题以及解决避雷器不能保护相间的绝缘，我们某些变电站引进了带串联间隙的星形避雷器。但这种避雷器也存在以下问题：
虽然通过增加串联间隙使阀片在接地运行时得到保护，但这种避雷器与上文提到的③④问题仍不能解决。由于避雷器加串联间隙在某种程度上增加了避雷器的残压值，对电机的绝缘保护不利。
3.结论
综上所述几种避雷器的性能比及其在电网的运行经验来看，阻容吸收器对真空开关操作过电压的抑制是最好的，在安装配置时统盘考虑，注意抑制其增大接地电容电流和与电压互感器匹配不好容易形成铁磁谐振的问题。
【参考文献】
[1]邱毓昌，施圍，张文元.高压电工程[M].西安交通大学出版社，1995.
[2]GB11032交流无间隙金属氧化物避雷器[M].中华人民共和国电子机械工业部，1989.
[3]顾湘莲.电力系统中金属氧化物避雷器的监测与诊断[J].电力自动化设备，2003，23（2）：79-82.
【关键词】真空断路器；过电压；保护；方案
1.真空断路器操作过电压的产生及原因分析
真空断路器在开断高压感应电动机等感性负载时，所产生的过电压有三种类型：
1.1截流过电压
当真空断路器断开小电感电流时，由于开关本身的原因，往往出现负荷电流在未达到零点前被强行开断的现象，电感负载上剩余的电磁能因此产生过电压，这种由截流现象产生的过电压称为截流过电压。截流过电压的大小与截流值及负载的电感成正比。截流过电压有以下特点：
（1）截流过电压与真空断路器的截流值I大小有关，截流值越高，过电压值越高。
（2）截流只发生在开断小电流时，电流越大，陡度越大，截流值就越小。
（3）过电压的震荡频率很高，可达数千hZ，高的频率必然伴随着高的过电压。
（4）相对地过电压是按相对地电容和相间电容而分配的，通常相对地过电压为相间的2/3。
（5）电动机和变压器容量越小，过电压越高。电动机和变压器容量小，开断电流较小，回路电容小，电感大，因而波阻抗较大，造成过电压数值高。
（6）回路的电缆在50-200m范围内过电压最高，而这一长度范围基本是开关柜到电动机或变压器的长度，电缆长度过短时，振荡频率高，熄弧困难，延长了熄弧时间，过电压低；电缆长度长时，回路电容量大，波阻抗下降也会使过电压降低。
1.2多次重燃过电压
当真空断路器断开容性电流或大的电感电流时，重燃或重击穿过电压是问题的主要方面。我们用下面图1的电容开断电路图来进行分析。
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（为 uf。0（uff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 （1）
断路器触头间的电压
uhf=u-uc=-Um_-（--Um）=2um （2）
此时若触头间的介质强度不够，则发生了击穿，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）=3Um（U。为电容上的残压） （3）
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。但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。多次重然过电压的特点：
（1）陡度大，幅值高。
（2）变压器和电机绕组的电压分布上，过电压陡度和频率关系很大，这种过电压对匝间绝缘威胁很大。
1.3三相同时开断过电压
真空断路器首先断开相熄弧产生的高频电流通过三相的中性点叠加在其它未断开的两相工频电流上，造成其它两相电弧电流强制过零，使得未断开的两相随之同时切断。此两相被截断的工频电流更大，从而产生比首相开断过电压更高的过电压。此类型过电压的特点是：
（1）最大过电压总是发生在后两相开断时刻。
（2）在开断中小容量电机或轻负载时，容易出现三相同时截断。
分析这三种过电压的产生原因及特点，对正确地选用保护设备有重大的作用。
2.各种保护设备在电网的应用情况及其评价
电网的负荷主要是电机负载，有小容量的抽油机电机负载，也有2000kW的注水电机负荷，对真空断路器的操作过电压保护有阻容吸收器、无间隙氧化锌避雷器和带串联间隙氧化锌这三种保护装置。现对其作用及使用过程中出现的问题作一分析。
2.1阻容吸收器
阻容吸收器并联在电动机出口，电阻与电容串联接地。由于吸收电容比杂散电容大，降低了波阻抗，从而降低了断路器开断时恢复电压上升的陡度，减少了发生重燃的机会；另外吸收电阻抑制了重燃时高频电流的增长，并对高频电流变成以R-C时间衰减的电流，推后了电流过零的时间。这时触头开距已足够大，足够平缓恢复电压，不再发生重燃。另外 ，回路容抗在数千Hz高频截流过电压的作用下急剧下降，成为很好的吸收回路，电容的这种频敏效应，大大增加了R-C的保护效果。根据现场的运行实践经验和数据证明阻容吸收器在限制真空断路器操作过电压方面取得了良好的效果。但在实际运行中， RC吸收器的安装增加了接地电容电流，需要调整部分R-C阻容吸收器的电容量，增加一台消弧线圈，才解决了上述接地电容电流大和零序容抗与零序感抗比在谐振区容易造成铁磁谐振的问题。
2.2无间隙氧化锌避雷器
在电网中，无间隙氧化锌避雷器用以限制操作过电压。无间隙氧化锌在中性点接地系统过电压中发挥着很好的作用，但在保护真空断路器的操作过电压中感觉效果不好，存在以下问题：
（1）电网的长期接地运行，容易造成阀门老化，易出事故。
（2）不能保护相间绝缘。
（3）不能改变振荡频率，对匝间绝缘保护不利。
（4）响应速度跟不上电压波的变化。
2.3串联间隙氧化锌避雷器
为了解决接地时无间隙氧化锌避雷器的问题以及解决避雷器不能保护相间的绝缘，我们某些变电站引进了带串联间隙的星形避雷器。但这种避雷器也存在以下问题：
虽然通过增加串联间隙使阀片在接地运行时得到保护，但这种避雷器与上文提到的③④问题仍不能解决。由于避雷器加串联间隙在某种程度上增加了避雷器的残压值，对电机的绝缘保护不利。
3.结论
综上所述几种避雷器的性能比及其在电网的运行经验来看，阻容吸收器对真空开关操作过电压的抑制是最好的，在安装配置时统盘考虑，注意抑制其增大接地电容电流和与电压互感器匹配不好容易形成铁磁谐振的问题。
【参考文献】
[1]邱毓昌，施圍，张文元.高压电工程[M].西安交通大学出版社，1995.
[2]GB11032交流无间隙金属氧化物避雷器[M].中华人民共和国电子机械工业部，1989.
[3]顾湘莲.电力系统中金属氧化物避雷器的监测与诊断[J].电力自动化设备，2003，23（2）：79-82.