過電壓對電力系統的安全穩定運行十分有害,輕則造成絕緣擊穿、設備損壞;重則網絡失穩、系統瓦解。對電力系統絕緣構成威脅的過電壓有兩大類。一類是大氣過電壓(也叫外過電壓),即直擊雷和感應雷過電壓,只有在雷雨季節和惡劣天氣才會發生。而另一類則是更多的內過電壓,即操作過電壓(包括諧振過電壓),它是在電力系統運行方式發生變更的瞬間和倒閘操作的瞬間發生的過電壓。
真空開關過電壓類型
截流過電壓:由于真空開關滅弧室本身特性的原因,在開斷交流電流時,當電流在從峰值下降尚未到達自然過零點時,電弧熄滅、電流突然中斷,即常言的截流現象。開斷時間越短、截斷電流的變化率越大,過電壓越高、越危險!這種截流過電壓現象也非真空開關的“專利”,其它滅弧介質的開關都可能發生這種現象,只是真空開關更容易發生截流過電壓。研究發現:開關分閘速度、開關觸頭的材料和幾何形狀與尺寸、滅弧室真空度、開斷電極的初始相位、以及開斷次數和負荷特性等,都影響截流過電壓。
(多次)重燃過電壓:真空開關在投切電力電容器或開斷較大的電感性負荷,如斷開發電廠鍋爐給水泵電機的啟動電流時,真空開關三相觸頭不會完全同時開斷,必然有個先后,加上三相交流電流過零時刻前后相差120度。因此存在著一相先斷開,然后另外兩相相繼斷開電路。假如其中一相恰好是在該相電流過零值(或零值附近)時斷開,電弧首先熄滅,開斷的瞬間動靜觸頭間的距離還很小,更沒有達到額定開距,那么開端的觸頭間發生電壓恢復過程,較小的觸頭間隙介質恢復強度不高,在較高的恢復電壓作用下,間隙可能被擊穿,電弧重燃。
開斷容性負載過電壓:真空開關機械壽命長、少維護等優點。與其它類型的開關相比,實踐證明其開斷容性負載的性能還是較好的。然而,屢次的《絕緣監督(技術監督)》通報告訴大家,真空開關在投切電力電容器組情況并不理想。其原因是:對真空滅弧室絕緣要求比較高、介質耐壓水平要求比較高,介質恢復強度也必須穩定,不能滿足投切電容器組的實際需要。
接通過電壓:真空開關在關合過程中,觸頭機械位置接通之前,間隙預擊穿,通過高頻電流、高頻電流過零、電弧熄滅……。類似開斷時的情況,開關閉合,過電壓隨即降低,其峰值受到抑制,不會產生較高的電壓,危害也十分有限。
抑制操作過電壓的方法
——在開關內部:觸頭是真空滅弧室的關鍵部件,觸頭材料的構成成份、純度、表面光潔度、裝配工藝都直接影響真空開關的截流水平。觸頭材料主要用銅鉻合金和銅鉍合金、銅鎢合金,國外有使用高純度銅和高純度鋼材料的;觸頭幾何形狀對擊穿電壓有相當影響:觸頭電極曲率半徑大的比曲率半徑小的電極承受擊穿電壓的能力要強的多,觸頭材料曲率半徑大,無形中要增加觸頭材料,提高了成本。所以,真空開關選型、定貨時要對滅弧室提出單獨的技術要求。由于冶金和成型工藝的差異,國產裝備優良、工藝精細、設計水平高的真空開關產生操作過電壓的倍數明顯要小。雖然差距在縮小,進口真空開關的過電壓性能目前依然優于國產設備。
——“老練”工藝處理:高電壓、大電流法老練處理后的滅弧室對抑制操作過電壓和降低重燃率效果顯著;觸頭高壓小電流、低壓大電流、直流老練法工藝的普遍采用,對抑制操作過低壓有明顯的效果。滅弧室的真空度和潔凈度對觸頭重燃和過電壓倍數有較大影響,潔凈度越高、真空度越高,重燃率越低、過電壓倍數越小。
——滅弧室外部方面:外接非線性電阻吸收器是目前廣泛采用并收到較好效果的。氧化鋅(ZNO)避雷器,即氧化鋅壓敏電阻,它具有半導體穩壓管的作用,工頻電壓下呈現的阻值很大;當外加電壓升高到某一設定值后,阻值劇降,其限制電壓設置不可太低,否則起始動作電壓也低,影響壽命。這種設備具有較好的非線性特性、動作快、伏安特性平坦、壽命長、體積小、易維護等優點受到電力工作者歡迎,但投運前和運行后要定期做高壓試驗。
——負載端并聯電阻-電容(R-C保護器):三相分別把電阻R與電容C串聯作為保護元件并聯在負荷進線端。這種RC過電壓抑制器,利用電容器的充電過程,可以延緩過電壓的上升陡度。電阻器的作用是發生截流時,吸收負載回路高頻振蕩時的電磁能量,有效地抑制過電壓。這種過電壓抑制器接線有嚴格的要求,不可三相電阻星型聯結后串接電容器接地。
——負載端并聯電容器或串聯電抗器:這兩種方法雖然抑制過電壓有一定效果,但使用范圍較窄。并聯電容器主要保護變壓器受過電壓危害;串聯電抗器主要保護電動機。