真空接触器切合电动机过电压的实例研究
发布时间：2010-04-27
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真空接触器
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过电压真空断路器或接触器切合小电感电流负荷(如感应电动机) 时可能产生过电压。在切除过程中，小电流电弧在真空中的不稳定性，容易产生截流过电压，另外，当电流开断相角很小时，会发生多次复燃过电压；在关合过程...
过电压真空断路器或接触器切合小电感电流负荷(如感应电动机) 时可能产生过电压。在切除过程中，小电流电弧在真空中的不稳定性，容易产生截流过电压，另外，当电流开断相角很小时，会发生多次复燃过电压；在关合过程中，由于其具有较强的高频电弧熄灭能力，在预击穿或触头发生弹跳时，易发生多次复燃过电压，这些过电压均会对电动机的绝缘产生危害，成为普遍引起关注的问题。某大型泵站运行了1 a 多来，改善功率因素的补偿电容器组的串联干式电抗器发生了多次损坏事故，电抗器表面环氧绝缘明显开裂，其部位大多在电抗器靠端部的匝间。该补偿支路与电动机支路并联，每次启停电动机组时，真空接触器同时切合电动机和补偿电容器组，这对于泵站是最频繁和典型的操作方式。有必要对这些系统操作方式产生的电磁暂态过程进行模拟计算研究和实测，寻找事故原因采取应对策略。
1 泵站配电系统及其运行工况简介泵站配电系统为单母线分段方式。两路35 kV 电源进线，分别通过两台主变降压到6 kV 系统； 每段母线带6 台电动机组。
以6 kV I段为例，该段母线送电到6 台电动机组，母线对地安装一组电容电感补偿支路和一组避雷器。每一回电动机支路上，真空接触器和电动机组之间对地安装一组电容电感补偿支路和一组避雷器，主要用于改善功率因数并限制对地过电压。电动机主要参数为额定输出功率1 400 kW，额定电压6 000 V，额定电流195.3 A，额定转速298 r/min，真空接触器主要参数为额定工作电压6 kV，额定工作电流400 A，额定开断能力(25次) 3.2 kA。高峰运行时，一般投入6 台电动机组，每段母线各带3 台，根据实际情况增加或减少机组的投入，因此，既有其它电动机组停运时单台机组起停的工况，也有其它电动机组运行时单台机组的起停工况，需要分别进行研究。
2 EM TP 模拟计算和实测研究采用电磁暂态程序(EM TP) 对该配电系统各元件包括电源、架空线和电缆、变压器、改善功率因数的电容器和电抗器、避雷器、电动机组和开关分别进行了详细的模拟。其中开关采用理想开关模型。开关合闸时，触头两端电压为零；开关分闸时，流过开关的电流为零。按厂家提供数据模拟，开关合闸三相不同期不超过3 m s，合闸弹跳时间不超过2m s，分闸截流小于3A。过电压具有统计特性，在模拟计算时采用统计开关模型，每次切合操作都采用360 次随机操作，在一周波内均匀分布，并考虑计算中的最大过电压。避雷器采用分段非线性电阻模拟。电动机组采用通用电机模型模拟，模拟电动机组原始参数。
根据系统运行的实际情况，设计了两种计算工况，分别计算空母线合切电动机的暂态过程和母线上有多组电动机运行时合切电动机的暂态过程。受到系统实际运行情况的限制，现场实测了空母线合切电动机和母线上有一组电动机运行时合切电动机的暂态过程。现场试验的实测主要是验证计算，因此开关的操作次数仅为单合单分4 次循环，以观察实测中有无分闸重燃等特殊现象。运行中损坏的为电抗器，因此电抗器的端电压是关注的重点。在切电动机时，过电压主要是由于截流和重燃引起的。电动机侧有补偿支路，切电动机磁场能量可以通过补偿的电容电感回路振荡释放，形成了拍频振荡(见2) ，使开关触头两端的恢复电压上升速度变缓而不易发生重燃，过电压不会太高，即使有截流，除了开断时有一幅值小于工频稳态幅值约一半的高频振荡外，与无截流时无多大区别。在实测中未发现分闸重燃现象，没有发现明显的过电压。计算时亦不考虑重燃。表1 统计了计算的最大过电压数值。
国标规定的66 kV 以下不接地系统的绝缘设计水平为计算最大操作过电压4.0 pu。计算和实测均表明，各设备对地过电压均低于2 pu，更远低于电气设备的绝缘水平，补偿支路中电容器两端的最大过电压小于1.5 pu，电抗器两端的最大过电压小于0.8 pu，母线上有多台电动机组运行时分闸过电压要比空母线时还略低些，这些电气设备的正常绝缘水平都应完全能够耐受这种过电压。
在关合电动机时，可能产生严重的过电压，国内外研究表明，电动机合闸过电压最高可达到3.8 pu，合闸过电压与开关的性能(弹跳、三相非同期等) 和电网的结构与参数有关，在开关发生预击穿或触头弹跳时，易发生多次复燃过电压。本泵站系统不考虑弹跳和考虑弹跳时的计算过电压，及实测的过电压统计如表2。
计算时，如果不考虑合闸弹跳(即正常情况)时，空母线和母线上有几台电动机组运行时产生过电压大小基本相当，远小于4 pu，避雷器不会动作，对电气设备的正常绝缘无威胁。计算时，如果考虑合闸弹跳时，对过电压影响甚大，以电抗器对地电压为最高，接近3.5 pu，但仍在电气设备绝缘水平允许范围内。电抗器两端过电压大幅度上升，接近2.7 pu，且波头很陡，从正峰值到负峰值之间不到350µs，为高频过电压(见图3) ，因此对电抗器的匝间和层间绝缘有较大的威胁。
由于实测操作次数少，不能象微机计算能够模拟大量的操作，因此不一定能捕捉到最严重的过电压。但实测能够反映系统的实际情况，可对理论算结果进行校核，从而验证理论计算的结果。表2 表明实测过电压数值和计算不考虑弹跳时相一致，没有发现明显的过电压，应该指出，从实测波形可知，电容器对地的过电压主要为工频过电压，而电抗器对地过电压主要为高频过电压。从图4实测的电抗器对地电压波形，可以看到波形上有数kHz 高频的振荡波形。这是由于真空接触器在合闸时发生弹跳具有分散性，计算考虑了最严重的情况(弹跳时间2 m s) ，实际在预击穿或触头发生微弱弹跳时，由于真空接触器具有较强的高频电弧熄灭能力，可能发生多次复燃的高频过电压，虽然幅值不高，但这种陡度的过电压会对电抗器的匝间绝缘产生威胁，计算表明这种过电压严重时电抗器端对地达3.5 pu，在电抗器两端接近2.7 pu。多机系统分合闸暂态过程中，未发现有谐振现象。
3 补偿支路电抗器损坏原因分析计算和实测均表明，真空接触器关合电动机组的过程中会产生高频的过电压。在正常运行时，电动机端的电容电感补偿支路中，电容器承受大部电压，主要用来产生容性无功，改善功率因数，而电抗器两端电压很低。但在操作时，尤其在关合过程中，补偿支路会承受高频的电压，这种电压突变的分量显然会集中在电抗器的两端，形成高频过电压，危害电抗器的纵绝缘，尤其是对绕组端部的匝间绝缘，故障电抗器损坏部位也确在靠近端部。现有的避雷器可以将电抗器对地过电压限制在允许范围内，但对极间过电压限制作用不大。
4 改进的措施与方法针对上述的分析结论，可采取如下措施避免电抗器的损坏的频繁发生。
(1) 要求更换的串联电抗器按《并联电容器组串联电抗器标准》进行匝间绝缘试验，以考验其匝间和层间绝缘耐受操作过电压的能力。操作过电压试验波形可按标准操作波波形250/2 500 µs，其幅值应在2.5～3.5 pu。
(2) 对现已投运但未发生损坏的电抗器极间，并接合适的氧化锌避雷器和小电阻串联支路。正常运行状况下，避雷器承受电压，近似开路，基本无功率损失，过电压发生时，避雷器和小电阻将过电压限制在电气设备允许的水平以下。
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