1 引言
冶金行业电力系统由于它的特殊环境,运行情况较为复杂,系统电压不太稳定,由于谐波的存在,系统过电压现象较为严重,特别是开断电炉变压器,单炉断路器动作次数20次 / 炉左右,每昼夜动作200次左右,平均日作业率95%以上,根据上述情况,选择一种什么样的断路器既安全,又可靠,探讨如下:
2 断路器的性能论述
2.1 真空断路器
在中压电网中,真空断路器的使用日益广泛,因为它较少发生爆炸,火灾事故。开断性能好,电寿命高。操作功小,机械寿命高,可频繁操作。使用安全,维护简单,使用中灭弧室无须检修,使用寿命长。但是事情是一分为二的,真空断路器在开断过程中的截流问题是一个严重的问题,从而限制了它的使用范围,截流问题几乎成为一个致命的缺陷。
2.1.1 真空断路器的截流现象及产生的原因
① 截流现象:在开断小电流真空电弧中,当电流从峰值下降到一定数值时,电弧呈稳定的 现象,当电流再小时即出现截流现象,电流提前过零,电弧熄灭。
图1 电流降到零点附近时发生振荡
（见图1)电流降到零点附近时发生振荡,最后在自然过零之前电流即被切断,开始振荡的电流Ib称为不稳定电流,电流被切断时的瞬时值Ij 称为截流值,在实际应用中,在切断小电感电流时要产生截流现象,并伴随有截流过电压。
② 产生截流的原因:定性的说:是当电流变小时,电流对电极加热不够,阴极班点放出的金属蒸汽粒子少,当放出的粒子密度在维持燃烧所必须的密度以下时,不能提供足够的金属蒸汽来维持电弧,电弧变成不稳定,电流波形出现振动,从而造成电弧突然熄灭,最后电流被截断。也可以说:真空断路器有较强的熄弧能力,它不需要电流过零熄弧,而是在电流过零之前几安培或者10—20安培就可以将电流突然截断,强制熄弧。
③ 影响真空断路器截流水平的因素有:
(a) 触头材料的饱合蒸汽压力,压力越高,截流值越小。压力越低,截流值越大。
(b) 触头材料的沸点T与导热系数 的乘积,乘积越大,截流值越高。
(c) 触头的运动速度,速度过高截流值也增大,因此刚分速度应在设计范围内。
近些年,我国在12千伏电压等级中真空管触头材料截流问题的严重性大为减小,截流值已降低到几安培以下,但40.5千伏电压等级中真空管触头材料改进不大,在切小电流时特别是感性电流仍然是非常严重的问题。
2.1.2 断路器开断感性负载时产生的操作过电压
真空断路器分断小电感电流负载(如电动机,空载变压器等)时,由于上述截流现象,却引发了截流过电压的产生,甚至继而引发多次重燃过电压。对此重点进行讨论:
⑴ 截流过电压
以空载变压器为例:变压器绕组是以感性为主,这种回路的电压电流是不能突变的,截流必然引起剧烈电磁振荡。当截流为Ij 时,负载特征阻抗为Z时,过电压的最大值Ucm为
Ucm=√U02+(IjZ)2
U0 —截流时电源电压瞬时值
据西安高压电器研究所现场实验结论:Ucm值约为运行电压的5—6倍,截流和断路器上的电压波形见图2。
1-开关电流i；2-开关上电压.Us为电弧电压、Uf为恢复电压；3-工频电流预期零点；4-电弧出现不稳定，但尚未出现截流；5-电弧再次出现不稳定，产生截流；6-由于电弧不稳定出现的振荡电流；7-截流值I；8-熄弧电压（Suppression Voltage）峰值；9-恢复电压（Recovery Voltage）峰值；10-电源电压
图2 截流的电流(上)和
开关上电压(下)波形
截流值的大小具有一定的分布特性,与开断时间,开断电流,回路参数,断路器的开断性能,触头材料等有关。因此:如果忽略诸多因素仅仅给出少量试验截流值并不能有效的反映断路器的截流水平。不同条件下测得的截流值也不能进行简单地比较。有些厂商在进行产品介绍时言称可将截流值控制在3—5安培以下,缺乏大量试验统计数据支持,也不够严谨。
截流过电压另一个特征是振荡频率极高:
式中L为(mH)毫亨级,C为(pF)皮法级,f可达几十千赫,振荡周期μS级,电流电压陡度超过的雷电波的陡度。据西安高压电器研究所现场测量f=(10—20)KHz。
⑵ 多次重燃过电压:
在真空断路器开断电炉变压器产生截流过电压之后,电炉变压器侧的电压幅值和频率都很高,而断路器触头间隙并不大,这时断路器在高的恢复电压作用下,触头有可能被击穿,电弧复燃。由于真空断路器的灭弧能力很强,复燃后的电弧又会熄灭,接着恢复电压再次加在间隙上。当恢复电压超过间隙介质强度时,电弧又会复燃。这一电弧熄灭,复燃再熄灭,再复燃的过程使得负载侧的电压越来越高,频率接近MHz级,持续时间1—2ms,直到触头间隙拉开超过1mm,足以耐受恢复电压为止。
这种现象引起的过电压称为多次复燃过电压,或广义的称为多次重燃过电压。(复燃系指电流过零后1/4周期内触头间隙的击穿,重击穿系指电流过零后大于1/4周期内触头间隙的击穿,而重燃则包括复燃和重击穿两种现象),这种多次重燃过电压发生的概率并不大它只要发生在开断时电流相角很小电流过零时触头间隙并不大,恢复电压较高的情况下。但一旦出现,很有可能给电炉变压器匝间绝缘带来损坏。因此对多次重燃过电压不能掉以轻心。
以上介绍的真空断路器开断感性负载产生的两种类型过电压结伴而生,却有一个共同的特点,就是幅值高,频率高(因而陡度高),相间过电压比相对地高30%~50%,而能量并不大。
带有绕组的电器设备,如电动机,电炉变压器绕组在承受匝间的电位梯度由其电感和电流陡度决定,即L′di/dt 由于陡度极大,因而匝间电位梯度极高。再者,整个绕组各个匝间的电位分布是不同的,各匝对地(铁芯)之间的电容不均匀,一般靠近电源侧的几匝要比靠近中性点的几匝电位要高出许多,现场许多事故实例都证明,在真空断路器操作过电压作用下,高电压电动机和电炉变压器的损坏部分大多集中在进线端的匝间。这也说明,造成带电绕组电器设备绝缘事故的原因,“高频”大于“高幅值”。“高频率”是杀手。
另外,真空断路器本身在开断过程中也发生过事故。其一,断路器真空泡外沿闪路。这种现象常发生在断路器的电源侧也会出现一个高频振荡过电压,电源中性点电位也会偏移。其二,断路器因故较长时间都不能熄弧,真空泡也会爆炸。
2.1.3 断路器在“关合”感性负载时产生的操作过电压
真空断路器在“关合”时也会出现类似“开断”过程的过电压,主要原因是断路器在关合过程中有“弹跳”现象。触头接通后又分开,多次的“弹跳”相当于经历了多次的开断。有统计表明,关合过电压出现的次数要大于开断过电压出现的次数。
综上所述:真空断路器在关合和开断过程中产生的过电压问题是一个严重的问题,很可能给带自绕组的电器如:电动机,变压器的匝间绝缘造成损坏,过电压问题几乎成为(在开断电炉变压器中)一个致命的缺陷。因此,对用真空断路控制电炉变压器产生的过电压不能掉以轻心。
2.2 六氟化硫(SF6)断路器
2.2.1 SF6气体的电气性能
绝缘性能:在相同压力和温度下,SF6绝缘能力(击穿强度)为空气的2-3倍,在三个大气压下与变压器油相等。
灭弧性能:SF6气体灭弧能力约为空气的100倍,特别适用于高电压大电流的开断。
2.2.2 SF6断路器性能特点(以旋弧自能式为例)
① 开断性能好,断路器采用SF6气体自能气吹为主,旋弧加小压气为辅的灭弧原理,试验证明此种灭弧室开断大小电流的燃弧时间均较短。
② 自能灭弧室在开断小电感电流时,不易产生截流现象,故不产生过电压,其特性适于切空载变压器和高压电机。
③ 切电容器组性能优越,曾按GB1984-2003标准检验800A单个电容器组开合试验:按BC2试验方式“CO”120次。160A单个电容器组开合试验按BC1试验方式“CO”48,无一次重燃。
④ 断路器的分闸速度低,所需合闸功小,机械可靠性高,寿命长,其机械寿命和开断额定电流电寿命达万次以上,适用于频繁操作场合。
⑤ 参数设计配合恰当,具有较长的燃弧区间,所以开断异相接地故障性能好。
⑥ 由于弧根在动静触头表面是旋转的,故触头烧损轻微、均匀,断路器使用寿命长,维修工作量小,不检修周期长,机械寿命和开断额定电流达1万次以上。
表1 40.5KV各类断路器性能比较
⑦ SF6断路器配置弹簧机构或电磁机构,其结构简单,操作可靠,维修方便,非常适用于频繁操作场合。
2.2.3 SF6断路器为什么不会产生截流过电压
SF6断路器最大特点是在开断小电流时无截流过电压产生,因此特别适用于开断小电感电流及切合电容器组,那么为什么SF6断路器不会产生危险的截流过电压呢？由于SF6气体中电弧电流在下降过零时,虽然在零后有很高的介质恢复速度,但在电流过零前尚存在一明亮的弧柱,其直径随电流稳定地缩小,表现弧电压低,在电流趋近于零时,弧柱截面突然变小,并能维持稳定的细小弧柱,这一弧柱的热惯性小,相应的热时间常数也小,这就是说无论在零前多么短时间段内,都可考虑SF6中的电弧在似稳定状态,这就说明了弧柱的导电部分可以保持到任何小的电流,以至几乎到零,因此,根本就不会出现截流现象,所以也就没有过电压产生。
3 真空与SF6断路器的性能比较
目前中压领域特别是40.5KV电压等级SF6断路器市场占有率有明显上升趋势,因为SF6密封技术大有进步,工艺制造水平已经掌握,并大大提高,外形设计改进较大,大为美观,SF6断路器最大优势是开断小电感电流及容性电流时无截流过电压,而国内真空断路器在开断小电流技术上没有改进或改进不大,特别是40.5KV真空截流过电压成为一个致命的缺陷,开断中会造成严重事故,近年来国电公司高压开关事故通报中有报导。
多年来,SF6断路器在我国冶金、化工、电石行业广泛使用,特别是控制炼钢炉受到用户的青睐,选择SF6断路器解决了操作过电压难题。并解决了频繁操作难题,提高了生产效率。
4 结束语
综上所述,目前变电站选用真空断路器多于SF6断路器。开合电炉变压器及切合电容器组,选用SF6断路器占明显优势,目前我国冶金行业电弧炉多为50T以下,电炉变压器容量45000KVA以下,电流属电感电流,SF6断路器恰好在开断电感电流有它独道之处,因此SF6断路器特别适用于切合电炉变压器。考虑到电炉变压器每天开合次数较多,最好选用SF6断路器配电磁机构更好。因为,电磁机构结构简单,运行可靠,易维护,10000次内不检修。目前在我国冶金行业,控制电炉变压器选用SF6断路器配电磁机构是一种非常理想的不检修电器产品。
参考文献:
[1] 华中工学院.刘绍峻编<<高压电器>>[M].北京:机械工业出版社.1982.
[2] 福建省福建市茜安水电处.金秋生<<配电网内过电压的产生及防范>>[J].电气世界2002(2):22-28.
[3] 西安高压电器研究所.王晋根<<中压配电设备选择原则探讨>>[J].电气世界2002(8):8-15.