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1、冶炼炉用高压真空开关截流过电压问题分析及探讨东芝白云真空开关管（锦州）有限公司 常玉斌摘要：由于近年来冶炼厂频繁发生因截流过电压造成真空灭弧室炸裂事故，本文首先简述截流过电压的产生及危害，然后通过冶炼行业广泛使用的40.5kV高压真空开关典型截流过电压事故的分析，探讨一些相关的解决对策。关键词：高压真空开关 小电感电流 截流过电压1.概述近年来，由于各地冶炼行业的迅猛发展，高压真空开关在控制、保护冶炼炉的应用方面发展很快。但是，由于一些冶炼厂对高压真空开关截流过电压的产生及危害认识不足，对高压真空开关的性能了解得较少，在高压真空开关的使用方面存在着一些误区，致使一些绝缘事故频繁发生。本文首先简
2、述截流过电压的产生及危害，然后通过冶炼行业广泛使用的40.5kV高压真空开关典型截流过电压事故的分析，探讨一些相关的解决对策。2.截流过电压的产生及危害截流现象是高压开关开断各种小电流时出现的普遍现象，在开断小电流过程中，由于高压开关相对的灭弧能力强，电弧电流不是通过工频的零点熄弧而是电弧似乎从某一电流值几乎下降到零而熄灭。真空开关也同样存在着开断小电流时的截流现象，只是产生的机理不同。真空开关截流是由于小电流真空电弧不稳定造成的，有关小电流真空电弧不稳定性机理比较一致的解释是基于阴极斑点能量平衡的破坏和金属蒸汽不足造成的1。高压真空开关开断电阻性和电阻电感性电流比较容易，燃弧时间短，不会产生
3、危险的过电压,而在开断小电感电流,如开断带感性负载的变压器、无载变压器、并联电抗器和高压电动机则会引起严重的截流过电压。截流过电压的大小主要取决于真空开关的截流值，截流值的大小既和开断电流、电路参数等外部条件有关，也和真空灭弧室的触头材料、真空断路器的机械特性等真空开关的自身因素有关。高压真空开关开断小电感电流产生的截流过电压对电网和电力设备危害很大，较高的截流过电压是电网过电压的来源之一。对不同等级的电网，允许的过电压倍数不同，高压真空开关工作的中压领域372.5kV等级电网允许的过电压倍数为4.01。在高压真空开关工作的372.5kV等级中压系统，使用截流值较高的真空断路器开断无载变压器，
4、特别是热压硅钢片铁芯变压器，由于激磁电流大，会导致很高的过电压，危及变压器及其它电力设备的绝缘安全。对于一些频繁操作的变压器，如冶炼厂的电炉变压器（一般还带有电感量很大的感性负载），根据生产过程，开关每天需要开合几十次，这样，幅值虽然不是很高，但次数很多的过电压会对设备的绝缘产生累积效应，从而加速设备绝缘的老化。过电压对电力设备绝缘的危害程度不只决定于过电压倍数的高低，过电压上升的时间也是一个因素，特别是对变压器等带绕组的设备，击穿电压对上升时间十分敏感。过电压一般是指对地电压，对地电压过高会造成对地绝缘击穿。但在有些情况下，相邻两相间会同时出现极性相反的过电压，此时相间电压为两相对地电压之和
5、，从而使相间过电压倍数很高，造成对相间绝缘的威胁。图1为高压真空开关开断感性负载时，在B、C两相出现极性不同的对地过电压，从而导致更高的相间过电压的波形1实践证明，高压真空开关在开断小电感电流时，由过电压问题造成的绝缘事故时有发生，如果抑制措施不利，不仅对电网及电力设备造成损害，也常造成控制保护用真空断路器中真空灭弧室的炸裂，使事故范围扩大。3.冶炼炉用40.5kV高压真空开关典型截流过电压事故分析2004年2月，内蒙某钼锰冶炼厂控制保护40.5kV电炉变压器出线柜内A、B两相真空灭弧室在开断过程中炸裂烧毁。技术服务人员到达现场后，首先对真空灭弧室的烧损状态进行了分析：真空灭弧室的瓷壳炸裂，中
6、间屏蔽罩彻底烧毁，触头没有任何烧蚀，几乎没有开断的痕迹。进一步观察，发现动端波纹管和波纹管保护罩一侧烧毁，静端保护罩对应的另一侧烧毁。根据这一现象，真空灭弧室厂家技术服务人员基本判定事故不是由于真空灭弧室的漏气造成的，事故起因与真空灭弧室无关。其判定原因为：首先，如果真空灭弧室漏气，开断过程中将会因不熄弧而首先烧毁触头，其次才能烧漏中间屏蔽罩和瓷壳，而这一事故中触头完好无损，说明事故不是来自于真空灭弧室内部；其次，从动端波纹管和波纹管保护罩及静端保护罩的烧毁现象可以判断，由于外部原因使真空灭弧室瓷壳炸裂，进而造成挂在瓷壳上的中间屏蔽罩倾斜使动端保护罩和静端保护罩短路；第三，我国40.5kV及以
7、下电网和配电系统普遍采用中性点不接地方式，如果开断时有一只真空灭弧室漏气不熄弧，另两只也能完成开断任务。除非有两只真空灭弧室同时漏气造成两相同时不能开断而烧毁真空灭弧室，但该控制系统安装后运行尚不到半个月，两只真空灭弧室同时漏气的几率几乎不存在。进一步了解控制保护单元的配置及负载情况如图2，出线柜（内配ZN23断路器）所控制、保护的负载为带感性负载的变压器，其中负载为高频感应加热炉，额定工作电流为200A，电炉变压器初级电压为40.5kV，次级为120V。由于负载的电感量很大（功率因素只有0.5），因此为补偿无功功率，在出线柜和电炉变压器之间装置了电容器柜。从控制保护单元的配置及负载情况看，这
8、是一起典型的高压真空开关开断小电感电流产生截流过电压而引发的绝缘事故。该控制、保护单元只注重预防来自电网的过电压，在进线柜出线端加装了避雷器柜，而在出线柜后没有任何过电压保护措施，因而对开断小电感电流时自身产生的过电压没有任何的防范能力。4.解决对策及探讨高压真空开关开断小电感电流时，由于电弧的不稳定会出现因截流而产生的过电压。解决这一问题有两个途径，一是抑制截流过电压，二是降低截流过电压。减小截流值能降低截流过电压，但影响截流值的因素很多，它几乎涉及到真空灭弧室的触头材料、真空断路器的机械特性、开断电流的大小和电路参数等各个方面。因此，降低或抑制截流过电压，要从不同的角度、不同的方式去考虑，
9、需要不同领域的技术人员的共同努力。4.1常规的保护方法高压真空开关开断小电感电流时出现的截流过电压通常出现在负载侧，电源侧过电压很低1。因此，目前常用的有效的保护措施是在高压真空开关的负载侧加装过电压保护装置，将过电压抑制在一定范围之内。目前常用的抑制过电压的方法有两种，一种方法是加装氧化锌避雷器，另一种方法是加装阻容吸收保护装置，见图3。氧化锌避雷器是由很多氧化锌电阻片组成，片的数量由电压决定。氧化锌电阻片具有良好的非线性伏安特性，当避雷器加上正常工作电压时，阀片中只有很小的泄漏电流（微安级）通过。出现过电压时，避雷器中有很大的电流流过，但电压却被限制在一定范围之内。阻容保护装置的工作原理是
10、由电阻R和电容C串联后并联在负载进线端，可按图3（b）连接在真空开关负载侧的每一相与地之间。氧化锌避雷器只能限制过电压的幅值而不能延缓过电压的上升陡度，另外，氧化锌避雷器还有放电次数的限制，适用于操作不太频繁的场合。阻容保护装置中的电容器既可以减缓过电压的上升陡度，又可以降低负载的波阻抗从而降低过电压值。而电阻R的作用是消耗截流后电路残存的能量，可以抑制过电压的峰值。与氧化锌避雷器相比，阻容吸收装置尺寸较大，成本偏高。鉴于控制、保护冶炼炉断路器的特殊工作方式（带感性负载的变压器、频繁操作），笔者建议尽量选用阻吸收容保护装置，而且要根据被保护电路的不同工况进行参数计算。4.2开发低截流值的真空灭
11、弧室40.5kV真空断路器控制、保护冶炼炉使用很广泛，因截流过电压造成真空灭弧室外绝缘闪络使真空灭弧室炸裂事件时有发生，已成为冶炼行业使用40.5kV真空断路器的一个突出问题。目前常用的抑制截流过电压的两种方法加装氧化锌避雷器和阻容保护装置确实在很大程度上起到了保护作用，但并没有从根本上降低截流值从而降低截流过电压。而且，在实际应用中，即使加装了过电压保护装置，由于过电压的陡度、幅值、出现的频繁程度及过电压保护装置自身的问题等不同因素，类似的绝缘事故也不能完全避免。因此，对于金属冶炼这一特殊行业，从长远的角度考虑，不能仅仅局限于按常规加装氧化锌避雷器和阻容保护装置，尚需寻求更可靠有效的措施。作
12、为真空灭弧室的制造厂家，开发适合于控制、保护冶炼炉用低截流值的真空灭弧室已迫在眉睫。目前真空断路器使用的触头材料基本为CuCr合金（CuCr25或CuCr50）， CuCr合金是现代真空灭弧室制造技术中应用最广最成功的触头材料，它具有开断能力强、耐压水平高等许多优点，但这种材料截流值较高，所以近年来降低CuCr材料的截流水平一直是真空灭弧室制造技术中亟待解决的问题。有研究部门与制造单位已在开发用于低截流真空灭弧室的多元合金触头材料，但目前的研究还不能同时解决大电流开断、断口耐压和截流问题2。真空灭弧室厂家开发冶炼炉专用真空灭弧室，其设计思路要充分考虑开断小电感电流和频繁操作这两个因素，尽量选择
13、低截流值的触头材料和优质的波纹管材料，通过优化电场分布、改进触头、线圈和波纹管的设计结构、提高零件加工质量、完善灭弧室生产工艺，生产出截流值低、机械寿命长、抗击穿能力强、开断性能好的真空灭弧室，满足控制、保护冶炼炉的特殊使用要求。5.结论因截流过电压造成真空灭弧室外绝缘闪络使真空灭弧室炸裂已成为冶炼行业使用40.5kV真空断路器的一个突出问题。由于截流过电压的产生牵涉的方面很多，降低和抑制截流过电压需要制造和使用真空开关的各个领域的技术人员的共同努力。常规的抑制方法是在真空断路器的出线端加装氧化锌避雷器和阻容吸收保护装置。与氧化锌避雷器相比，阻容吸收保护装置虽然尺寸偏大、成本偏高，但由于其既可以抑制过电压的峰值，又可减缓过电压的上升陡度，所以更适合于保护冶炼炉这一特殊用途。研究部门和真空灭弧室厂家要尽快开发出截流值低、机械寿命长、抗击穿能力强、开断性能好的冶炼炉专用真空灭弧室。参考文献1.钱家骊、张节容、古嘉琴等高压开关开合电容电流和小电感电流，中国电力出版社，1999.2.元复兴现代真空灭弧室技术，高压开关行业通讯，2005 第3期作者简介常玉斌，男，1964年出生，教授级高级工程师。
