1 引言
冶金行業(yè)電力系統(tǒng)由于它的特殊環(huán)境,運(yùn)行情況較為復(fù)雜,系統(tǒng)電壓不太穩(wěn)定,由于諧波的存在,系統(tǒng)過(guò)電壓現(xiàn)象較為嚴(yán)重,特別是開(kāi)斷電爐變壓器,單爐斷路器動(dòng)作次數(shù)20次 / 爐左右,每晝夜動(dòng)作200次左右,平均日作業(yè)率95%以上,根據(jù)上述情況,選擇一種什么樣的斷路器既安全,又可靠,探討如下:
2 斷路器的性能論述
2.1 真空斷路器
在中壓電網(wǎng)中,真空斷路器的使用日益廣泛,因?yàn)樗^少發(fā)生爆炸,火災(zāi)事故。開(kāi)斷性能好,電壽命高。操作功小,機(jī)械壽命高,可頻繁操作。使用安全,維護(hù)簡(jiǎn)單,使用中滅弧室無(wú)須檢修,使用壽命長(zhǎng)。但是事情是一分為二的,真空斷路器在開(kāi)斷過(guò)程中的截流問(wèn)題是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題,從而限制了它的使用范圍,截流問(wèn)題幾乎成為一個(gè)致命的缺陷。
2.1.1 真空斷路器的截流現(xiàn)象及產(chǎn)生的原因
① 截流現(xiàn)象:在開(kāi)斷小電流真空電弧中,當(dāng)電流從峰值下降到一定數(shù)值時(shí),電弧呈穩(wěn)定的 現(xiàn)象,當(dāng)電流再小時(shí)即出現(xiàn)截流現(xiàn)象,電流提前過(guò)零,電弧熄滅。
圖1 電流降到零點(diǎn)附近時(shí)發(fā)生振蕩
（見(jiàn)圖1)電流降到零點(diǎn)附近時(shí)發(fā)生振蕩,最后在自然過(guò)零之前電流即被切斷,開(kāi)始振蕩的電流Ib稱為不穩(wěn)定電流,電流被切斷時(shí)的瞬時(shí)值Ij 稱為截流值,在實(shí)際應(yīng)用中,在切斷小電感電流時(shí)要產(chǎn)生截流現(xiàn)象,并伴隨有截流過(guò)電壓。
② 產(chǎn)生截流的原因:定性的說(shuō):是當(dāng)電流變小時(shí),電流對(duì)電極加熱不夠,陰極班點(diǎn)放出的金屬蒸汽粒子少,當(dāng)放出的粒子密度在維持燃燒所必須的密度以下時(shí),不能提供足夠的金屬蒸汽來(lái)維持電弧,電弧變成不穩(wěn)定,電流波形出現(xiàn)振動(dòng),從而造成電弧突然熄滅,最后電流被截?cái)唷Ｒ部梢哉f(shuō):真空斷路器有較強(qiáng)的熄弧能力,它不需要電流過(guò)零熄弧,而是在電流過(guò)零之前幾安培或者10—20安培就可以將電流突然截?cái)?強(qiáng)制熄弧。
③ 影響真空斷路器截流水平的因素有:
(a) 觸頭材料的飽合蒸汽壓力,壓力越高,截流值越小。壓力越低,截流值越大。
(b) 觸頭材料的沸點(diǎn)T與導(dǎo)熱系數(shù) 的乘積,乘積越大,截流值越高。
(c) 觸頭的運(yùn)動(dòng)速度,速度過(guò)高截流值也增大,因此剛分速度應(yīng)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
近些年,我國(guó)在12千伏電壓等級(jí)中真空管觸頭材料截流問(wèn)題的嚴(yán)重性大為減小,截流值已降低到幾安培以下,但40.5千伏電壓等級(jí)中真空管觸頭材料改進(jìn)不大,在切小電流時(shí)特別是感性電流仍然是非常嚴(yán)重的問(wèn)題。
2.1.2 斷路器開(kāi)斷感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓
真空斷路器分?jǐn)嘈‰姼须娏髫?fù)載(如電動(dòng)機(jī),空載變壓器等)時(shí),由于上述截流現(xiàn)象,卻引發(fā)了截流過(guò)電壓的產(chǎn)生,甚至繼而引發(fā)多次重燃過(guò)電壓。對(duì)此重點(diǎn)進(jìn)行討論:
⑴ 截流過(guò)電壓
以空載變壓器為例:變壓器繞組是以感性為主,這種回路的電壓電流是不能突變的,截流必然引起劇烈電磁振蕩。當(dāng)截流為Ij 時(shí),負(fù)載特征阻抗為Z時(shí),過(guò)電壓的最大值Ucm為
Ucm=√U02+(IjZ)2
U0 —截流時(shí)電源電壓瞬時(shí)值
據(jù)西安高壓電器研究所現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論:Ucm值約為運(yùn)行電壓的5—6倍,截流和斷路器上的電壓波形見(jiàn)圖2。
1-開(kāi)關(guān)電流i；2-開(kāi)關(guān)上電壓.Us為電弧電壓、Uf為恢復(fù)電壓；3-工頻電流預(yù)期零點(diǎn)；4-電弧出現(xiàn)不穩(wěn)定，但尚未出現(xiàn)截流；5-電弧再次出現(xiàn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生截流；6-由于電弧不穩(wěn)定出現(xiàn)的振蕩電流；7-截流值I；8-熄弧電壓（Suppression Voltage）峰值；9-恢復(fù)電壓（Recovery Voltage）峰值；10-電源電壓
圖2 截流的電流(上)和
開(kāi)關(guān)上電壓(下)波形
截流值的大小具有一定的分布特性,與開(kāi)斷時(shí)間,開(kāi)斷電流,回路參數(shù),斷路器的開(kāi)斷性能,觸頭材料等有關(guān)。因此:如果忽略諸多因素僅僅給出少量試驗(yàn)截流值并不能有效的反映斷路器的截流水平。不同條件下測(cè)得的截流值也不能進(jìn)行簡(jiǎn)單地比較。有些廠商在進(jìn)行產(chǎn)品介紹時(shí)言稱可將截流值控制在3—5安培以下,缺乏大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支持,也不夠嚴(yán)謹(jǐn)。
截流過(guò)電壓另一個(gè)特征是振蕩頻率極高:
式中L為(mH)毫亨級(jí),C為(pF)皮法級(jí),f可達(dá)幾十千赫,振蕩周期μS級(jí),電流電壓陡度超過(guò)的雷電波的陡度。據(jù)西安高壓電器研究所現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量f=(10—20)KHz。
⑵ 多次重燃過(guò)電壓:
在真空斷路器開(kāi)斷電爐變壓器產(chǎn)生截流過(guò)電壓之后,電爐變壓器側(cè)的電壓幅值和頻率都很高,而斷路器觸頭間隙并不大,這時(shí)斷路器在高的恢復(fù)電壓作用下,觸頭有可能被擊穿,電弧復(fù)燃。由于真空斷路器的滅弧能力很強(qiáng),復(fù)燃后的電弧又會(huì)熄滅,接著恢復(fù)電壓再次加在間隙上。當(dāng)恢復(fù)電壓超過(guò)間隙介質(zhì)強(qiáng)度時(shí),電弧又會(huì)復(fù)燃。這一電弧熄滅,復(fù)燃再熄滅,再?gòu)?fù)燃的過(guò)程使得負(fù)載側(cè)的電壓越來(lái)越高,頻率接近MHz級(jí),持續(xù)時(shí)間1—2ms,直到觸頭間隙拉開(kāi)超過(guò)1mm,足以耐受恢復(fù)電壓為止。
這種現(xiàn)象引起的過(guò)電壓稱為多次復(fù)燃過(guò)電壓,或廣義的稱為多次重燃過(guò)電壓。(復(fù)燃系指電流過(guò)零后1/4周期內(nèi)觸頭間隙的擊穿,重?fù)舸┫抵鸽娏鬟^(guò)零后大于1/4周期內(nèi)觸頭間隙的擊穿,而重燃則包括復(fù)燃和重?fù)舸﹥煞N現(xiàn)象),這種多次重燃過(guò)電壓發(fā)生的概率并不大它只要發(fā)生在開(kāi)斷時(shí)電流相角很小電流過(guò)零時(shí)觸頭間隙并不大,恢復(fù)電壓較高的情況下。但一旦出現(xiàn),很有可能給電爐變壓器匝間絕緣帶來(lái)?yè)p壞。因此對(duì)多次重燃過(guò)電壓不能掉以輕心。
以上介紹的真空斷路器開(kāi)斷感性負(fù)載產(chǎn)生的兩種類(lèi)型過(guò)電壓結(jié)伴而生,卻有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是幅值高,頻率高(因而陡度高),相間過(guò)電壓比相對(duì)地高30%~50%,而能量并不大。
帶有繞組的電器設(shè)備,如電動(dòng)機(jī),電爐變壓器繞組在承受匝間的電位梯度由其電感和電流陡度決定,即L′di/dt 由于陡度極大,因而匝間電位梯度極高。再者,整個(gè)繞組各個(gè)匝間的電位分布是不同的,各匝對(duì)地(鐵芯)之間的電容不均勻,一般靠近電源側(cè)的幾匝要比靠近中性點(diǎn)的幾匝電位要高出許多,現(xiàn)場(chǎng)許多事故實(shí)例都證明,在真空斷路器操作過(guò)電壓作用下,高電壓電動(dòng)機(jī)和電爐變壓器的損壞部分大多集中在進(jìn)線端的匝間。這也說(shuō)明,造成帶電繞組電器設(shè)備絕緣事故的原因,“高頻”大于“高幅值”。“高頻率”是殺手。
另外,真空斷路器本身在開(kāi)斷過(guò)程中也發(fā)生過(guò)事故。其一,斷路器真空泡外沿閃路。這種現(xiàn)象常發(fā)生在斷路器的電源側(cè)也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)高頻振蕩過(guò)電壓,電源中性點(diǎn)電位也會(huì)偏移。其二,斷路器因故較長(zhǎng)時(shí)間都不能熄弧,真空泡也會(huì)爆炸。
2.1.3 斷路器在“關(guān)合”感性負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓
真空斷路器在“關(guān)合”時(shí)也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似“開(kāi)斷”過(guò)程的過(guò)電壓,主要原因是斷路器在關(guān)合過(guò)程中有“彈跳”現(xiàn)象。觸頭接通后又分開(kāi),多次的“彈跳”相當(dāng)于經(jīng)歷了多次的開(kāi)斷。有統(tǒng)計(jì)表明,關(guān)合過(guò)電壓出現(xiàn)的次數(shù)要大于開(kāi)斷過(guò)電壓出現(xiàn)的次數(shù)。
綜上所述:真空斷路器在關(guān)合和開(kāi)斷過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓?jiǎn)栴}是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題,很可能給帶自繞組的電器如:電動(dòng)機(jī),變壓器的匝間絕緣造成損壞,過(guò)電壓?jiǎn)栴}幾乎成為(在開(kāi)斷電爐變壓器中)一個(gè)致命的缺陷。因此,對(duì)用真空斷路控制電爐變壓器產(chǎn)生的過(guò)電壓不能掉以輕心。
2.2 六氟化硫(SF6)斷路器
2.2.1 SF6氣體的電氣性能
絕緣性能:在相同壓力和溫度下,SF6絕緣能力(擊穿強(qiáng)度)為空氣的2-3倍,在三個(gè)大氣壓下與變壓器油相等。
滅弧性能:SF6氣體滅弧能力約為空氣的100倍,特別適用于高電壓大電流的開(kāi)斷。
2.2.2 SF6斷路器性能特點(diǎn)(以旋弧自能式為例)
① 開(kāi)斷性能好,斷路器采用SF6氣體自能氣吹為主,旋弧加小壓氣為輔的滅弧原理,試驗(yàn)證明此種滅弧室開(kāi)斷大小電流的燃弧時(shí)間均較短。
② 自能滅弧室在開(kāi)斷小電感電流時(shí),不易產(chǎn)生截流現(xiàn)象,故不產(chǎn)生過(guò)電壓,其特性適于切空載變壓器和高壓電機(jī)。
③ 切電容器組性能優(yōu)越,曾按GB1984-2003標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)800A單個(gè)電容器組開(kāi)合試驗(yàn):按BC2試驗(yàn)方式“CO”120次。160A單個(gè)電容器組開(kāi)合試驗(yàn)按BC1試驗(yàn)方式“CO”48,無(wú)一次重燃。
④ 斷路器的分閘速度低,所需合閘功小,機(jī)械可靠性高,壽命長(zhǎng),其機(jī)械壽命和開(kāi)斷額定電流電壽命達(dá)萬(wàn)次以上,適用于頻繁操作場(chǎng)合。
⑤ 參數(shù)設(shè)計(jì)配合恰當(dāng),具有較長(zhǎng)的燃弧區(qū)間,所以開(kāi)斷異相接地故障性能好。
⑥ 由于弧根在動(dòng)靜觸頭表面是旋轉(zhuǎn)的,故觸頭燒損輕微、均勻,斷路器使用壽命長(zhǎng),維修工作量小,不檢修周期長(zhǎng),機(jī)械壽命和開(kāi)斷額定電流達(dá)1萬(wàn)次以上。
表1 40.5KV各類(lèi)斷路器性能比較
⑦ SF6斷路器配置彈簧機(jī)構(gòu)或電磁機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作可靠,維修方便,非常適用于頻繁操作場(chǎng)合。
2.2.3 SF6斷路器為什么不會(huì)產(chǎn)生截流過(guò)電壓
SF6斷路器最大特點(diǎn)是在開(kāi)斷小電流時(shí)無(wú)截流過(guò)電壓產(chǎn)生,因此特別適用于開(kāi)斷小電感電流及切合電容器組,那么為什么SF6斷路器不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的截流過(guò)電壓呢？由于SF6氣體中電弧電流在下降過(guò)零時(shí),雖然在零后有很高的介質(zhì)恢復(fù)速度,但在電流過(guò)零前尚存在一明亮的弧柱,其直徑隨電流穩(wěn)定地縮小,表現(xiàn)弧電壓低,在電流趨近于零時(shí),弧柱截面突然變小,并能維持穩(wěn)定的細(xì)小弧柱,這一弧柱的熱慣性小,相應(yīng)的熱時(shí)間常數(shù)也小,這就是說(shuō)無(wú)論在零前多么短時(shí)間段內(nèi),都可考慮SF6中的電弧在似穩(wěn)定狀態(tài),這就說(shuō)明了弧柱的導(dǎo)電部分可以保持到任何小的電流,以至幾乎到零,因此,根本就不會(huì)出現(xiàn)截流現(xiàn)象,所以也就沒(méi)有過(guò)電壓產(chǎn)生。
3 真空與SF6斷路器的性能比較
目前中壓領(lǐng)域特別是40.5KV電壓等級(jí)SF6斷路器市場(chǎng)占有率有明顯上升趨勢(shì),因?yàn)镾F6密封技術(shù)大有進(jìn)步,工藝制造水平已經(jīng)掌握,并大大提高,外形設(shè)計(jì)改進(jìn)較大,大為美觀,SF6斷路器最大優(yōu)勢(shì)是開(kāi)斷小電感電流及容性電流時(shí)無(wú)截流過(guò)電壓,而國(guó)內(nèi)真空斷路器在開(kāi)斷小電流技術(shù)上沒(méi)有改進(jìn)或改進(jìn)不大,特別是40.5KV真空截流過(guò)電壓成為一個(gè)致命的缺陷,開(kāi)斷中會(huì)造成嚴(yán)重事故,近年來(lái)國(guó)電公司高壓開(kāi)關(guān)事故通報(bào)中有報(bào)導(dǎo)。
多年來(lái),SF6斷路器在我國(guó)冶金、化工、電石行業(yè)廣泛使用,特別是控制煉鋼爐受到用戶的青睞,選擇SF6斷路器解決了操作過(guò)電壓難題。并解決了頻繁操作難題,提高了生產(chǎn)效率。
4 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述,目前變電站選用真空斷路器多于SF6斷路器。開(kāi)合電爐變壓器及切合電容器組,選用SF6斷路器占明顯優(yōu)勢(shì),目前我國(guó)冶金行業(yè)電弧爐多為50T以下,電爐變壓器容量45000KVA以下,電流屬電感電流,SF6斷路器恰好在開(kāi)斷電感電流有它獨(dú)道之處,因此SF6斷路器特別適用于切合電爐變壓器。考慮到電爐變壓器每天開(kāi)合次數(shù)較多,最好選用SF6斷路器配電磁機(jī)構(gòu)更好。因?yàn)?電磁機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,易維護(hù),10000次內(nèi)不檢修。目前在我國(guó)冶金行業(yè),控制電爐變壓器選用SF6斷路器配電磁機(jī)構(gòu)是一種非常理想的不檢修電器產(chǎn)品。
