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断路器断开空载变压器的过电压限制

来源:电工天下   编辑:小电工发布时间:2019-12-19 09:56:19

有关断路器断开空载变压器的过电压限制的方法,切空载变过电压产生原理,包括直流过电压的产生原理,切空载变截流过电压中的重燃,切空载变截流过电压计算,限制截流过电压的措施等。

空载变压器的过电压限制

真空断路器较其他断路器的优点:机械寿命长、尺寸小、重量轻、无火灾危险,最初用在需经常操作的地方和有防爆要求的地方。

近年来,随着经济的增长,高层建筑负荷的增长,防火要求的提高,真空开关的应用有了迅速的发展。

真空开关在切断空载变压器回路时会产生较高的过电压,大大超过变压器的绝缘水平,因此需要进行过电压保护。

参考有关试验数据,对真空开关开断空载变压器时,产生过电压的原理及几种过电压保护装置的保护原理进行分析和探讨。

1切空载变过电压产生原理

1.1 截流过电压产生原理

截流过电压是指真空开关开断空载变压器的小电感电流时,由于真空开关的强分断能力,出现电流在未到达自然零点前被强行开断的现象。这主要是由于电弧电流较小时,阴极斑点提供的金属蒸汽不够充分和稳定引起的。真空电弧主要由电极在分断瞬间受热引起金属蒸发而形成。电弧使电极表面出现一些斑点,这些斑点上的金属会不断熔化和蒸发来维持真空电弧。

开断大电流时,金属蒸汽充分蒸发,电弧比较稳定,是在工频电流自然过零时断弧。试验证明,开断几百至几千安的交流电流时,一般不会发生截流现象。开断小电流时,如空载变压器激磁电流(一般只有额定电流的0.6%~2%)。由于弧柱扩散速度太快,阴极斑点附近的金属蒸汽压力和温度剧降,使金属质点的蒸发不能维持弧柱的扩散,造成电流到达零点之前的某一瞬时值Ij时发生强制熄弧即截流(如图2)。

如图1,C为变压器对地等效电容,L为变压器励磁电感。假定截流在i=Ij时发生,即Ij=Imsinα,由于截流,使回路中电流变化率di/dt很大,电感上的压降UL=Ldi/dt很大,形成过电压。从能量角度阐述,截流瞬间,绕阻中储有磁场能量LI2j/2,在电容中储有电场能量,这些储存的能量在L-C回路中振荡,振荡频率f0=,由于C值一般很小,所以当全部储能都转化为电场能的瞬间,在电容C上将出现很高的过电压,即截流过电压。最大的过电压为Z为特性阻抗,ηm为转化系数。

1.2 切空载变截流过电压中的重燃

实际上,切空载变压器时,刚截流的初始阶段,触头分开距离很短,触头间介电强度很有限,并按一定的速度逐渐增长,而恢复电压却因高频振荡升高得很快,恢复场强等于介电强度时,发生第一次重燃。C上的电荷通过C~K~CS回路进行高频放电,其储能迅速消耗掉,C上电压迅速降低到电源电压U0。当再次断弧时,在高频放电时间内,因部分能量已被消耗掉,故此时的电感电流及其总磁场能比原来小一些,第二次恢复电压的幅值也比第一次小一些。接下来电弧的多次重燃使得电感中的储能越来越小,限制了最大可能的过电压,实测也证实了这一点。

由文献〔1〕可知,当空载变压器从一侧分闸而引起过电压时,由于主磁通穿过整个铁芯,其他各个绕组也会按变比关系感应出同样倍数的过电压。由于高压绕组绝缘裕度较中低压侧小,故从中低压侧分闸的截流过电压对高压绕组的威胁更应引起注意。

2 切空载变截流过电压计算

真空开关开断一台空载状态的S9-500/10变压器,I0%=1.2,每相对地电容C=5000pF,ηm取0.4。计算如下:(I0小于1A时,取Ij=I0;I0大于1A时,取Ij=1A)

一般油浸变压器,通常过电压不会很高,但其耐电强度高,杂散电容大,通常过电压不会产生很大危害;但对耐冲击强度不高的干式变压器或需频繁操作的电弧炉变压器来说,会产生较高的有害过电压,应特别防护。由文献〔2〕可知,一般变压器容量越小,其特性阻抗Z越大,过电压越高。通过上述计算值也可看出。

3 限制截流过电压的措施

根据公式,降低过电压,应降低截流值Ij或降低特性阻抗Z(即降低电感L或增大电容C)。已有设备的电感不可能改变,所以降低过电压应限制截流值Ij或增大电容值C。真空开关与负载之间总是有一定长度的电缆进行连接的,电缆本身存在的分布电容使特性阻抗Z降低,降低过电压。

限制过电压可采用以下措施:(1)使用低截流值的真空开关(使用低截流值的真空灭弧室、使用分闸速度可调的操动机构);(2)安装保护装置(安装MOA、安装RC吸收装置、安装大容量稳压装置);(3)开关与变压器之间采用一定长度的电缆线。

3.1 使用低截流值的真空开关

(1)改进触头

大量试验与实践证明,截流值Ij主要取决于触头的金属材料,一般来说,触头材料的饱和蒸汽压力越高,导热系数越小,截流值就越低;反之,则越高。而技术上对真空开关触头的要求是多方面的,既要求触头的截流值低,又要求开关有很强的分断能力(即可分断大电流的能力),还要求在动、静触头分开时具有较高的介电强度,单一的金属材料很难满足要求。

因此,常用多元合金或在多孔的高熔点金属(如钨、铬等)触头上浸渍低熔点合金(铜或铜合金)。这种触头的阴极斑点可喷发相对较多的金属蒸汽,在满足其他性能的要求下尽量降低截流值。

(1)分接开关触头弹簧压力不足,触头滚轮压力不匀,使有效接触面积减少,以及因镀银层的机械强度不够而严重磨损等会引起分接开关烧毁;

(2)分接开关接触不良,经受不起短路电流的冲击而发生故障;

(3)倒分接开关时,由于分头位置切换错误,引起开关烧坏;

(4)相间距离不够,或绝缘材料性能降低,在过电压作用下短路。

如发现电流、电压、温度、油位、油色和声音发生变化,应立即取油样作气相色谱分析。当鉴定为开关故障时,应立即将分接开关切换到完好的档位运行。

8.2 在运行中,开关接触部分触头可能磨损,未用部分触头长期浸在油中可能因氧化而产生一层氧化膜,使分接头接触不良。因此,为防止分接开关故障,切换时必须测量各分头的直流电阻,如发现三相电阻不平衡,其相差值不应超过2%。

8.3 倒分接头时,应核对油箱外的分接开关指示器与内部接头的实际连接情况,以保证接线正确。此外,每次倒分接头时,应将分接开关手柄转动10次以上,以消除接触部分的氧化膜及油垢,再调整到新的位置。 

9 变压器故障原因的分析

按变压器故障的原因,一般可分为电路故障和磁路故障。电路故障主要指线环和引线故障等,常见的有: 线圈的绝缘老化、受潮,切换器接触不良,材料质量及制造工艺不良,过电压冲击及二次系统短路引起的故障等。磁路故障一般指铁芯、轭铁及夹件间发生的故障,常见的有: 硅钢片短路、穿芯螺丝及轭铁夹件与铁芯间的绝缘损坏以及铁芯接地不良引起的放电等。

以上对变压器的声音、温度、油位、外观及其他现象的故障的初步、综合的归纳、分析,由于变压器故障并非某单一因素的反映,而是涉及诸多因素,有时甚至会出现假象。因此,必要时必须进行变压器的特性试验及综合分析,才能准确、可靠找出故障原因,判明故障性质,提出较完善的处理办法,确保变压器的安全运行。

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