冶煉爐用高壓真空開(kāi)關(guān)截流過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析及探討

1、冶煉爐用高壓真空開(kāi)關(guān)截流過(guò)電壓?jiǎn)栴}分析及探討東芝白云真空開(kāi)關(guān)管（錦州）有限公司 常玉斌摘要：由于近年來(lái)冶煉廠頻繁發(fā)生因截流過(guò)電壓造成真空滅弧室炸裂事故，本文首先簡(jiǎn)述截流過(guò)電壓的產(chǎn)生及危害，然后通過(guò)冶煉行業(yè)廣泛使用的40.5kv高壓真空開(kāi)關(guān)典型截流過(guò)電壓事故的分析，探討一些相關(guān)的解決對(duì)策。關(guān)鍵詞：高壓真空開(kāi)關(guān) 小電感電流 截流過(guò)電壓1.概述近年來(lái)，由于各地冶煉行業(yè)的迅猛發(fā)展，高壓真空開(kāi)關(guān)在控制、保護(hù)冶煉爐的應(yīng)用方面發(fā)展很快。但是，由于一些冶煉廠對(duì)高壓真空開(kāi)關(guān)截流過(guò)電壓的產(chǎn)生及危害認(rèn)識(shí)不足，對(duì)高壓真空開(kāi)關(guān)的性能了解得較少，在高壓真空開(kāi)關(guān)的使用方面存在著一些誤區(qū)，致使一些絕緣事故頻繁發(fā)生。本文首先簡(jiǎn)

2、述截流過(guò)電壓的產(chǎn)生及危害，然后通過(guò)冶煉行業(yè)廣泛使用的40.5kv高壓真空開(kāi)關(guān)典型截流過(guò)電壓事故的分析，探討一些相關(guān)的解決對(duì)策。2.截流過(guò)電壓的產(chǎn)生及危害截流現(xiàn)象是高壓開(kāi)關(guān)開(kāi)斷各種小電流時(shí)出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象，在開(kāi)斷小電流過(guò)程中，由于高壓開(kāi)關(guān)相對(duì)的滅弧能力強(qiáng)，電弧電流不是通過(guò)工頻的零點(diǎn)熄弧而是電弧似乎從某一電流值幾乎下降到零而熄滅。真空開(kāi)關(guān)也同樣存在著開(kāi)斷小電流時(shí)的截流現(xiàn)象，只是產(chǎn)生的機(jī)理不同。真空開(kāi)關(guān)截流是由于小電流真空電弧不穩(wěn)定造成的，有關(guān)小電流真空電弧不穩(wěn)定性機(jī)理比較一致的解釋是基于陰極斑點(diǎn)能量平衡的破壞和金屬蒸汽不足造成的1。高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷電阻性和電阻電感性電流比較容易，燃弧時(shí)間短，不會(huì)產(chǎn)生

3、危險(xiǎn)的過(guò)電壓,而在開(kāi)斷小電感電流,如開(kāi)斷帶感性負(fù)載的變壓器、無(wú)載變壓器、并聯(lián)電抗器和高壓電動(dòng)機(jī)則會(huì)引起嚴(yán)重的截流過(guò)電壓。截流過(guò)電壓的大小主要取決于真空開(kāi)關(guān)的截流值，截流值的大小既和開(kāi)斷電流、電路參數(shù)等外部條件有關(guān)，也和真空滅弧室的觸頭材料、真空斷路器的機(jī)械特性等真空開(kāi)關(guān)的自身因素有關(guān)。高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷小電感電流產(chǎn)生的截流過(guò)電壓對(duì)電網(wǎng)和電力設(shè)備危害很大，較高的截流過(guò)電壓是電網(wǎng)過(guò)電壓的來(lái)源之一。對(duì)不同等級(jí)的電網(wǎng)，允許的過(guò)電壓倍數(shù)不同，高壓真空開(kāi)關(guān)工作的中壓領(lǐng)域372.5kv等級(jí)電網(wǎng)允許的過(guò)電壓倍數(shù)為4.01。在高壓真空開(kāi)關(guān)工作的372.5kv等級(jí)中壓系統(tǒng)，使用截流值較高的真空斷路器開(kāi)斷無(wú)載變壓器，

4、特別是熱壓硅鋼片鐵芯變壓器，由于激磁電流大，會(huì)導(dǎo)致很高的過(guò)電壓，危及變壓器及其它電力設(shè)備的絕緣安全。對(duì)于一些頻繁操作的變壓器，如冶煉廠的電爐變壓器（一般還帶有電感量很大的感性負(fù)載），根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程，開(kāi)關(guān)每天需要開(kāi)合幾十次，這樣，幅值雖然不是很高，但次數(shù)很多的過(guò)電壓會(huì)對(duì)設(shè)備的絕緣產(chǎn)生累積效應(yīng)，從而加速設(shè)備絕緣的老化。過(guò)電壓對(duì)電力設(shè)備絕緣的危害程度不只決定于過(guò)電壓倍數(shù)的高低，過(guò)電壓上升的時(shí)間也是一個(gè)因素，特別是對(duì)變壓器等帶繞組的設(shè)備，擊穿電壓對(duì)上升時(shí)間十分敏感。過(guò)電壓一般是指對(duì)地電壓，對(duì)地電壓過(guò)高會(huì)造成對(duì)地絕緣擊穿。但在有些情況下，相鄰兩相間會(huì)同時(shí)出現(xiàn)極性相反的過(guò)電壓，此時(shí)相間電壓為兩相對(duì)地電壓之和

5、，從而使相間過(guò)電壓倍數(shù)很高，造成對(duì)相間絕緣的威脅。圖1為高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷感性負(fù)載時(shí)，在b、c兩相出現(xiàn)極性不同的對(duì)地過(guò)電壓，從而導(dǎo)致更高的相間過(guò)電壓的波形1實(shí)踐證明，高壓真空開(kāi)關(guān)在開(kāi)斷小電感電流時(shí)，由過(guò)電壓?jiǎn)栴}造成的絕緣事故時(shí)有發(fā)生，如果抑制措施不利，不僅對(duì)電網(wǎng)及電力設(shè)備造成損害，也常造成控制保護(hù)用真空斷路器中真空滅弧室的炸裂，使事故范圍擴(kuò)大。3.冶煉爐用40.5kv高壓真空開(kāi)關(guān)典型截流過(guò)電壓事故分析2004年2月，內(nèi)蒙某鉬錳冶煉廠控制保護(hù)40.5kv電爐變壓器出線柜內(nèi)a、b兩相真空滅弧室在開(kāi)斷過(guò)程中炸裂燒毀。技術(shù)服務(wù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先對(duì)真空滅弧室的燒損狀態(tài)進(jìn)行了分析：真空滅弧室的瓷殼炸裂，中

6、間屏蔽罩徹底燒毀，觸頭沒(méi)有任何燒蝕，幾乎沒(méi)有開(kāi)斷的痕跡。進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)動(dòng)端波紋管和波紋管保護(hù)罩一側(cè)燒毀，靜端保護(hù)罩對(duì)應(yīng)的另一側(cè)燒毀。根據(jù)這一現(xiàn)象，真空滅弧室廠家技術(shù)服務(wù)人員基本判定事故不是由于真空滅弧室的漏氣造成的，事故起因與真空滅弧室無(wú)關(guān)。其判定原因?yàn)椋菏紫?，如果真空滅弧室漏氣，開(kāi)斷過(guò)程中將會(huì)因不熄弧而首先燒毀觸頭，其次才能燒漏中間屏蔽罩和瓷殼，而這一事故中觸頭完好無(wú)損，說(shuō)明事故不是來(lái)自于真空滅弧室內(nèi)部；其次，從動(dòng)端波紋管和波紋管保護(hù)罩及靜端保護(hù)罩的燒毀現(xiàn)象可以判斷，由于外部原因使真空滅弧室瓷殼炸裂，進(jìn)而造成掛在瓷殼上的中間屏蔽罩傾斜使動(dòng)端保護(hù)罩和靜端保護(hù)罩短路；第三，我國(guó)40.5kv及以

7、下電網(wǎng)和配電系統(tǒng)普遍采用中性點(diǎn)不接地方式，如果開(kāi)斷時(shí)有一只真空滅弧室漏氣不熄弧，另兩只也能完成開(kāi)斷任務(wù)。除非有兩只真空滅弧室同時(shí)漏氣造成兩相同時(shí)不能開(kāi)斷而燒毀真空滅弧室，但該控制系統(tǒng)安裝后運(yùn)行尚不到半個(gè)月，兩只真空滅弧室同時(shí)漏氣的幾率幾乎不存在。進(jìn)一步了解控制保護(hù)單元的配置及負(fù)載情況如圖2，出線柜（內(nèi)配zn23斷路器）所控制、保護(hù)的負(fù)載為帶感性負(fù)載的變壓器，其中負(fù)載為高頻感應(yīng)加熱爐，額定工作電流為200a，電爐變壓器初級(jí)電壓為40.5kv，次級(jí)為120v。由于負(fù)載的電感量很大（功率因素只有0.5），因此為補(bǔ)償無(wú)功功率，在出線柜和電爐變壓器之間裝置了電容器柜。從控制保護(hù)單元的配置及負(fù)載情況看，這

8、是一起典型的高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷小電感電流產(chǎn)生截流過(guò)電壓而引發(fā)的絕緣事故。該控制、保護(hù)單元只注重預(yù)防來(lái)自電網(wǎng)的過(guò)電壓，在進(jìn)線柜出線端加裝了避雷器柜，而在出線柜后沒(méi)有任何過(guò)電壓保護(hù)措施，因而對(duì)開(kāi)斷小電感電流時(shí)自身產(chǎn)生的過(guò)電壓沒(méi)有任何的防范能力。4.解決對(duì)策及探討高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷小電感電流時(shí)，由于電弧的不穩(wěn)定會(huì)出現(xiàn)因截流而產(chǎn)生的過(guò)電壓。解決這一問(wèn)題有兩個(gè)途徑，一是抑制截流過(guò)電壓，二是降低截流過(guò)電壓。減小截流值能降低截流過(guò)電壓，但影響截流值的因素很多，它幾乎涉及到真空滅弧室的觸頭材料、真空斷路器的機(jī)械特性、開(kāi)斷電流的大小和電路參數(shù)等各個(gè)方面。因此，降低或抑制截流過(guò)電壓，要從不同的角度、不同的方式去考慮，

9、需要不同領(lǐng)域的技術(shù)人員的共同努力。4.1常規(guī)的保護(hù)方法高壓真空開(kāi)關(guān)開(kāi)斷小電感電流時(shí)出現(xiàn)的截流過(guò)電壓通常出現(xiàn)在負(fù)載側(cè)，電源側(cè)過(guò)電壓很低1。因此，目前常用的有效的保護(hù)措施是在高壓真空開(kāi)關(guān)的負(fù)載側(cè)加裝過(guò)電壓保護(hù)裝置，將過(guò)電壓抑制在一定范圍之內(nèi)。目前常用的抑制過(guò)電壓的方法有兩種，一種方法是加裝氧化鋅避雷器，另一種方法是加裝阻容吸收保護(hù)裝置，見(jiàn)圖3。氧化鋅避雷器是由很多氧化鋅電阻片組成，片的數(shù)量由電壓決定。氧化鋅電阻片具有良好的非線性伏安特性，當(dāng)避雷器加上正常工作電壓時(shí)，閥片中只有很小的泄漏電流（微安級(jí)）通過(guò)。出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)，避雷器中有很大的電流流過(guò)，但電壓卻被限制在一定范圍之內(nèi)。阻容保護(hù)裝置的工作原理是

10、由電阻r和電容c串聯(lián)后并聯(lián)在負(fù)載進(jìn)線端，可按圖3（b）連接在真空開(kāi)關(guān)負(fù)載側(cè)的每一相與地之間。氧化鋅避雷器只能限制過(guò)電壓的幅值而不能延緩過(guò)電壓的上升陡度，另外，氧化鋅避雷器還有放電次數(shù)的限制，適用于操作不太頻繁的場(chǎng)合。阻容保護(hù)裝置中的電容器既可以減緩過(guò)電壓的上升陡度，又可以降低負(fù)載的波阻抗從而降低過(guò)電壓值。而電阻r的作用是消耗截流后電路殘存的能量，可以抑制過(guò)電壓的峰值。與氧化鋅避雷器相比，阻容吸收裝置尺寸較大，成本偏高。鑒于控制、保護(hù)冶煉爐斷路器的特殊工作方式（帶感性負(fù)載的變壓器、頻繁操作），筆者建議盡量選用阻吸收容保護(hù)裝置，而且要根據(jù)被保護(hù)電路的不同工況進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。4.2開(kāi)發(fā)低截流值的真空滅

11、弧室40.5kv真空斷路器控制、保護(hù)冶煉爐使用很廣泛，因截流過(guò)電壓造成真空滅弧室外絕緣閃絡(luò)使真空滅弧室炸裂事件時(shí)有發(fā)生，已成為冶煉行業(yè)使用40.5kv真空斷路器的一個(gè)突出問(wèn)題。目前常用的抑制截流過(guò)電壓的兩種方法加裝氧化鋅避雷器和阻容保護(hù)裝置確實(shí)在很大程度上起到了保護(hù)作用，但并沒(méi)有從根本上降低截流值從而降低截流過(guò)電壓。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，即使加裝了過(guò)電壓保護(hù)裝置，由于過(guò)電壓的陡度、幅值、出現(xiàn)的頻繁程度及過(guò)電壓保護(hù)裝置自身的問(wèn)題等不同因素，類似的絕緣事故也不能完全避免。因此，對(duì)于金屬冶煉這一特殊行業(yè)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度考慮，不能僅僅局限于按常規(guī)加裝氧化鋅避雷器和阻容保護(hù)裝置，尚需尋求更可靠有效的措施。作

12、為真空滅弧室的制造廠家，開(kāi)發(fā)適合于控制、保護(hù)冶煉爐用低截流值的真空滅弧室已迫在眉睫。目前真空斷路器使用的觸頭材料基本為cucr合金（cucr25或cucr50）， cucr合金是現(xiàn)代真空滅弧室制造技術(shù)中應(yīng)用最廣最成功的觸頭材料，它具有開(kāi)斷能力強(qiáng)、耐壓水平高等許多優(yōu)點(diǎn)，但這種材料截流值較高，所以近年來(lái)降低cucr材料的截流水平一直是真空滅弧室制造技術(shù)中亟待解決的問(wèn)題。有研究部門與制造單位已在開(kāi)發(fā)用于低截流真空滅弧室的多元合金觸頭材料，但目前的研究還不能同時(shí)解決大電流開(kāi)斷、斷口耐壓和截流問(wèn)題2。真空滅弧室廠家開(kāi)發(fā)冶煉爐專用真空滅弧室，其設(shè)計(jì)思路要充分考慮開(kāi)斷小電感電流和頻繁操作這兩個(gè)因素，盡量選擇低截流值的觸頭材料和優(yōu)質(zhì)的波紋管材料，通過(guò)優(yōu)化電場(chǎng)分布、改進(jìn)觸頭、線圈和波紋管的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、提高零件加工質(zhì)量、完善滅弧室生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出截流值低、機(jī)械壽命長(zhǎng)、抗擊穿能力強(qiáng)、開(kāi)斷性能好的真空滅弧室，滿足控制、保護(hù)冶煉爐的特殊使用要求。5.結(jié)論因截流過(guò)電壓造成真空滅弧室外絕緣閃絡(luò)使真空滅弧室炸裂已成為冶煉行業(yè)使用40.5kv真空斷路器的一個(gè)突出問(wèn)題。由于截流過(guò)電壓的產(chǎn)生牽涉的方面很多，降低和抑制截流過(guò)電壓需要制造和使用真空開(kāi)關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)人員的共同努力。常規(guī)的抑制方法是在真空斷路器的出線端加裝氧化鋅避雷器和阻容吸收保護(hù)裝置。與氧化鋅避雷器相比，阻容吸收保護(hù)裝置雖然尺寸偏大、成本偏高，但由