电炉变压器真空开关截流过电压动态分析.docx

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电炉变压器真空开关截流过电压动态分析

电炉变压器真空开关截流过电压动态分析

摘要:

本文从真空开关的工作原理出发,详细分析了真空开关的熄弧机理及由截流现象造成电弧炉变压器截流过电压的现象,并进行了理论推算,结合截流过电压的实际检测数值,提出了抑制电炉变压器的截流过电压的必要性,对从事该专业的电力工作者具有一定的参考意义。

关键词:

电弧真空开关截流过电压

1截流现象及其重要性

在现代冶金系统中,大容量超高功率电弧炉炼钢生产技术已得到广泛应用,变压器采用真空开关操作已相当普遍。

但真空开关造成操作过电压的危害不容忽视。

现就国内某钢铁厂炼钢用电弧炉变压器动态过程进行分析,该电弧炉变压器有三个绕组组成,炉变的三次侧采用ZN—35/1000的真空开关断路器进行操作,由于在正常使用中绕组绝缘遭到破坏,对于操作过电压及其后果引起了高度重视。

分析如下。

1.1高压开关的截流现象

真空开关较老一代开关具有良好的开断能力。

在开断过程中,将使开断电流提前过零,发生电流折断现象。

因为被切断对象电感值较大,电流值虽小,但仍将具有较大的电磁能量。

在电流折断强迫过零后,存储在电感上的电磁能量将使电气回路产生高频振荡,出现过电压,强熄弧能力的真空断路器在开断电流的有效值小于一定的临界值时（一般在10A左右）会出现显著的电流波折断提前过零的现象,而在开断电流大于一定值后,这种现象就会消失。

这是因为大电流形成足够强的电弧,因此不能在电流过零前突然降到零值。

当电流波被强迫折断提前过零时,折断处的瞬时电流值一般称为截流值,这种强迫电流折断提前过零的现象一般称为截流现象。

1.2分析和认识真空开关截流过电压的重要性

真空断路器的截流现象较高压供电系统中其它断路器尤其容易发生,而随之产生的过电压将会有很高的数值,它将对系统和电感性负载的绝缘造成严重的威胁,某公司25000kVA电炉变压器是75吨电炉系统的重要组成部分,也是设备系统安全运行的薄弱环节,充分认识和分析真空开关产生截流过电压的现象和实质,对合理采用限压措施,保证炉变正常的绝缘性能,提高炉变的使用寿命,减少炉变的事故发生率,具有重要意义。

2真空开关产生截流现象的机理

真空开关是一种新型的电力开断设备,由于它具有体积小,适于频繁操作,折断容量大和没有火灾和爆炸的危险等优点,被越来越广泛地使用在电力系统中,随着电真空技术与导电材料的不断发展,它将逐步取代老一代开关设备。

2.1常用高压油断路器的熄弧原理

油断路器的熄弧过程主要由两部分组成,一是触头及触头间介质中的自由电子在电场力的作用下,以较大的动能不断撞击介质中的中性原子而发生撞击游离,当电子和离子的游离达到一定程度时,触头间隔被击穿而形成电弧。

二是电弧本身表面温度可达3000～4000℃,而弧柱中心可达11000℃以上的高温,这种高温使介质发生热游离,电弧将持续下去,电流照常通过电弧而继续存在。

在产生上述两种游离的同时,电子和离子的“复合”现象形成中性的不带电物质,温度越低,这种“复合”现象越强烈。

因此,油中电弧是靠高压低温气流（H2为主）拉长冷却电弧,致使电子离子的复合现象大于游离现象,使弧隙间绝缘迅速恢复,导致电弧熄灭。

油中电弧的熄灭大多在电流过零点时完成,出现电流折断机会并不显著。

2.2真空中的电弧理论

真空断路器是在一定的真空度下工作,对于电弧具有显著的熄弧性能,真空中的电弧主要是由触头材料本身放出的金属蒸汽形成的。

真空中的导电机理有三种说法。

一是电场放电说:

认为触头表面不论加工的如何平滑,从微观上看,仍有很多锋利不平的突起,其尖端电场是宏观电场的几百倍,使突起上产生电场放电,产生的焦耳热量使突起部位熔化而放出金属蒸汽,又由于电子碰撞而导致真空绝缘击穿。

二是粒子交换说:

认为触头间在电场的作用下,从阴极放出的电子加速并轰击在阳极上,从阳极产生的正离子或光子,再受电场的作用,加速后又打在阴极上,反复进行导致真空绝缘击穿。

三是微粒说:

认为触头表面上附着有块状的微粒,当受到电场力的作用而从表面脱落,微粒被加速后向对面的触头进行轰击,轰击时被加热称为金属蒸汽,而向触头间放出并电离,从而造成真空绝缘击穿。

2.3真空及其它介质的绝缘恢复特性

真空中的电弧,是由金属蒸气电离后形成的。

因此,真空电弧明显受到触头材料影响。

真空断路器的触头大多使用铜质合金,它在10kA以下形成的电弧,弧压较低,但电弧电流的不稳定是真空电弧的重要性质。

真空开断能否成功,关键在于电流零点附件的绝缘恢复速度是否比电压上升的快。

如图1所示,曲线（a）表示能成功熄弧,曲线（b）表示不能成功熄弧。

下面比较一下真空断路器,油断路器（以H2为主要绝缘介质）SH6断路器的绝缘恢复特性。

从图2看出,真空中的绝缘恢复速度较其它介质要快得多,其开断能力也最为显著,由于恢复电压上升速率快,对高频电流的开断更能发挥其优越性。

真空中绝缘恢复快的主要原因是,燃弧过程中金属蒸气的电子和离子能以很短时间扩散,并被吸附到触头和屏敞罩表面所致。

由于真空断路器有较快的绝缘恢复特性,因此就具备了良好的开断性能,特别在开断10A以下小电流时,电流折断即截流现象尤为明显,这是由于绝缘恢复特性所决定的。

2.4真空中的截流过程

真空中的截流过程由两部分组成:

一是当电流下降时,从触头放出的金属粒子不断减少,当不能维持电弧所需的粒子密度时,形成不稳定的高频振荡电流,用I0表示。

二是工频电流继续下降,触头间金属蒸气压降低及迅速扩散作用,导致电流折断,此时电流值用Ic表示截流过程如图3所示。

截流值Ic的大小同触头材质蒸气压关系很大,而且同真空开关的开断能力相矛盾,即截流值越小的材料,其开断性能也随之降低。

因此,真空开关的触头材质由特殊合金做成以适应不同要求,另外也应注意到由于真空开关的开断机理不同于其它开关,所以真空开关所发生的截流机会即截流概率值也明显高于其它开关。

325000kVA电炉变压器的等值电路

3.125000kVA电炉变压器的结线原理

该变压器的组成包括主变和串变两部分,原理结线图如图4。

3.2截流过电压的物理过程

由真空开关引起炉变截流过电压的主要物理过程是,当炉变各绕组处于正弦稳态时,在绕组中存藏了磁场能量WL。

当用真空开关空载操作炉变时,串变铁芯的磁链变化率发生了较大变化,所以磁场能量主要储存于串变主绕组中,由前述可知,发生截流现象时,存在有不稳定电流Io,它是一个高频变化的电流。

因炉变本身对地存在分布电容,它的等值电容CT由炉变对地杂散电容Co,匝间纵向电容CK,各绕组间杂散电容及电缆对地电容等组成。

一般变压器额定电压越高,容量越大,等效电容CT也越大,通常CT在几千PF之间,在工频情况下容抗远比励磁电抗为大。

因此可近似认为是感性电路,变压器在空载情况下,如不计损耗,空载电流可近似认为是励磁电流,其值在冷轧硅钢片时为1%左右。

当真空开关发生截流现象时,其感性回路中的贮能为IOLT而此电磁能量不能发生突变,它对等效电容CT迅速放电,因CT值较小,使等值电容CT两端电压急剧上升,可达很高数值,对变压器的绝缘将造成严重威胁。

3.3等效电路图

为分析计算方便,可把图4等效为如下单相等值电路（如图5）。

图中:

ZN为真空开关；

Is为ZN闭合时,流过的稳态电流,开断前可视为一电流源。

Is=Imsin（wt+φ）

Im为串变一次侧励磁电流幅值；

φ为开关截流相角,其值为一随机数；

CT为串变等值电容；

RT为变压器的损耗电阻（铁损、铜损）；

LT为串变等效励磁电感；

LS为到真空开关引出线电缆的电感；

Cb为到真空开关引出线电缆的对地电容。

4分析计算

4.1截流过电压的频率

真空断路器ZN在断开回路过程中,由前述知,能随机的发生电流折断现象,其折断电流值为IC,此时,电感LT中的电流值就等于IC。

由电路原理知,ZN开断后的右半部分为一零输入的二阶线性LC振荡回路,由

4.2计算折断电流最大值

当二次侧开路时,因等效电容CT的容抗远大于串变感抗,即ic=0,流过ZN的电流即为励磁电流IL

从而可知,串变的空载电流具有较小值,真空开关发生截流的机会是明显的。

4.3推算过电压公式

设真空开关开断前瞬间在时刻t流过电感LT的电流为iL（t）,LT两端的电压为UL（t）,则在LT存储的功率为:

从而可知过电压倍数还是比较高的,而且和变压器的结构连接电缆长度等相关。

4.5影响的因素

目前,按变压器规范标准要求规定绝缘水平按三倍额定工作电压来考虑的,因此,对炉变采取限压措施也是必要的。

根据上述分析情况,炉变最大过电压倍数主要与下列因素有关。

（1）截流值的大小,决定于开关的开断水平。

（2）特性阻抗等值电容CT越小,过电压倍数越大。

（3）由于截流相角φ是一个随机值,所以过电压值具有统计规律性。

5炉变过电压的分布情况

炉变三次侧同串变一次侧单相等值电路如图6。

电缆在操作波（高频振荡）作用下,应看作等效对地电容。

如图7。

分两种情况考虑,一是由基本绕组直接向串变供电,这时Cm同CT并连,35kVA电缆长度约为30m,其等值对地电容为:

由于35kV电缆的容抗作用,使等值电容增大为则过电压倍数降至1.8,同前述3.05倍相比降低了1.25。

二是当触头由基本绕组和调压绕组串联后供给串变励磁电流,即以最大功率方式供电,在串变上产生的过电压最大值仍为3.05倍,该过电压不仅作用在串变上,而且也作用在调压绕组上。

这是因为电容电压不能突变,调压绕组通过接地,调压绕组承受了全部过电压,对其绝缘就造成了危害。

6分闸过电压的测试

为了实际了解炉变截流过电压数值的大小,对炉压进行了实际测试,测试点选在真空开关处,35kV电缆在测试范围内。

测试波形如图8。

由图8可看出,过电压波形较尖,陡度大,具有冲击电压的性质,测试的统计结果为如表1。

从测试情况看,没有达到推算值,这是由于以下几点。

（1）增加了35kV电缆段,即Cm值的存在,使等值电容CT增测数据位如表2。

由表2可知,过电压值uov得以衰减。

（2）估算过程中采用的数据,如励磁电流百分数炉变的等效电容CT取了近似值,给计算结果带来误差。

（3）增设了测试用分压电器C1C2,使测试结果产生误差。

7结论

通过对真空开关及炉变关于截流过电压的全面分析和测试情况看,由于真空开关具有较高的开断能力和特有的熄弧机理,便产生了具有较高概率统计值的截流过电压。

根据计算结果看,由于Cm的作用,即35kV电缆的衰减,衰减值为1.25倍,所以,内部过电压值约在4倍左右,对于炉变3倍额定电压的绝缘水平仍存在过电压的威胁,应采取下列措施。

（1）选取合适的过电压保护装置,保护倍数≯2.5倍额定电压,以对炉变绝缘留有余地。

（2）因过电压主要来自串变一次侧,而调压器绕组绝缘强度相对较低,为减少其受过电压的侵害可将真空开关位置移至调压绕组与串变一次绕组之间。

（3）建议在炉变进行设计时,使变压器绕组的各种分布电容归算出的等值电容CT能有一个较大值,以减少波阻抗的值,从而降低过电压UOV值。

（4）根据生产过程中25000kVA炉变的实际运行情况看,在结构设计时,加强调压绕组的绝缘强度,采用高强度的绝缘材料,十分必要。

（5）由数据计算知,真空开关切合理想位置应在调压绕组被短接的情况下。

以上述分析谨供同行参考。

参考文献

[1]重庆大学、南京工学院合编.高电压技术[M].年水利电力出版社.

[2]（日本）岩原皓一.真空开关[M].1975.

[3]武汉水电学院内部过电压基础[M].1986.

[4]电炉变压器的有关图纸.