1 合閘彈跳
《35kV戶內(nèi)高壓真空斷路器通用技術(shù)條件》(ZBK97004-89)將合閘彈跳定義為斷路器在合閘時觸頭剛接觸直至觸頭穩(wěn)定接觸瞬間為止的時間。所有直讀數(shù)據(jù)的開關(guān)特性測試儀都是按照這個定義來設計制造的。影響滅弧室電壽命的是電弧,而電弧只有在動靜觸頭不接觸時才會產(chǎn)生,在動靜觸頭接觸時不會產(chǎn)生。大量實踐及理論分析均表明,真正對真空的電壽命有影響的因素是:合閘過程中,觸頭剛接觸直至觸頭穩(wěn)定接觸瞬間為止,這期間的觸頭斷開時間。
真空斷路器合閘過程中,觸頭接觸后彈跳時間不應大于2ms,這也與實際工作有差異。真空斷路器分合電路的工作,是由真空滅弧室來完成的,開關(guān)的參數(shù)必須滿足滅弧室的性能要求,如滅弧室要求合閘速度為0.4~1.0m/s,開關(guān)的速度能夠在0.3~0.7m/s之間,那么配該型號滅弧室的真空斷路器其合閘速度必須調(diào)整在0.4~0.7m/s之間,同樣,如果真空滅弧室合閘彈跳要求小于等于5ms,那么配該型號滅弧室的斷路器其合閘彈跳的允許范圍也是小于等于5ms。是不是應將合閘彈跳一律定為不大于2ms是值得探討的。目前許多真空滅弧室規(guī)定的合閘彈跳時間都大于2ms,僅要求小于3ms,甚至5ms。
2 合閘彈跳的危害
合閘彈跳是真空斷路器機械特性的一種重要參數(shù),在合閘彈跳過程中,觸頭斷開距離小,電弧不會熄滅,導致觸頭電磨損加重,從而影響滅弧室的電壽命,但由于其存在時間較短,遠小于合閘過程中電弧燃燒時間。在一定范圍內(nèi)的彈跳主要的危害在于加速了滅弧室觸頭的摩損,從而導致滅弧室電壽命的縮短。
3 解決合閘彈跳的對策
彈跳對真空滅弧室電壽命的危害到底有多大?在合閘過程中,由于動靜觸頭的非彈性碰撞引起彈跳,彈跳值大小與諸多因素有關(guān),如觸頭彈簧的彈力、合閘速度、開距以及真空斷路器的觸頭材料等等,安裝、調(diào)試質(zhì)量、零部件如鋁支座、滅弧室、軸銷、換向器的加工精度都影響真空斷路器合閘彈跳時間的長短。為了把合閘彈跳減小到規(guī)定范圍內(nèi),通常采取以下措施:
(1)提高配件的加工精度,使鋁支座與軸、換向器與鋼銷、軸等緊密配合,減小間隙。
(2)加強裝配工藝質(zhì)量控制,提高裝配工藝質(zhì)量,在真空斷路器裝配過程中,注意安裝合理,不使真空滅弧室受到額外應力,調(diào)整導向管的位置,使滅弧室動觸頭運動軌跡,在滅弧室的軸心上,真空滅弧室動觸頭活動自如,無任何卡澀現(xiàn)象。
(3)適當加大觸頭超程彈簧預壓力。
通過采取以上措施,可以有效地控制彈跳時間。
ZN23-35真空斷路器由于觸頭面積大、行程長,合閘速度快、沖量大,尤其是在配CT10型彈簧操作機構(gòu)時,彈跳大而且不易穩(wěn)定,為了減小彈跳值,在真空斷路器滅弧室靜端如加設蝶形簧等措施,形成合閘緩沖,這樣合閘彈跳是小了,卻帶來斷路器工作不可靠的問題,在江蘇鹽城供電部門,調(diào)試人員反映某大型開關(guān)廠生產(chǎn)的ZN23-35真空斷路器在安裝前測試彈跳值非常小,三相均只有1ms,但一旦連上母排,彈跳就變得非常大,就是因為采用了靜支座合閘緩沖。在安裝前,緩沖效果明顯,所以彈跳較小,但連接上母排以后,靜端被固定,失去了緩沖效果,導致彈跳加劇。一般情況下,進行機械特性試驗都拆除了母線,所以這種情況較隱蔽,不易被察覺。在加了合閘緩沖裝置以后,合閘過程中靜觸頭不再是剛性的,靜觸頭隨動觸頭運動距離加大,滅弧室抖動幅度隨之增大,這樣極有可能造成滅弧室外殼破裂,而且在開斷故障電流時,故障電流所產(chǎn)生的巨大電動力,會造成滅弧室橫向擺動,導致滅弧室損壞,從而引發(fā)斷路器爆炸事故??拷档蛿嗦菲鞯目煽啃詠肀WC合閘彈跳參數(shù),延長本已足夠長的真空斷路器的電壽命,是得不償失的。
4 結(jié)束語
我國已有20多年的真空斷路器運行經(jīng)驗,從國內(nèi)真空斷路器運行情況來看,由于真空斷路器壽命終結(jié)而發(fā)生故障的并不多見,從運行的情況來看,國產(chǎn)真空斷路器大的問題是可靠性差,尤其是機械故障率高,大量資料表明,國產(chǎn)真空斷路器各項參數(shù)如電壽命等均已達到甚至超過國外同類產(chǎn)品,唯有可靠性和外觀與國外產(chǎn)品仍有相當?shù)牟罹?。斷路器的高可靠性是國產(chǎn)斷路器必須奮起直追的首要目標,在斷路器的可靠性問題解決之前,過長的電壽命是一種不必要的浪費,因而彈跳問題要解決,但首先必須設法提高國產(chǎn)真空斷路器的可靠性。
真空的操作過電壓主要有截流過電壓、重燃高頻過電壓、重擊穿過電壓、彈跳過電壓等。截流過電壓和重燃過電壓一般在開合感性負荷時產(chǎn)生;重擊穿過電壓和彈跳過電壓一般在開合容性負荷時產(chǎn)生。
1.截流過電壓
在開斷交流電流時,由于其極強的滅弧能力,在電流尚未到達自然零點時,電弧熄滅,電流被強迫截斷,這就是截流現(xiàn)象。由于電流被迅速截斷,電感負荷的磁場能就轉(zhuǎn)化為電場能,引起截流過電壓。當設備的入口較小時,過電壓倍數(shù)就越高,對系統(tǒng)和設備的絕緣產(chǎn)生極不利的影響。
真空斷路器的截流水平主要取決于斷路器觸頭電極所用的材料。目前,各國廣泛采用的CuCr觸頭材料的截流水平約為5A。
真空斷路器的截流水平也決定了截流過電壓的大小。另外,真空斷路器所開合負荷的性質(zhì)在連接電纜的長度對于截流過電壓也有很大的影響。
負荷越小,元件就越呈感性的特征。因而在電流截斷時刻儲存在電感上的磁能就越大,如被斷開負荷的入口電容越小,由磁能轉(zhuǎn)化為電場能所產(chǎn)生的截流過電壓程度就越高。
被斷開負荷附設的電纜越長,電容就越大,因而過電壓就低。當電纜長度超過一定值時,就可以將截流過電壓限制在系統(tǒng)允許值(3.2倍最大相電壓幅值)以下。只要電纜長度超過200m(總對地電容約0.1?F及以上),則開斷配電變壓器的各類負荷均不會產(chǎn)生超過設備和系統(tǒng)允許的過電壓水平。
2.重燃情況下的截流過電壓
上述截流過電壓的分析是沒有考慮真空斷路器重燃影響的。如果在觸頭剛分離不久就發(fā)生截流現(xiàn)象,截流產(chǎn)生的高頻振蕩過程,在真空斷路器的觸頭間的恢復電壓以很快的速度上升。由于此時觸頭間距很小,因而容易被擊穿,即發(fā)生重燃。
重燃時在負荷側(cè)和側(cè)發(fā)生高頻振蕩過程,在間隙中將流過較大的高頻電流,高頻電流過零熄弧后,如果負荷上儲存的能量足夠大,它又轉(zhuǎn)化為過電壓,使觸頭間隙再次擊穿。如此反復多次,直到觸頭間的介質(zhì)恢復強度已足夠高,產(chǎn)生的過電壓不能再使間隙擊穿為止,電路最終被開斷。因此,決定此種情況的過電壓特性將不再完全是由截流值,同時還包括了真空間隙的介質(zhì)恢復強度特性。
一般來說,由于重燃的作用使得儲存在負荷電感上的能量有一部分回到電源側(cè),從而使得截流過電壓有所降低。這是因為一方面觸頭重燃相當于限壓間隙動作;另一方面,在多次重燃過程中,由于振蕩回路中的能量不斷減少,使過電壓幅值降低。
特別要指出,重燃雖可使截流過電壓的幅值有所降低,但是在真空斷路器重燃的過程中將產(chǎn)生高頻振蕩,導致產(chǎn)生高頻過電壓。重燃產(chǎn)生的高頻過電壓頻率在電纜長度較短時是很高的。這樣的高頻過電壓即使其幅值不大,對變壓器的縱絕緣還是有危害的。因此對于絕緣比較薄弱的變壓器(例如運行時間已較長的變壓器、干式絕緣變壓器等)需要限制重燃過電壓的頻率。
計算分析表明,加長連接電纜的長度可以有效地降低重燃過電壓的頻率。在負荷側(cè)并聯(lián)的效果跟延長電纜長度是一樣的,它將減緩過電壓的前沿陡度。因此,對于絕緣比較薄弱的變壓器,在連接電纜較短時,應在變壓器的高壓端并聯(lián)電容器來降低重燃過電壓的頻率,典型的數(shù)值可取0.1~0.2?F。這里特別要注意的是MOA對于限制截流過電壓的幅值是很有效的,但起不到限制重燃過電壓產(chǎn)生高頻率的作用。
3.開斷高壓時的操作過電壓
真空斷路器開斷高壓電動機,也是開斷感性負荷。尤其是在開斷電動機起動電流時,因起動電流很大,引起繼電保護動作,斷路器斷開電動機,轉(zhuǎn)子繞組轉(zhuǎn)速接近為零,電磁暫態(tài)過程與變壓器二次側(cè)短路類似,轉(zhuǎn)子繞組相當于短接的變壓器二次繞組,定子繞組中的起動電流通常達5~7倍額定電流,斷路器的截流值很大,從而開斷制動狀態(tài)的電機的截流過電壓會遠大于切空載電動機。它也常會發(fā)生因多次重燃過電壓將電動機繞組匝間絕緣擊穿。
這是因為多次重燃過電壓是頻率很高的高頻過電壓,其頻率可達幾百千赫至幾個兆赫。高幅值的高頻過電壓不僅嚴重威脅電動機的主絕緣,而且對繞組匝間絕緣也構(gòu)成嚴重的危害。