真空断路器由于灭弧能力强，分断电容性和电感性负载时会产生过电压，故必须采取措施降低过电压。试验表明，真空断路器切除小电流电感性负载及起动或制动状态的电动机时，存在截流问题，并因截流而引起过电压。......
2023-06-30
真空断路器的操作过电压解析
【摘要】：近期真空断路器的触头材料在这方面的应用已倾向于耐压高的铜铬合金材料，加之都装氧化锌避雷器作保护，所以这方面的操作过电压已得到限制和解决。开断空载变压器的操作过电压主要是由截流引起的过电压。
真空断路器不但适用于开断空载电缆线和架空线的电容性电流，也适用于投切电力系统中的并联电容器组。第三章和第四章中已较详细地分析了产生操作过电压的现象。由前述分析已知，引起这类严重过电压的惟一起因是断路器开断后不能提供足够的耐压强度而发生第一次击穿所致，而且重击穿的次数愈多，过电压也就愈高。所以只要不使它有第一次重击穿，也就不会有不断上升的过电压。切三相电容器组的情况要复杂些，但是断路器断口第一次熄弧后出现的最大电压值一般不会超过电源相电压幅值的三倍。因此切三相电容器组的真空断路器其断口耐压应能承受三倍以上的电源相电压幅值，才不至于有第一次的重击穿。近期真空断路器的触头材料在这方面的应用已倾向于耐压高的铜铬合金材料，加之都装氧化锌避雷器作保护，所以这方面的操作过电压已得到限制和解决。
1.截流过电压
真空断路器切除电感电路并在电流过零前使电弧熄灭而感生很高的电压，即截流过电压。真空断路器极好的熄弧性能，在开断时可以使小电流真空电弧在过零前就会熄灭。由于电流被突然中断，截流电流滞留在高压电动机或变压器的电感绕组中，此残余电磁能量必然向绕组的杂散电容充电，转变为电场能量。若不计熄弧瞬间电源电压加在电容C0上的残余电压（因为电压滞后电流，此残余电压一般较小），此时因能量转换产生的电压近似为
式中，U为截流过电压，由于C0值甚小，因而过电压可达到较高的数值。截流过电压的高低与断路器的截流值IC的大小有关：IC越大，过电压值越高；截流一般发生在开断小电流时，试验证明，电流越大，截流值越小；磁能与电能相互转换的振荡频率很高，该振荡频率由回路参数
决定。高的频率必然伴随高的电压陡度。
截流现象不是真空断路器所特有的，但它的产生与其他断路器是不同的，因为真空电弧是靠金属蒸气和电子来维持的，在开断100A以下的小电流时，弧柱中金属蒸气离子和电子等向四周真空扩散，使电弧维持不了，会有不到工频电流自然过零之前突然开断的截流现象。在开断电动机电流和变压器的励磁电流时，也会发生这种截流和产生过电压。真空断路器的截流也可以说是由阴极斑点的寿命所引起的，其测量值按几率分布，它主要由触头材料决定，也受回路参数波阻抗的影响。
开断空载变压器的操作过电压主要是由截流引起的过电压。空载变压器的波阻抗较电动机的大得多，但变压器的线圈绝缘耐压水平除干式变压器外要比电动机高得多，操作过电压一般不成什么问题。
2.多次重燃过电压
当真空断路器在电流过零前开断，触头的一侧是工频电网电源，另一侧是高频振荡产生的过电压。触头间恢复电压为两者之和，在触头开距小、触头间耐压不充分的情况下发生第一次重燃。电源向回路中的电阻充电，出现类似空载长线路合闸的振荡过程。回路的参数决定了重燃的高电流频率高达数千Hz。这使得重燃的振荡电压高于截流电压，这种振荡过程直至绝缘介质的恢复强度超过电压恢复速度才终止。
多次重燃过电压的陡度大，幅值高，尽管出现几率不多，在频繁操作中易对电气设备特别是电动机的绝缘造成损坏。由于变压器和电动机绕组的电压分布与过电压陡度和频率关系极大，在波头时间小于1ms时，靠近电源侧第一匝的电压比末端中性点侧高出8～9倍，所以对匝间绝缘威胁最大。
关于多次重燃是由触头断口重击穿、高频电流熄灭等反复出现所造成的。由此引起的过电压的条件如下：小容量的异步电动机；开断起动或反转制动过程；真空断路器负荷的固有频率在0.5～50kHz时；在电流离自然零点附近真空断路器触头刚开始打开时。需要在上述四条同时满足时才出现多次重燃过电压。在小容量电动机堵转情况下，开断是可同时满足四个条件的一个例子。尽管多次重燃过电压产生的几率要比截流过电压的小，但因为电动机的绝缘水平比变压器低得多，因此对电动机的危害较大，必须加以考虑。
3.三相同时开断过电压
真空断路器首先断开相熄弧产生的高频电流，通过三相互耦合中性点叠加在其他未断开的两相工频电流上，造成其他两相电弧电流强制过零，使得未断开的两相随之同时切断。此两相被截断的工频电流更大，从而产生比首相开断过电压更高的过电压。
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