（电气工程专业论文）宝钢3kv馈线内过电压吸收器国产化研究.pdf

宝钢3 k w 馈线内过电压吸收器国产化研究 摘要 宝钢厂区供配电系统在八十年代初就引进了日本的真空断 路器，近二十年的运行、维护经验表明真空断路器具有体积小、 性能可靠、维护量小、投入的维修成本低的特点，有着很好的 性能价格比。但是任何设备均有它的寿命周期，有着客观的规 律性。结合十多年的现场长周期设备精密点检结果，以及近期 与日本设备制造商的交流，宝钢设备技术人员均认为这些设备 已将进入设各寿命浴盆线的后期，应当引起技术、管理人员的 重视，也应当及时采取相应的措施。因此，对真空断路器寿命 的研究、设备延寿技术的开发以及一些关键元器件的国产化替 代品的研制等一系列工作均提到工作日程上，其意义在于一方 面可以为解决由于设备老化给生产带来制约问题提供技术保 证，准确提供决策依据；另一方面可尽量减少设备维修、改造 的费用投入，减少或彻底摆脱对外商的依赖，达到公司效益最 、 大化。 本课题就宝钢供配电系统中应用较为广泛的3 k v 真空断路 器内过电压吸收器国产化措施尝试研究，这在国内各类过电压 吸收器研制技术有具较大进步的背景下具有风险小、成本低、 适时性强的特点。课题组在研制的过程中结合工作实际，对现 场发生过的真空断路器事故进行了探讨，从根本上去认识和理 n 解真空断路器的特性并在课题中予以充分重视和考虑。本课题 f n l 鳓场特点，积极与设备制造商合作，做到在技术上互为补充。 ， ( 在研究开发中按照：对真空断路器工作机理的分析、过电压及 其防治技术的学习、对原过内过电压吸收器( r - c ) 的解剖试 验及工作机理分析、带间隙氧化锌避雷器国产化替代方案论证， 投运前技术措施方案以及现场投运检验总结这一思路来开展工 作，做到顺序渐进，在解决问题的同时提高自身技术水平，产 生良好的效果。上一7 ， 研究的关键技术是在现有设备既定空间内不能作大的改动 以及用带间隙氧化锌避雷器代替原进口阻容吸收是否可行，研 究表明采用y 型接法在宝钢3 k v 系统上是可行的，具有一定 的优越性，值得进行尝试。 研制的国产化设备业已正常投运，为宝钢同类型的进口设 备元器件的替代找出了一条路，其价格也仅为外商报价的5 0 ， ， 达到了预期的目的。同时，课题组成员在研究过程中也意识到 f 真空断路器操作过电压问题十分复杂，需要技术人员继续不断 学习。本课题只是一次有益的尝试，只能起到抛砖引玉的作用， 但可以作为继续努力研究的动力，为企业仍至国家的设备制造 技术作更有益的工作。 关键词：真空断路器，操作过电压，过电压吸收器，氧化锌避 雷器，阻容吸收器，恢复电压 t h er e s e a r c hf o rd o m e s t ic m a d es u r g ea b s o r b e r o f3 k vf e e dl i n ei nb a o s t e e l a b s t r a c t b o s t e e l sp o w e rt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o nh a du s e dv a c u u mb r e a k e r s i m p o r t e df r o mj a p a ni ne a r l yd a y so f1 9 8 0 7 s i th a sb e e nm a d ek n o w nf r o m 2 0y e a r s 7 s e x p e r i e n c eo fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c et h a tv a c u u mb r e a k e r h a sc h a r a c t e r i s t i c so fs m a i ls i z e ，h i g ht e l i a b i l i t y ，1 i t t l er e p a r a t i o n a n d 1 0 wc o s t ，g o o dr a t eo ff n n c t i o n c o s ti sc l e a r b u t e v e r yd e v i c eh a so w n 1 i f e s p a n ，i ti sa f to b j e c t i v i t y l i k i n gt h er e s u l to fc h e c ki nr e c e n td e c a d e w i t ht h ei n t e r f l o wb e t w e e nb a o s t e e la n di s p a n e s em a n u f a c t u r e s w eb e l i e y e d t h a tt h o s ed e v i c e sh a v eb e e ni nt h e i rl a t e rs t a g eo fli f e s p a n ， a 11t h i s m u s tb en o t i c e db yo u r m a n a g e r sa n dt e c h n i c i a n s t h u s ，r e s e a r c h i n gt h e v a c u u m - b r e a k e r s l i f e s p a n ，d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y t o p r 0 1 0 n g i i f ea n d m a n u f a c t u r i n gm a i nd o m e s t i c - m a d ee l e m e n t so ft h o s ed e v i c e se t c ，m u s tb e d o n eq u i c k l y d o i n gt h o s ew o r k sc o u l dn o to n l ys o l v et h ea g i n gp r o b l e m ， o f f e rt h eh a s iso fd e c i s i o n s ，b u ta 1 s oc a nr e d u c et h ec o s to fm s i n t e n a n c e o rm o d i f i c a t i o n ，a n dc a ni n d e p e n d e n tf r o mf o r e i g nv e n d o r s ，m e e tt h eb e s t p r o f i to ft h e c o m p a n y t h i sr e s e a r c ht r i e st o a d o p t t h em a n n e ro f r e p l a c e m e n t o f s u r g e a b s o r b e r su s e d w i l d l yi n3 k yv a c u u t mb r e a k e r sb y d o m e s t i cp r o d u c t i o n s s i 1 c c t h em a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yh a s i m p r o v e dl a r g e l y ，t h er e s e a r c hi s l e s s c o s t ，l o w e rr is k ，a n di nt i m ea 1 s o ，d u r i n gr e s e a r c h i n g ，w ec o n n e c t e do u r p r a c t i c ew i t ht h ea n a l y z i n go ft h ev a c n o bb r e a k e ra c c i d e n t si nb a o s t e e l ， t r i e dt of i n do u ta n dc o m p r e h e n dt h ec h a r a c t e r so fv a c u n mb r e a k e ri n d e e d s ow ec o u l dt a k es as e t i o u s l ya n dc o n s i d e rf u l l yi nt h er e s e a r c ht h e r e a f t e r w ec 0 1 l a b o r a t e da c t i v c l yw i t hd o m e s t i cd e v i c em a k e r s ，i m p r o v e dt o g e t h e r i nt e c h n i c s l l y i nt h ec o u r s eo fr e s e a r c h ，w ea c c o r d e dt h ef o l l o w i n gs t e p s t od oo u rw o r k ：a n a l y z i n ga b o u tv a c u u mb r e a k e r 7 s w o r k i n gp r i n c i p l e s t u d y i n gt h em e c h a n i s ma b o u to v e r v o i t a g ea n di t sp r o t e c t i o n ，a n a l y z i n g d i s s e c t i o nt e a ta b o u tp r i m a ls a ，e x p a n d i n ga n dp r e y i n gt h ed o m e s t i c - m a d e d e s i g ns c h e m ea b o u tm o aw i t hi n t e r v a ig a p ，p r e - o p e r a t i o nt e c h n i c a lm e a s u r e a n de x a m i n et h er e s u l to ft h er e s e a r c h a 1 1t h e s ed o i n gs t e pb y s t e pi n o r d e r ，a n dw ec o u l dg e tm o r ei m p r o v i n gt h r o u g hs o l r i n gt h ep r o b l e 札 r e p l a c i n gt h ep r i n ls ab yi d o a w i t hg a pi np r i n lp l a c ei st h e k e y t e c h n i c a lo ft h i sr e s e a r c h r e s u l to fs t u d yi n d i c a t e dt h a ta d a p t i n gl ao f 。y ”t y p ew a sf e a s i b l e ，i th a dp a r t i c u l a ra d v a n t a g ea n dw a sw o r t h yt ob e t r i e d t h ef l e ws ah a v et a k e ni n t oo p e r a t i o nn o r m a l l y ，t h ism e a n w eh a d s u c c e e d e di ns e e k i n gam e t h o do fr e p l a c e m e n to ft h ei m p o r t e de l e m e n t so f d e v i c e si nb a o s t e e lw i t h5 0 o fi m p o r t e dc o s t ，h a dr e a c ht h ea n t i c i p a t e p u r p o s e t h es t a f fa l s or e a l i z e dt h a to p e r a ti n g o v e r v o lt a g ec a u s e db y v a c u u mb r e a k e rw a sv e r yc o m p l e x ，w em u s ts t u d yc e n t i n u a l l y l n i sr e s e a r c h i sj u s tab e n e f i c i a lt r yo n l y 0 nt h eb a s eo ff o r m e rs t u d y w ec a nd om o r e w o r k sf o ro u r c o m p a n y ，a n dm a n u f a c t u r e r s i no u rc o u n t r y k e y 麟：v a c u u mb r e a k e r ，o p e r a t e do v e r v o lt a g e ，s u r g ea b s o r b e r ， z n o1 i g h t n i n ga r r e s t e r ，r - ca b s o r b e r ，r e c o v e r yv o l t a g e 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，+ 均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 前布及知 日期：z 形砗f 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密留。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：沙p 声月 日 指导教师繇刎嗍 日期：汐z 年) 月日 宝妇3 i v 馈戏内过电压唛收嚣霄产亿研究 一、概述 l 、真空断路器在宝钢的应用 宝钢供配电系统发展至今已具备2 3 个变电所室，3 k v 等级以上的开关主 要有g i s 和真空二种。其中9 个变电所髓宝钢一期在8 5 年投运，且容量配置 已考虑戮了二飙以后的发展，该批设备全套从日本弓i 进，以后的设备蓦本上是 在9 5 年随三期项目落续建设投运的。在总结一期建设的基础上，三期设备选型 采用业主点菜单方式，供配电用开关桓以国外技术、国内组装设备为主，仅d i s 部分仍为引进。宝钢供配电系统总体设计思想沿习了一期日本模式，设备配匿 形式相对统一，仅制造厂不同而已，这可用以下图1 1 表达，以求有个总体概 念i 图1 - 1宝铒供1 6 电系兢构架两圈 f i g u r e l 一1t h es y s t o ms k e t c ho f 舶t 0 s t r e l se l e c t r i cp o w e r 因此，宝钢在应用真空断路器是在8 0 年代初，仅供配电系统目前达4 0 0 多 台除此外各生产厂( 用户) 电气室配电和操作用开关除极少数采用s f 6 断路 器、磁吹断路器和少油断路器外基本上也采用真空断路器，中高压部分可以说 真空断路器在宝钢一统天下在嗣际上，开关的。无油化”工作一直处于迅猛 发展之中，至1 9 9 0 年真空断路器占世界开关市场总销量的6 5 其中德国、英 国、美国为5 0 ，日本也在1 9 8 4 年用真空断路器和s f 6 断路器全部淘汰了少 油斯踌器。而在国内，至1 9 9 2 年真空和s f 6 开关已占油开关的1 0 ，而近1 0 宝饵3 i v 愦* 内过电压曩收器酉产他辑克 年发展更是迅猛，真空和8 f 6 已占主导地位，中压领域更是以真空为主。这一 系列数字表明，宝钢电气设备从一开始就大量选用真空断路器是符合发展潮流 的。而且一期因当时国内制造水平不过关采用引进，到了三期因国内制造水平 突飞猛进则选用国内生产品，节约了投资。故宝钢在选用真空断路器上有以下 三个特点： 1 ) 使用早；8 0 年代初已大量使用，在国内领先； 2 ) 一步到位：供配电系统中压开关1 0 0 使用，其比例一次性达到世界潮 流的趋势； 3 ) 制造精良：选用当时在国际上制造水平较高的厂家，如东芝公司等。 蒇宝钢一期引进的供配电设备从设备的运行、雏护而论，我认为十几年豹 实践表明它具有： 1 ) 体积小：与同容量的国产开关比体积仅为5 嘲至7 0 ； 2 ) 翻造工艺先进，可靠性高且维护量小：近二十年的数据表明，断路器盎 要元件真空泡真空度性能仍根稳定，仅发现过一只真空泡有真空度下 降，已及时更换；操作机构特性漂移很小，动作几乎不需调整；而配匿 的保护设备历年统计动作准确率1 0 0 ； 3 ) 维修成本低。仅发生精密试验费用，按状态管理方式目前未发生过大黪 项目。 可以说这些十几年前投运的真空断路器用摹实证明了它具有良好的性能盼 格比，特别在宝钢这样的特大型、流水型企业中尤其突出，因为任何供鼠电| i 殳 备的事故都将造成巨大的损失，它们为宝铜的稳定运行起到了至关重要的作甩。 2 、选墨的目的和理由 理论和实践知识告诉我们，任何设备i 直着使用时问和频度的增加均会产戋 磨损和老化，以至最终丧失应具备的功能，不能使用以致报废。这个过程体现 了设备的寿命周期，依据统计规律可用设备寿命周期。浴盆线”来形象表达， 见图1 2 ，电气设备也同样遵循这一规律。 雌r 埘m 如g 妇 稠1 - 2 设备寿审用弗曲戌 f i g u r e l - 2p e r i o d i c a l c u i v oo fe q u i p m e n tl i f e s p a n 宝钢一期弓i 进的真空断路器从出厂至今已有近二十年，制造厂提供的推簿 寿命为十八年，由此在宏观上可以认为设备已跨入老化期。尽管宝诵十多年来 按制造厂提供的精密点检方法和标准为主耍依据做好设备的基础技术管理，从 积累的丈量技术数据分析目前仍然比较稳定，但决不能i ；工一时的无事而放松警 惕。我认为老化期也分：初发期、发展期、加速期，一旦故障率上升，由于设 宝悄3 1 i v 馈线内过电压暖收嚣田产化研完 备的同一性则将发生联锁反应，而如果没有技术准备，没有措施，管理上就会 出现被动，会发生投资的不经济、不均衡现象。因此着手研究该类设备老化期 不同时期的对策无疑是必要的和及时的，这与目前宝钢在设备管理方面推行的 前沿管理。预知维修”思想相吻合。 在此思想指导下，公司从9 8 年起加强了与设备制造商的互访交流。通过多 次深入接触，我了解到日本电气行业在注重新产品开发的同时也十分重视设各 的寿命研究，投入了很大精力。日本各电气学会、通产省、制造商以及各用户 相互合作，制订了电气设备残余寿命的评估标准，以量化的管理指导行业工作， 有着独到的见解。在借鉴的基础上宝钢也制订了电气设备评估标准并在0 0 年试 点研究，以发展设备诊断技术为基础，近期以设备延寿为主，部分设备更新为 辅来推进老化期设备的管理，紧紧跟随先进管理并有所创新。如在设备诊断方 面已开发研制了新的真空泡真空度检测仪、绝缘油新开发了糠醛分析项目、电 机绝缘老化诊断项目以及电气设备发热远红外成像项目等等。推广应用中取得 了良好的效果。 我一直认为设备延寿技术关健是在主要元器件上下功夫，尤其是进口件的 国产化问题的解决，可使整套设备延长寿命且成本较低。而更新改造措施在t 目 前设备仍表现稳定的情况下可不提到议事日程上。因此设备延寿技术开发与设 备诊断技术开发一样重要，是防治结合的办法，也应加强研究。 正是在这样的背景下，我在0 1 年初科研工作计划中提出了本课惹，以此作 为一系列电气设备老化期针对措施之一，其目的和意义得到了公司科研处及专 家组认可，并综合考虑首先在3 k v 真空断路器内过电压吸收器国产化方面作偿 试，积累经验，做到循序渐进，成熟一个才推广一个。 3 、可行性初步分析 通过现场调查，一二期供配电3 k v 系统有真空断踌器将近2 0 0 多台，主要 采用东芝芝浦工场产v g a 5 3 系列，颧定电流从1 2 0 0 a - 3 5 0 0a ，额定断赂电流 为4 0 k a ，小车重量从1 8 0 公斤至3 8 0 公斤，体积小、重量轻、容量大，开关 柜分前后仓，前仓为小车，后仓为馈出线，在终站头处引铜捧至内过电压吸收 器，空间位置比较紧凑。 由于以前对真空开关操作过电压问题认识不足，且日方提供的资料中也没 有过电压吸收器的有关内容，因此近期在点检维修标准中对该部件比照常规的 绝缘试验标准制订了长周期点检项目，实施量不大。与开关本体及其它辅助件 相比。对s a 的了解是远远不够的。因此在项目中主要目标应是采用有效形式 和不破坏原有结构。 根据初步调研的结论，国内在真空断路器上采用并联电阻，r - c 阻尼吸收 器以及m o a 等方式均有，都具备制造能力，特别是国内m o a 制造技术已有 长足进步，制造厂众多，在体积、绝缘、防环境能力等方面均有很大提高，完 全有能力替代进口。因此，项目的最大难点是我们现场人员对于真空断路器操 作电压认识不足，但只要提高技术水平，解决如何配置，项目实施就不难。 综上我认为项目实施是可行的。而且根据现场实际情况，我组织相关人员 组成了课题组，并确立了边学习、边研究、边实践的工作思路，按此制订了详 细的工作推进计划。 3 - 宝蛔3 t v 馈蠼内过电压吸收嚣圈产 匕研宽 真空断路器工作机理分析 1 、真空断路器操作过电压的特点及其危害 早在1 8 9 3 年，日德赫斯( p 曲a m h s u s e ) 就发现了真空对交流电弧有着很强 的灭弧能力，并为此获得一项专利1 9 2 6 年加里福尼亚工学院的素锐睬 ( s a r c 啦s e n ) 教授发表了关于真空断路器的试验数据及分析结果，井预言应糟 的年代不久就会到来随着越来越多的制造厂加入研制以及基础理论的研究的 不断发展，至1 9 5 6 年之后真空断路器终于真正商品化并迅速扩展。 真空断路器由真空灭弧室、传动机构及操作机构组成，其中主要功能部 件 是灭弧室，俗称“真空泡”外表呈圆筒状，其结构原理图如图2 1 所示。它 通过筒内动、静触头的分合来断开和接通电路，筒内抽真空以起到灭弧作用， 内部气压应低于1 3 3 x 1 0 。p a ，一般为1 3 3 1 0 - 3 p a 真空断路器接入负载的电 路如图2 吨示，动静触头在剐分离的瞬间，触头之间将会产生真空电弧极稀 薄的空气己很难电离，因此真空电弧主要是依靠触头上蒸发出来的垒晨蒸汽朱 维持的，直到工频电流过零时，真空电弧的等离子体报快向四周扩散。这样电 弧就被熄灭触头间隙由导电体变为绝缘体，电流被切断 1 静电导抒 s t a t i cc o n d u c t o t 2 一支持屏麓罩的瓷拄 i n s u l a t o rf o rs b i e l d i n g 3 一主鼻麓罩 吐i ns h i e l d i n g 4 _ ，r 秃o u t e rs h e l 1 5 - 2 头e o n t a c t o r 卜最坟量w a v e li k ef l e x i b l et u b e 7 动导电杆m o v e a b l ec o n d u c t o r 匿2 - 1 鼻空天蕾耋培构篱圈 f i g u r e 2 1t h esi l a p l ed i a g r a mo fv a c u u mt u b e 8s t r u c t t i r e 1 一电嚣e l e c t r i cp o w e r 2 一真空泡v a c t l o nt u b e 卜壹戴l o a d 图2 - 2 真空断路嚣接 建巍的电路 f i g o r e 2 - 2v a c m md e v i c eu s e d i ne l e c c i r e u i tw i t hl o a d 3 宝铜3 【v 馈巍内过电压嗄收墨固产化研究 真空断路器的原理决定了其在电路中应用具有很多明显的优点，概括如下： 优良的灭弧性能； 很高的电气恢复强度； 优异的频繁操作特性； 是无污染的环保产品； 舫火、防爆安全性高； 操作方便，日常维护量小； 重量轻、体积小。 正因为真空断路器具有上述优良特性，它在电气行业得到了广泛的应用， 正如前文所述真空断路器是。无油化替代品。的重要产品之一。但因为真空灭 弧能力太强，操作时可能会发生很高的过电压，成为制约推广应用真空断路器 主要障碍之一由于电弧的寿命长短与电弧的稳定程度有直接关系，真空电弧 本质上是被约束在环形捕集室内的高温、稀薄等离子体，处在一种不稳定的匪 稳定状态，在诸多因素的作用下会发生电弧电流不过零的熄弧现象。典型的戴 流波形如图2 _ 3 所示，这是真空断路器所特有的现象。 图2 - 3 典型的真空断蓐嚣藏藏建形 f i g u r e 2 3t y p | c a ln v eo fi n t e r r u p t e dc u r r e n t i nv a c u u mb r e a k e r 众所周知，在任何实际电路中均存在电阻、电容、电感参数，其中电容、 电感均为储能元件，当操作或故障使其电路状态发生状态变化时，将有过渡过 程发生，而真空新路器快速熄灭电弧结合电路参数加刷了过渡过程，在各元器 件上有时会出现报能高的有害电压，一系列的研究显示真空断路器操作有害过 电压类型主要有以下几个方面： ( 1 ) 操作感性负载时 截流过电压 多次复燃过电压 三相周期切除过电压( 又称虚假截流过电压) ( 2 ) 操作并联补偿电容器组时 分闸重击穿过电压( 包括单相和多相重击穿) 合闸弹跳过电压 由于真空断路器制造工艺的不断发展，一些过电压闯题得到有效扼制，如 截流问题。目前较先进的铜铬合金基材料和纵磁技术已使截流水平降至0 4 安 培截流已不是一个主要的过电压危害。但表现在开断容性负载的重击穿过电 压和开断瘳f 生负载时的复燃过电压应引起重视，其危害性显然更大。 我认为有必要提一下复燃和重击穿是二个不同的概念，按i e c 5 0 规定；复 燃( & e i g 丑i t i o n ) 是“开关在开斯过程中，在电流过零后l ，4 工频周期心内触头 问电流的重现- ”可理解为系统誓态过程尚未结柬，触头间介质强度尚未完全映 复前发生的电流重现过程；重击穿( r e s t r i k e ) 是“开关在开斯过程中，在电流 ：吐零后l ，4 工频周期及更长的时问内触头何电流的重现，与复燃过程相比有根 大的差异。 复燃通常出现在开断感性负载过程中，不断复燃熄弧与感性参数作用下激 励出越来越高的过电压，与间隙间电气恢复展开了竞赛，其循环过程可以图纠 表示，一旦间骧问电气强度恢复足够，复燃将不再产生，电路才会被彻底切断， 否则将损坏真空泡。 二) q o 2 4 ” ： 卜hh 。泌j莎 o一1 e 。一。石c 一 一j 卜 、：n 0 ，l j s 田2 - 4 工燃过电压示耄熙 f i g u r e 2 - - 4o v e r v o l t a g oo fr e i g n l t i o n 重击穿通常发生在切除并补电容器的过程，当电容电流被切除后，因电容 器组上的电荷在短时间内无法释放，电容嚣组上将残留直流电压，这样在真空 断路器触头上将出现暂态恢复电压经过l ，4 工频周期恢复电压将出现最大值。 由于真空断路器有着一种特有的n s d d 现象( n o ns u s t a i n e dd i m l p t i v e d 沁h a n s ，非自持性击穿) 咐在电流切除后的5 3 0 0 m s 内在暂态恢复电压下有 可能击穿，从而引起电磁振荡，产生强的操作过电压但我们也许舍有一个疑 问，此时开关的触头距离已足够大，其电气恢复强度也已足够高，怎么能够发 生重击穿呢? 的确，到目前为止，这种n s d d 现鬟的机理还未完全弄清楚，事 实证明这种现象存在，也是真空断路器所特有的现象，我们应当引起重视。有 一点，在真空泡制造质量不好的情况下重击穿事可达2 0 以上，而镧造质量不 好直接有影响的是触头丽电气强度( 包括热态) ，因此，我认为物理结构应是熏 要因素之一。 在应用、推广使用真空断路器的过程中总结出不少限制操作过电压的方法， 概括如下： ( 1 ) 限制操作感性负载过电压的方法： 宝钢3 1 v 馈饯内过电压爰收矗日产化研究 连接电缆； 并联电容器； 并联r c 阻容支路； 并联m o a ； 在断中器负载侧串联饱和电抗器； 在断路器上安装分流电阻 ( 2 ) 限制操作电容器组过电压的方法： 真空断路器投运前进行老练试验，减少开断电容器组的重击穿率； 改善真空断路器的合闸特性，减少或消除合闸弹跳现象； 相对地加装 d o a ； 在串联电抗器上并联电阻性过电压限制装置 综上所述，由于真空断路器的动作机理决定了它的高灭弧性能，在切除感 性负载时可能会产生危及电力设备绝缘的过电压；而真空断路器的重击穿珊象 和合f 田弹跳现象在操作并联电容器组时可能会产生危及电容器和串联电抗辐的 过电压水平。但无论是何种情况，只要采取适当的措旅，完全可以把操作过电 压限制到电力设备绝缘水平所允许的水平以下，操作过电压也就不会成为应用 真空断路器、实现开关“无油化4 的障碍。 2 、宝钢典型事故的简介 由于宝钢使用真空开关比较早，也较多，使用至今总体上开关质量较好， 暴露出的问题比较少，特别是国产真空开关经常出现的真空泡漏气，操作机构 动作不正常、绝缘件性能不过关以及金属棒加工不精确，强度不够等闯愿几乎 很少碰到。但事物也要一分为二，在真空断路器操作过电压上有过多次毒习题， 我就自己所知的三个典型的案例作简单介绍； 寨倒一：宝钢二期引进了连铸、热轧、冷轧流水线，其中热轧枫组设备具 有电冲击负荷大、谐波承平高的特点，因此在引进设备中配有s v c 装置( 西f j 子制造) 。该装置主受电断路器采用真空形式，为提高断路能力，回路采用二台 真空断路器串联使用，用同步装置( 电气同步) 来保证动作一致。在一次故障 跳闸中，由于同步器调整不良发生不同步分闸，双断口变为了单断口，一台断 路器的真空泡击穿受损，经更换真空泡并对同步装置进行调整后正常，未发生 过其它问题。 我认为此事故从直观上讲为设备本身调整不良引起，但从根本上讲也是真 空开关的特点造成。重新认识双断口设计的真正目的是提高抗断口恢复电压舶 能力，但当时由于机械传动机构制造承平的限制采用了两台断路器串联，褥睦 不当就容易引发事故。后在事故整改措施中对同步装置制订了严格的定期点检 标准，做好倾向管理，防止事故的再发生 寨饲二：宝钢三期引进了法国克莱西姆的1 5 0 t 大型直流电弧炉，其电负荷 也具有冲击大，谐波污染严重的闯题。因此在电炉供电回路设计了s v c 装置， 一方面进行无功补偿，另一方面吸收整流装置发出的高次谐波。该装置由克莱 西姆总承包，施耐德公司制造s v c 装置、a i g 公司制造真空断路器、口i n 公司制造主变压器，系统原理偷图见附件一。 9 6 年1 2 月2 8 日，施耐德专家在电炉总降现场对s v c 装置进行联动调试， 宝铜3 1 w 馈残内过电压曩收墨田产 匕研究 在准备结束当天调试计划、停用s v c 装置时( 采用自动) 发生了事故，当时电 炉即将进行热负荷试车，s v c 至此仍是空载状态下的调试。据记录至事故发生 s v c 空载投运、停止操作共计2 0 次。 事故造成二次回路真空断路器发生爆炸，引发高压开关柜内三相短路、接 地，见圈2 - 5 和图拍。短路电流造成主变内部桡组损坏、喷油，见图”，变 压器差动保护动作转送至l1 0 k v g i s 跳闸隔离了事故区域。li o k v 电缆受强大 电动力作用崩断绑扎绳从槽架上弹落，见圈2 - 8 。1 1 0 k v 供电系统低电压达 2 4 0 m s 。诸多电气设备受影响跳闸。其严重性可见一斑。 一8 圈2 _ 8l t o k v 供电电境事故申跣出槽泉 f i g u r e 2 8c ir c 呻s t a n c eo f1 1 0 vc a b l ei nt h ea c c i d e n t 事故发生后，中外双方成立联合事故调查组，对所有设备进行了详细的检 查和鉴定，确认当时电罔系统正常事故时保护动作正常，事故源头为二次回 路真空断路器爆炸，变压器受损是制造质量差，未能抗住应能承受的短路电流。 在全面调查取证后，中外双方围绕引发事敌的鬣因进行了激烈的辩论，中、 法、德、意、日各国专家汇集宝钢共同进行了技术分析，由于各自利益关系。 9 - 宝钢3 1 v 馈战内过电压曩收暑再产化研究 此事进展缓慢，但最终中方技术谈判取胜。外方代表法国克莱西姆公司同意中 方主要分析意见： ( 1 ) 事故是由于真空断路器发生重击穿引起。 ( 2 ) a e g 真空断路器t r v 指标不合格引起击穿。 ( 3 ) 主变压器本身质量不过关 在此共识基础上。双方签署处理协议，意大利塔尼利同意赔偿一台变压器 并接受中方监造，克莱西姆赔偿5 台真空断路器，9 7 年4 月s v c 赔偿断路拳、 变压器投入运行。采用a e o 新型双真空泡审联、s f 6 绝缘金晨封闭式断路器- 案倒三：电炉总降新型断路器投运之后，进行了一段时间电炉生产，各项 测试指标均正常9 7 年6 月2 2 日，还是在二次回路的真空断路器回路又期生 重复事故( 此时前后已正常投行1 9 次) ，发生了爆炸，见圈2 - 9 、圈2 - 1 0 、圈2 q 1 和图2 - 1 2 本次变压器来受损，保护动作正常对供电系统影响较上次小但 现象基本相同，也是空载正常的分闸事故发生后迅速会同外方进行处理。 1 0 - 困2 1 2 对损坏的真空池进行现爝鉴定检壹 f i g u r e 2 1 2a p p r a i s i n gc h e c k a b o u td a s a g e dv s c u u mt u b e s 通过双方协商，在原系统退出t c r 及2 t h 回路后以静补方式临时保证电 宝栩3 呈v 馈践一l 过电压曩收器国产化研究 炉生产，同时对事故原因又一次进行了艰难的、马拉松式的谈判，最终达成一 致分析意见： ( 1 ) 系统存在不过零的直流分量，造成开关无法熄灭电弧。 ( 2 ) 外方未按中方要求提高耐t r v 水平，坚持原设计且未通知中方。 鉴此双方签署备忘录，外方负全责，同意仍然赔偿5 台断路器。 在双方分析的同时，本人接受公司任务，组织对国内大型钢厂所用电炉无 功补偿装置进行技术调研，2 周内先后调查了广钢、韶钢、午钢、大冶、天津 大无缝、沙钢等，在调查分析基础上报告公司建议采用s f 6 断路器，为公司专 家组决策提供调查依据。外方最终也认同宝钢选用了梅兰日兰s f 6 液压操f l j 机 构的断路器作为改进。同时对原系统接线方式作了修改，系统原理图见附件二。 改造后的s v c 装置于9 8 年1 1 月投运至今断路器未发生问题。 这里要说明的是我介绍案例的匿的无非是想强化对真空断路器操作过电压 的危害印象。在开展新的研究的时候，回顾一下已发生的事无疑会对今后的工 作有所启示。由于各种原因( 主要涉及合同) ，案倒二、三中所指出的原因分析 是否确切还有待进一步研究，但藐自己在处理的过程中也有一些体会； 二次事故均在t c r 可控硅脉冲封镇之后，此时系统正常，可以认为均是正 常开断大容量并联电容器，而且故障录波显示在分断动作之后较长时间发宝爆 炸，显然符合前面所述的重击穿概念。事故中回路中元器件没有严重问题，说 明我们不光要注意操作过电压对负载设备的影响也要认真重视真空泡本体的 承受能力。在s v c 第二次事故之前各回路在避雷嚣的基础上还加了r - c 保护 仍使双斯口真空泡受损。这足以说明这一点。在容性负载中对真空斯路器蠲型 要慎之又慎，我认为不管是复燃还是重击穿，其本质是介质的恢复时或恢复后 的强度与触头断1 2 闻的恢复电压的较量，关系銎i 真空斯路器乃至负载设备的安 全。我的一个很深的体会是在容性负载真空断路嚣选型时，一方面要对其垂l 式 试验加以验证，保证抗断口恢复电压的能力，而不能仅以电压等级来选；另一 方面要尽可能计算好恢复电压的水平，因为它与回路参数和断路器是共同作用 的。在重要设备的验收上，如成本能承受也应尽量做真空泡的老练项目，尽管 增加了采购费用，但这样可以大大降低事故的发生。 3 、宝铜3 k v 系统的特点 宝钢3 k v 系统的典型单线系统可见附件三，从中可见馈线负载主要分二 类：一类是电缆加用户降压变压器，另一类是电缆加用户母线、配电柜。而用 户方面的负载主要是电动机，因此从总体特点上分析呈现感性。 真空断路器在回路中的作用主要是空负荷送电、检修隔离、传输额定范围 内的电能以及故障隔离。在动作频度上首先以空负荷停送电为主，对真空断路 器而论应是截流过电压易发，特别是感性小电流如空载变压器。 现系统安装的扼制过电压设备为r - c 阻尼器( 见第三章解剖结论) ，主要 能明显扼制恢复电压的上升速率和吸收能量以降低过电压幅值，从而明显抑制 复燃过程的发生。对照前面综合的理论，可以认为现有设计主要针对的是感性 负载下的操作过电压，初步分析是符合实际操作情况的。 由于宝钢采用日方设计，3 k v 系统主变为中性点小电阻接地，故系统与我 国电力系统的惯例中性点非有效接地方式有所区别，在项目研究中应注意这一 不同点。 宝钢3 9 v 馈残内过电压吸收嚣霄产化研究 三、过电压吸收器国产化方案研究 1 、原过电压吸收器的解剖 由于原先对内过电压吸收器认识不足，日常维护也没有制订相关的标准， 因此必须首先对此进行现场调查。课题组的人员翻阅了所有日方资料，没有查 銎湘关说明书，传真至制造厂进行咨询也没有回复，我们决定对安装的设备进 行解剖检验，以彻底了解其结构、原理以及设备状态。 按推进计划，我们在0 1 年6 月、7 月分别抽样选择了3 k v 系统备用柜及运 内柜各一组( 共6 只) 的s a 作为样品，拆下后8 月份送本科研项目协作单位巨 森电器有限公司进行解剖检验。 解剖试验报告见附件四。 由检验结果可知宝钢一、二期供配电系统所使用的真空断路器配置的过电 压吸收器为阻容式。尽管形式试验表明有绝缘不合格现象，而且明显与使用时 间密切相关，属自然老化，但我认为仍能满足现场使用要求，证明产品质量很 好。由于设备使用时问已较长，应该引起重视，设备老化现象还是存在的。 在检验工作的同时，对s a 现场安装的方式、尺寸也作了测绘，其外形如图 3 1 。 囤3 - 1 原s 外形圈 f i g u r e 3 - 1a p p e a r a n c ep h o t o g r a p ho f f o r m e rs a 2 、原过电压吸收器的工作机理分析 在电力系统中，因多种原因会产生各种操作过电压，特别是真空断路器得 到了大量使用，操作过电压问题更加突出，操作过电压已作为电力系统绝缘配 合的主要依据，其的保护装置，主要有避雷器、阻容吸收器和j p b 组合式过电 压保护器等。 阻容吸收器作为操作过电压保护装置，在国外发展得较早，但大多都是和 避雷器相互配合使用，主要的保护对象是真空开关，其保护原理是利用阻容增 大系统对地的电容量，降低过电压的振荡频率( 可以减少过电压的波前上升陡 度，对感性负载的纵绝缘有一定的保护作用) ，从而实现降低断器的复燃概率， 达到保护效果，现将其工作原理简单介绍一下： u r w - r 一 一ri l c - i i 卜真空开关c a - 负载侧杂散电容k 一负戴电感i t 、c - s a 吸收器 l i - 电源侧电感c 。一电源侧分布电容 - v a c u u mb r e a k e r 一s c a tt e r e dc a p a c it o ri nl o a d l e - i n d u c t a n c ei n l o a d r 、c - s u r g ea b s o r b e r l l - i n d u c t a n c ei ns o o r c ec i - s c a t t e r e dc a p a c i t o ri ns o u r o e 阁卜2s a 吸收器工作原理田 f i g u r e 3 2w o r k i n gp ri n ci p l ed r a w i n go fs a 圈3 2 是单相开关操作过电压原理图。当s a 吸收器没接入时，真空开关k 分断后，c 。和l 0 形式一个振荡回路，其振荡频率为 f = l ( 21 【4 l 。c 0 ) ( 3 - 1 ) 由于c o 很小，所以振荡频率很高。 当s a 吸收器接入后，因c c 0 时，所以这时的振荡频率就降低了很多。 真空开关在操作时会产生一种与截流过电压完全不同的复燃过电压，它与电 网及负载的分布参数有关，其频率较高，特别是感性负载，更容易产生复燃过 电压。假设开关触头在电弧过零前瞬间分断电弧先在该相熄灭，此时触头间 将同时产生两个互相依存，互相矛盾的电压恢复过程u h ( t ) 和介质强度恢氨电 压u j ( t ) 。交流电弧恢复的条件是u i ( t ) u h ( t ) ，反之，u ( t ) u h ( t ) 电弧就复燃。由于开始触头问距根小，u 。( t ) 不高，当u ，( t ) u 。( t ) 时