（电气工程专业论文）真空开关操作高压电动机引起的过电压及其抑制.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 真空开关在开断高压电动机时可能产生节流过电压和重然过电压，对设 备绝缘造成严重威胁。本文利用电磁暂态计算程序( e m t p ) 对上述过电压进 行了仿真计算研究并和实际事故记录进行了对照；同时，分析了基于r c 装置 和m o a 联合保护的过电压限制方法；基于l r 阻尼原理探讨了使用l r 装 置限制过电压的可行性；并得出了以上保护装置的参数确定方法。 关键词：真空开关，操作过电压，保护，高压电动机 a b s t r a c t w h e nv a c u u ms w i t c h e ss w i t c ho f fh v m o t o r ，m u l t i - r e s t r i k i n go v e r v o i t a g e m a yb eb r o u g h ta b o u ta n dt h r e a t e ni n s u l a t i o no fe q u i p m e n t ss e v e r e l y i nt h i s t h e s i s 、v eu s ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t p ) t os i m u l a t ea n ds t u d y t h i so v e r v o l t a g e ，a n ds t u d yh o wt ou s em o aa n dr cd e v i c et or e d u c ei t a tt h e s a m et i m e ，b a s e do nl - rd a m p i n g p r i n c i p l e s ， r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h e f e a s i b i l i t yo fr e s t r i c t i n go v e r v o l t a g eb yl - rd e v i c e t h u sm e t h o d so fe n s u r i n gt h e p a r a m e t e r so ft h e s ed e v i c e sa r ec o n c l u d e d z h a n gj i a n m i n ( h i g hv b l t a g ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n x i n k e yw o r d s ：v a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n go v e n ，o l t a g e ，p r o t e c t i o n ，h vm o t o r 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 真空开关在开断高压电动机时可能产生节流过电压和重然过电压，对设 备绝缘造成严重威胁。本文利用电磁暂态计算程序( e m t p ) 对上述过电压进 行了仿真计算研究并和实际事故记录进行了对照；同时，分析了基于r c 装置 和m o a 联合保护的过电压限制方法；基于l r 阻尼原理探讨了使用l r 装 置限制过电压的可行性；并得出了以上保护装置的参数确定方法。 关键词：真空开关，操作过电压，保护，高压电动机 a b s t r a c t w h e nv a c u u ms w i t c h e ss w i t c ho f ! fh vm o t o r ，m u l t i - r e s t r i k i n go v e r v o l t a g e m a yb eb r o u g h ta b o u ta n dt h r e a t e ni n s u l a t i o no fe q u i p m e n t ss e v e r e l y i nt h i s t h e s i sw eu s ee l e c t r o m a g n e t i ct r a n s i e n tp r o g r a m ( e m t p ) t os i m u l a t ea n ds t u d y t h i so v e r v o l t a g e ，a n ds t u d yh o wt ou s em o aa n dr cd e v i c et or e d u c ei t a tt h e s a m et i m e ，b a s e do nl - rd a m p i n g p r i n c i p l e s ， r e s e a r c h e sa r em a d eo nt h e f e a s i b i l i t yo fr e s t r i c t i n go v e r v o l t a g eb yl - rd e v i c e t h u sm e t h o d so fe n s u r i n gt h e p a r a m e t e r so ft h e s ed e v i c e sa r ec o n c l u d e d z h a n gj i a n m i n ( h i g hv b l t a g ee n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l j uj i a n x i n k e yw o r d s ：v a c u u ms w i t c h ，s w i t c h i n go v e r v o l t a g e ，p r o t e c t i o n ，h vm o t o r 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文真空开关操作高压电动机 引起的过电压及其抑制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师 指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以 标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期：趔二尘一 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被 查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：沙。扩厂口 导师签名： 日期：竺：至：二：_ 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 真空开关概述 第一章引言 近2 0 年来，真空断路器有了很大的发展，这得益于真空断路器技术的进步。 真空断路器技术的进步表现在大容量化、低过电压化、智能化和小型化n 5 3 。 1 、大容量化： 真空断路器的容量已有很大的提高，完全能满足电力发展的需要。目前，真空 断路器的额定电流已达4 0 0 0 a ，额定短路开断电流已高达1 2 k v 下6 3 7 0 k a 。东芝 公司在实验室试制2 0 0 k a 。 真空断路器迈向大容量化，首先是由于触头结构的改进。触头结构的改进经历 了平板触头一横磁场触头一纵磁场触头。平板触头的开断电流在8 k a 以下，横磁场 触头将开断电流提高到4 0 k a ，而纵磁场触头又将开断电流大大提高，达到目前的 6 3 8 0 k a 。东芝公司开创使用纵磁场触头，目前各大制造公司为提高开断电流也改 横磁场触头为纵磁场触头。如西门子公司原先采用横磁场触头，改用纵磁场触头后 将开断电流提高至7 0 k a 。a b bc a l o re m a g 公司新开发出双极和四极纵磁场触头， 将开断电流提高到6 3 k a 及以上。a e g 公司也最新开发出纵磁场触头与横磁场触头相 比，灭弧室体积减至l 3 。 触头材料的不断改进提高了开断性能，触头材料目前主要有两大体系：c u b i 和 c u c r 。与c u b i 相比，c u c r 材料具有短路电流开断能力强、介质强度高、耐烧蚀、 截流低等优点。目前世界上一些著名公司均采用c u c r 触头材料，西门子公司一直 采用c u c r 触头材料。我国现在均为c u c r 触头材料，使用c u c r 材料将截流水平降 到了3 5 a 。 触头材料还在不断发展，在c u b i 和c u c r 之后又出现了更好的c u t a 等材料。 2 、开发低过电压触头材料，降低截流水平，从而降低截流过电压水平。 如所周知，真空断路器属”硬”开断特性。开断小电流时容易截流，引起过电压。 这个问题曾是人们使用真空断路器最关心的问题。c u c r 触头材料的使用，大大减少 了截流值，如西门子公司命名用c u c r 触头材料，做到试验截流值3 a ，产品保证不 超过5 a 。日本几家公司先后都开发低过电压触头材料，如东芝公司研制出a g w c 触 头材料，富士公司在c u c r 触头材料里添加高蒸气材料等，这些触头材料能有效地 解决截流问题，可将截流值降低至1 1 0 。但截流与大电流有矛盾，因此低过电压真 空断路器一般只能做到7 2 k v2 0 k a 水平。因此，仍需要研究其他过电压保护措施 以限制过电压水平，保证电力设备安全。 l 华北电力大学工程硕士学位论文 3 、采用先进的一次封排工艺，缩小灭弧室管径，减少零件数使真空开关小型 化： 一次封排工艺是制造真空灭弧室的先进工艺。2 0 世纪8 0 年代初，英、美等国 已将一次封排工艺用于真空灭弧室的大批量生产。英国g e c 公司和美国西屋公司最 早采用一次封排工艺。现在东芝公司、西门子公司、a b bc a l o re m a g 等公司也已采 用一次封排工艺。 一次封排工艺将焊接、除气、封装、排气等工艺步骤在真空炉中一次完成，大 大简化了制造工艺，提高了产品的可靠性、稳定性和一致性。一次封排工艺特别适 合大批量生产；常规工艺从零件清洗到排气结束约需6 7 天，而一次封排工艺只 需2 3 天。缩短周期达5 0 以上。 一次封排工艺及新技术的使用缩小了灭弧室管径，减少了零件数，使造价降低； 举例来说，过去1 2 k v3 1 5 k a 真空灭弧室的管径约2 0 0 咖，而今天1 2 k v6 3 k v 真空 灭弧室的管径却降至约1 0 0 咖。这就是说，容量提高了一倍，而灭弧室管径却降至 l 2 。东芝公司从1 9 7 8 年到1 9 8 6 年间，灭弧室尺寸几乎缩小了一半。三菱公司新 开发的第五代真空灭弧室，采用c u t a 触头材料，使之7 2 k v1 2 5 k v 真空灭弧室的 管径仅为第一代产品的l 1 5 。西屋公司1 5 k v1 2 k a 产品的灭弧室直径从1 9 6 7 年的 1 7 0 c m 减小到1 9 9 5 年的5 0 m m 。 真空灭弧室尺寸的减小是真空技术、真空工艺、真空灭弧室设计发展的主要结 果。而真空灭弧室管径的缩小，结果使真空断路器的整体尺寸大大减小，从而使真 空断路器趋于小型化。 近年来，继弹簧操动机构之后，又出现了永磁操动机构。永磁操动机构用永久 磁铁锁扣，用电磁铁操动，用电容器储能且用电子控制。它大大简化了运动链，原 先弹簧操动机构有2 0 0 多个零件，而永磁操动机构的运动件不过6 8 只。 永磁机构寿命长，机构操作可达1 0 万次。现用于中小容量的真空断路器，特 别适用于频繁操作和同步断路器。 4 、二次技术现代化使真空开关智能化： 真空断路器的二次技术从传统技术转向现代技术。机电一体化技术把信息传感 技术、计算机控制技术、伺服驱动技术加入开关设备的机械系统，使开关系统有了 ”大脑”，有了”知觉”，使开关设备智能化。 在断路器二次现代化方面各大公司都作出了努力，欧洲几家公司卓有成效。 1 9 9 6 年a e gt d 公司在汉诺威博览会上展出了d p i 型真空断路器。装在侧面操动机 构内有集成保护装置，其中包括一只微处理器和一只低能量脱扣器。a b bc a l o re m a g 公司最新开发出r e c 5 8 0 型保护与控制装置，它属于模块式结构。与传统装置相比， 2 华北电力大学工程硕士学位论文 这种现代控制和保护装置扩大了功能，并降低费用约2 5 。西门子公司于1 9 8 5 年开 发出第一个以微处理器为中心的数字保护装置，1 9 9 0 年开发出第二代产品。 总之，真空断路器之所以为众多厂家青睐是因为真空极为优异的绝缘性能和灭 弧能力及真空技术的进步使真空开关具有下列优点：( 1 ) 真空开关体积小、重量轻。 ( 2 ) 真空开关寿命长，维修工作量小，适于频繁操作。( 3 ) 真空开关操作功小， 操作时振动小、噪声小。( 4 ) 同时它安全、对环境友好：在人们普遍注重环保的今 天，这点尤为重要。在真空断路器中，不产生分解物，因为在这里开断时只产生金 属蒸汽。真空灭弧室绝对密封钎焊，不会与环境相互影响。灭弧室的所有材料均以 洁净的状态保持在整个寿命期间。因此，真空灭弧室对外部环境具有良好的保护性。 真空开关已经成为中压领域最有前途的开关设备之一，并且已被我国正式确定 为中压领域开关无油化的替代产品 17 1 。 1 2 真空开关操作高压电动机过电压问题研究的必要性 随着电厂单台机组容量的增大，附属机械设备拖动用的电动机容量亦越来越 大，而且操作也比较频繁。而真空开关在开断高压电动机过程中一旦发生重燃，容 易产生重燃过电压，过电压幅值较高，容易对设备绝缘造成危害，因其操作频繁产 生过电压乃至引发的绝缘事故时有发生，2 0 0 7 年初，华电卓资发电有限公司6 k v 厂 用电系统所有开关均采用真空开关，其中4 # 一次风机在曾发生电动机绝缘击穿烧 毁事故，考虑到电机为新电机，真空开关为新开关，尚需老练，分析原因认为可能 是电机原有制造故障在真空开关操作过电压下诱发击穿造成，由于处理得当，虽没 有造成重大事故，但仍然是运行中一个令人头疼的安全隐患，在国内外其他地方， 类似事件也曾发生过，以现阶段技术水平，要开关不发生重击穿还很困难，因而因 此研究真空开关操作高压电动机所产生的过电压以及采用合适的过电压保护措施 就显得很有必要，具有重要的理论意义和实用价值。 1 3 高压电动机操作过电压及现行保护特点 高压电动机的运行条件严酷，始终工作于额定电压和出力状态，场强高，绝缘 弱，在启动状态开断时，很容易发生多次重燃过电压，可能产生高达5 倍的过电压， 而且时间很短，陡度升高很快，若仅靠传统电动机电容和避雷器保护，难以达到良 好的效果，加大了电机击穿的可能性。 高压电动机产生如此高的过电压的根本原因是开关重燃，但实际上如今不存在 “无重燃穿开关 ，因此必须加以保护。大量试验数据证明：国产1 0 k v 及以下真空 华北电力人学工程硕十学位论文 开关重燃率约( 2 4 ) ，经老练后可降至1 以下，3 5 k v 真空开关的平均重燃率可 达( 5 1 0 ) ，由于真空开关操作频繁，因此重燃过电压仍是不可忽视的安全问题。 目前，我国大多使用氧化锌避雷器( m o a ) 作为电动机保护，在配置m o a 时很 少实际计算或进行试验验证过电压的大小，而是按照经验进行保护配置，一般接成 i 型接线，均为三相接地，这种m o a 接线形式可保护单相重燃引起的相地过电压， 但由于电机绝缘很弱，参数选择不恰当时，很难真正起到保护作用。 1 4 论文所研究的内容及完成情况 本文针对真空开关操作高压电动机产生的过电压和保护措施进行研究，以期为 限制过电压的产生，减少过电压事故的发生。 经过近一年的努力，在导师的指导及一些专家的帮助下论文完成情况如下： 1 结合本厂实例，对真空开关开断启动状态高压电动机时可能出现的重燃过 电压进行了全过程仿真计算研究，摸清了本厂6 k v 系统真空开关开断高压电动机产 生过电压的情况。 2 深入研究了m o a ( 氧化锌避雷器) 模型，并对使用m o a 限制多次重燃过电压 的方法进行了深入分析，对其保护效果进行了计算验证并研究了其能量吸收情况， 最终为我厂的电动机保护选择了有效的保护方案。 3 、深入研究了r c 装置原理，提出了r c 装置应用于电动机保护的参数选取方 法，并编制了参数选取软件，解决了现场只凭经验选择的弊端。 4 、深入研究了l r 装置原理，并讨论了将其应用于真空开关投切电动机过电 压的防护的可行性，并研究了其参数选择方法。 4 华北电力人学- l ：程硕士学位论文 第二章真空开关开断特性 2 1 真空开关的开断原理 真空开关开断时触头间将出现真空电弧，只有电弧熄灭后真空间隙成为绝缘介 质，开断才真正结束。开断过程中电弧由导体向绝缘体的过渡过程称为介质强度恢 复过程，主要由开关特性决定。开断过程中触头两端电压的增长过程称为恢复电压 增长过程，主要由电路参数决定。真空开关的作用就在于控制真空电弧并加速其介 质强度恢复过程。介质强度恢复过程和恢复电压增长过程互相影响，如果介质强度 一直高于恢复电压，则电弧熄灭，真空间隙恢复为绝缘介质，开断成功。否则真空 间隙将被击穿，电弧再次出现，称为重燃。 2 2 真空电弧理论 2 2 1 真空电弧 如图2 - l 所示，真空电弧由三部分组成：阴 电位 极区、弧柱区和阳极区。真空电弧有两种显著不 同的形态，即小电流下的扩散型真空电弧和大电 阱撅区 流下的集聚型真空电弧。 一小电流真空电弧 圈2 1 ：真空电弧 区 电流值在数千安培以下的真空电弧都属于小 电流真空电弧。小电流真空电弧具有电流密度和能量密度都十分密集的阴极斑点， 从阴极斑点大量蒸发金属蒸气并向轴向和径向扩散，形成从阴极斑点向阳极逐渐加 粗的锥型弧柱。这种存在阴极斑点并不断向周围扩散的真空电弧称为扩散型真空电 弧。 对于扩散型真空电弧，当电弧电流趋于零点时，电弧的输入能量减少，蒸发作 用减小，如在某一电流值弧柱扩散速度过快，阴极斑点附近的蒸气压力和温度骤然 下降，使金属质点的蒸发不能维持弧柱扩散，则电弧骤然熄灭，形成截流现象。 扩散型真空电弧熄灭后，电极的熔化区域在微秒数量级内便会迅速冷却，不再 向等离子区提供电子和金属蒸气，随后电弧电压迅速过零，弧隙上出现暂态恢复电 压( t r v ) 。在t r v 作用下，电子向阳极运动，阴极形成正离子覆盖层( 鞘层) 。鞘 层对阴极起到屏蔽作用，使流向阴极的正离子大大减小。随着鞘层的变厚，触头间 隙介质强度迅速恢复。由上可见，扩散型真空电弧具有极高的介质强度恢复速度， 华北电力大学l ：程硕士学位论文 一般在微秒数量级即达到真空间隙的击穿电压水平。 二大电流真空电弧 电弧电流产生的磁场对电弧等离子体产生径向的磁压力，磁压力的增大超过气 压力的增长，电弧等离子体两端逐渐被限制在触头的局部表面上，出现阳极斑点， 同时阴极斑点不再向四周扩散，它们互相吸引，集聚成一个或几个阴极斑点团，这 种电弧称为集聚型真空电弧。集聚型真空电弧熄灭后，电极表面的熔化区域的冷却 需要毫秒数量级的时间。在恢复电压上升过程中，不可避免地就要发生重击穿。 横向磁场触头就是利用电流流过触头时产生的磁场驱使集聚型真空电弧不断在 触头表面运动，以防止触头表面严重熔化。采用纵磁场触头时，电弧呈扩散形态分 成许多细弧，均匀分布在整个触头表面，有利于电弧电压 提高开断电流和延长触头寿命。纵向磁场能直接 降低电弧电压。在电弧电流一定的条件下，纵向 磁场与电弧电压的关系如图2 2 所示，产生最低电磁场强度 弧电压的磁场强度与电弧电流近似成正比。 圈2 2 二电弧电压与磁场强度的关茉 纵向磁场的另一重要作用是能够极大地提高 真空电弧的集聚电流值，纵向磁场触头就是利用纵向磁场来提高真空电弧的集聚电 流值，这样在很大电流下真空电弧整体仍维持扩散型。 2 2 2 真空电弧模型 目前真空开关的电弧模型主要分为两种：一种是物理数学模型，一种是黑盒 模型。 一物理一数学模型 这类模型是基于热力学、流体力学、电磁场理论、材料学等学科的基本理论来 列写描述电弧物理现象的数学方程，然后求解得到给定条件下电弧的特性。其优点 是物理概念清晰，数学推理严密。缺点是所得数学公式过分复杂，为了求解不得不 作出一系列简化和假设并引用很多试验数据，实际应用也很困难。特别是这类模型 目前大多数还不能和电路方程联立求解以确定开断过程中电弧的燃灭情况。 二“黑盒”模型 这类模型的基本思想是把电弧看作一个“黑盒”，不深究电弧内部复杂的物理过 程，而是从研究电弧外部特性着手，将电弧视为由若干时变外部变量( 电压u 、电 流i 、电导g ) 及时变、非线性电弧参数表示的电路元件。其优点是形式简单，便于 和电路方程联立求解以确定开断过程中电弧的燃灭情况。缺点是必须进行大量试验 以确定模型中一些参数的变化规律，而且引入了过多人为的简化和假设，其严格性 6 华北电力大学工程硕士学位论文 尚待考证。这种模型近年来得到一定的应用，典型的有克西方程，迈也尔方程和控 制论方程。其中以迈也尔方程应用较广【1 引。 一个电弧黑盒模型的建立过程大体包括开断试验、参数确定、有效性检验三个 阶段。下面以m a r y r - s c h w a r z 模型为例进行说明。 m a r y 卜s c h w a r z 模型的电弧方程基于下面的能量平衡方程式： 塑：撕一p 班 式中：q 一弧柱积存能量；p 一电弧散失的功率； “电弧电压；f 电弧电流；“f 电弧吸收的功率； m a r y r 对电弧作了如下假设： 弧柱为一直径不变的圆柱体，其温度随离开轴线距离的增大而降低。 认为电弧电压等于弧柱压降，同时不计沿轴向及电极散发的热量。 弧柱散失的功率主要是由于传导和辐射，不考虑对流。 不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度的变化。 弧柱中热游离情况可按沙哈方程式确定，即 ，旦、 g = g i j 瓯 式中：g o - 常数； 鲕一单位弧柱的某一含热量，输入弧柱此数量的热量或弧柱散失此数量的热量时， g 变化e 倍； m a 巧r 得到的原始方程表达式如下： ! 塑：! ( 堡一1 ) gd l e 、p i 式中： 矽一电弧时间常数；g - 电弧电导； 在m a r y r 原始方程中，p 和矽均为常数，这与实际情况相差甚大。后来不少研究 者对此提出修改和改进，在这些改进者中s c h w a r z 的观点被广为采用，他将p 和护 均假定为电导的函数，即 秒( g ) = 吼g 口 p ! l 曲= p 0 9 9 由此得到m a r y r s c h w a r z 模型的一般形式，即 古鲁= 去c 专叫 式中有口o 、肌、口、p 四个待定参数，为得到适合于某一断路器在某一工作条 华北电力人学工程硕士学位论文 件下的电弧模型必须做大量相应的开断试验，然后用一定的方法从试验所得示波图 上求取护o 、p o 、口、夕的数值，之后建立电弧模型并作数字仿真，检查仿真结果 是否与开断试验结果相符。 “黑盒”模型是针对气体断路器提出的，因而在压缩空气断路器和s f 6 断路器 上使用较为理想，但对真空断路器和油断路器则不然。真空断路器的特性在很大程 度上受电极特性的影响，存在很多气吹熄弧理论无法解释的奇怪现象。 以上两种方法的共同点是： 1 模型的应用范围太窄，都只适用于它耐以产生的试验条件下的工作环境。 2 建立过程依赖于大量实验和艰苦、复杂的参数确定过程，实现起来非常困难。 所以，对真空开关来说，实际应用其电弧模型尚十分困难。 2 3 真空开关的开断特性 2 3 1 截流特性 一截流现象 真空开关的截流现象可用图2 3 来说明。当真空开关的 触头在t 1 时刻分离后，触头间开始出现电弧。当电弧电流哭 小于某一值i s 时，电弧开始不稳定，电弧电流波形上开始等二二 斋令 叠加有高频分量，i s 被称为真空电弧不稳定起始电流。随着 团。 电弧电流瞬时值的进一步减小，所叠加的高频分量的幅值越来越大，最终真空电弧 在电流零点时刻t 3 之前的某一时刻t 2 发生熄弧，电流被截断，截流值i c h 为t 2 时 刻电弧电流工频分量的瞬时值。 二影响截流值的因素 真空开关电弧不稳定起始电流的大小主要取决于触头材料和开断电流的大小， 而截流值大小还和电路参数有关。 1 开关参数对截流值的影响 ( 1 ) 开断速度高会增强开断能力，从而使截流值增大。( 2 ) 触头开距增大会使蒸汽 粒子扩散空间增大，有利于降低蒸汽粒子密度和电弧温度，所以会导致截流值增大。 ( 3 ) 触头表面越粗糙越容易产生电子发射，因此有利于降低截流值。( 4 ) 触头直径增大 有利于电弧运动和弧根冷却，使截流值增大。( 5 ) 对于纵向磁场，磁场较弱时，适当 增大磁场强度会使截流值减小，但磁场太强时，磁场强度的增大反而会使截流值增 大【2 1 。 8 华北电力大学t 程硕十学位论文 2 触头材料对截流值的影响 真空电弧是依靠触头材料蒸发产生的会属蒸气来维持的一种会属蒸气电弧，因 此触头材料的性质对真空开关的截流具有重要影响。 ( 1 ) 触头材料性质对触头截流水平的影响 已有的研究表明：材料的沸点ob 、热导率入、电子逸出功e 、游离电位i 、 电阻率p 、原子量m a 、密度pm 、熔化潜热c m 、气化潜热c b 及比热容c p 等许多 参数综合影响着触头的截流水平。增大触头材料的i 、p ，减小其m a 、pm 、c m 、 c b 、c p 、ob 、入、e 有利于降低截流水平【1 7 l 。 ( 2 ) 合金触头材料对触头截流水平的影响 真空开关触头材料常用合金有三类。第一类由高导电金属与低熔点金属形成， 如c u b i 等。这一类触头材料多次开断大电流后，易造成触头表面粗糙及耐压水平 下降，开断能力降低，所以应用不多。第二类由高导电金属与半难熔金属形成，如 c u c r 等。这类材料具有耐压水平高、开断能力强等优点，应用最广，但截流水平较 高。第三类由高导电金属与难熔金属形成，如c u w c 、a g w c 等，它们表现出了很 好的截流水平，并且随着金属含量的降低，截流水平也会相应降低。 2 3 2 介质强度恢复特性 真空开关开断负荷电流时触头间产生扩散型电弧，电弧熄灭后，阴极电子发射 中止，触头间隙的自由电子等带电微粒扩散之后，触头间隙成为介质状态，随着时 间的推移，介质强度不断增强，逐步恢复到真空间隙状态，这一过程称为介质恢复 过程。 影响介质强度恢复速度的因素： 1 开关参数对介质强度恢复速度的影响 ( 1 ) 提高开断速度能提高介质强度恢复速度，但也会使截流值增大：( 2 ) 开距越小 到达静态击穿电压的时间越短，介质强度恢复速度也越快，但静态击穿电压低；( 3 ) 触头表面越粗糙越易产生电子发射，使介质强度恢复速度降低：( 4 ) 触头面积越大， 介质强度恢复速度越快；( 5 ) 极间磁场对介质强度恢复速度的影响参见真空电弧理论 部分。 2 触头材料对介质强度恢复速度的影响 触头材料对介质强度恢复速度有重要影响。一般截流值低的触头材料其介质强 度恢复速度也低，介质强度恢复速度高的触头材料其截流值也高。所以研制新型低 截流值、高介质强度恢复速度的触头材料一直是真空开关研究中的重大课题。 3 电路参数对介质强度恢复速度的影响 华北电力大学工程硕士学位论文 恢复电压可通过影响t i w 对鞘层的发展产生影响，从而影响介质强度恢复过程。 试验证明：恢复电压增长速度越快，介质强度恢复过程受到抑制，恢复速度就越慢。 一种极限的情况是：恢复电压增长速度过快时，开断过程中可能由于介质强度恢复 速度过慢而出现重燃。恢复电压主要由电路参数决定，所以介质强度恢复过程也受 电路参数影响。 介质强度恢复速度还和开断电流、电源电压有关。开断电流越大，电弧燃烧越 充分，介质强度恢复速度就越慢。电源电压越高，越易产生电子发射，介质强度恢 复速度就越慢。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章真空开关开断高压电动机操作过电压分析 3 1 真空开关开断高压电动机操作过电压产生原理分析 真空开关开断电动机的截流过电压曾引起人们的高度重视，但近年来触头材料 的研究有了很大的进展，情况就有了变化，由于低截流值材料的应用，一般在开断 电动机时不会出现危及电机绝缘的截流过电压。 但是试验表明，即使真空开关的截流值很低，电动机的特性阻抗也不高，在某 些情况下开断电动机时仍会出现陡度很 ， 高、幅值很大的过电压。图3 1 为真空 开关开断启动状态电动机时首相开断情 况下开断时刻电流相角( 或时间t o ) 与 q 过电压倍数的关系。由图可见，当电流 过零开断时过电压将达5 倍以上，这样 高的过电压对电机绝缘会造成危害。这 2 是因为当电流过零开断时，触头间隙很 小、绝缘强度很低，恢复电压较低时间 隙就被击穿，触头间将流过高频( 接近 l m h z ) 振荡电流，出现高频电流零点， 真空开关高频熄弧能力很强，能在高频 图3 1 ：开断时刻电流相角与过电压关系 电流零点再次熄弧，此时如果触头开距很小，介质恢复强度很低，触头间隙可能再 次被击穿。这种电弧熄灭、重燃、再熄灭、再重燃的现象可能持续多次，直到随触 头开距的增大，介质恢复强度高于电源恢复电压时电弧才会最终熄灭，从而出现多 次重燃过电压。多次重燃过电压陡度高、幅值大，对电动机匝间绝缘危害极为严重。 因为多次重燃过程持续时间很短，多为1 2 m s ，在这段时间内电源电压变化很小， 所以分析时可假设电源电压不变，以直流对待。 0 50 s l s0 5 l 00 5 l 图土2 电源侧对地电容较大时 0 5 l 0 图3 3 l 叱心c z 图3 4 图3 5 华北电力大学工程硕十学位论文 电源侧对地电容比较大时，重燃过程中电源相对地电压能基本保持不变，据此 得到图3 2 。因重燃时振荡频率很高( 可达上m h z ) ，电机感抗远大于容抗，流过 电机电感的高频振荡电流很小，据此可略去电机电感得到重燃时的等值电路如图3 3 所示。开断后电压恢复过程中因为l 0 l ，所以可略去l o 得到电压恢复过程等 值电路如图3 4 所示。 设开断时刻a 相电压达到最大值u m ，记此时刻为时问零点，此时a 相c 2 上电 压也为u m 。开断后由图3 5 ，c 2 向l 充电，u 。2 和i l 的变化规律如下： 魄2 ( t ) = 0 5 一1 5 c o s ， f l ( t ) = - 1 5 己，m s i n l ，z l 她铲志；孕等； 恢复电压：砜“t ) = 2 ( t ) + = 1 5 ( 1 一c o s l f ) 用一直线u d = qt 来近似模拟介质恢复强度，当u h f 曲线与u d 曲线相交时开关 第一次重燃，记此时刻为t l ，设此时u c 2 = u d l ，重燃后由图3 4 ，电源向c 2 充电， u c 2 和i l 的变化规律如下： 魄2 ( t ) = 一邯砜l c o s 2 f f l ( t ) = - 砜l s i n 2 f z 2 舯铲志；驴鲁； 一r 墨k ：生l ：丝 = e 2 2 三o 缈2 因为真空开关具有很强的高频熄弧能力，所以高频电流过零时可能再次熄弧， 此时魄2 = “侈砜l = ? 触t 1 ，此后电机电感和电容又重复前面的过程。 由上面分析，每次开断后当乩f 与矾曲线相交，即2 = + 旺f l ，+ 伐允， + 0 【，3 时重燃，重燃后当高频电流过零，即魄2 = 一伽f l ，一伽f 2 ，节c 【如 时熄弧，即魄2 在+ 0 【，和够0 【f 两条直线构成的角型区域内变化( 见图3 6 ) ， 复燃总是发生在+ 0 【，直线上，而电压恢复过程总是从够q f 直线开始。由此可 见，重燃次数的越多，电机对地电压越高。 从能量角度考虑，重燃起始时魄2 = + 0 【f ，重燃结束时魄2 = 够仅f ，若 2 u 。 卜u m + 讲l 卜u 卅一肋l ，即f ) 口【l 一) 时重燃，c 2 将不再从电源吸收能量，并把 自身的部分能量逐步回送给电源，此时电机电感中电流出现最大值，记此时刻为t m 。 1 2 华北电力人学jf ：稃硕十学1 1 i ) ：论文 2 u 。 考虑c 2 在电压恢复过程还会从电源吸收能量，因此t m 应略大于a ( 1 一) 。 f t m 后电机侧的电压、电流及真空开关恢复电压幅值将逐渐减小，为电弧的最 终熄灭创造了条件。 大量试验表明：多次重燃过程持续时间t r 与t m 之间存在一定的比例关系，即 m = t r t m = 1 5 1 7 。有关参数的变化见图5 一1 6 。 由图5 1 6 ，多次重燃过程中最大振荡过电压为： 哳蚶a 弘州尚1 ) 多次重燃过程中最高重燃过电压为： ：邯伍忙焉+ 1 ) 考虑在f ) t m 时，i - u m + 翻i | _ u ，一触i ，所以u m i _ 1 5 u 。一触l ，即t 。m2 磊而时重燃，电机将不再从电源吸收 能量，并把自身的部分能量逐步回送给电源，电机侧的振荡电压幅值也会逐渐减小。 由图3 6 ，多次重燃过程中相间最大振荡过电压为： u s 毗5 u t r ；“5 尚_ 1 ) 多次重燃过程中相间最高重燃过电压为： u 5 u 螂q 忙”( 焉+ 1 ) 考虑在t t m 时，l _ l 5 u 。+ 耐i 卜l 5 u 。一触i ，所以u 眦 o ，尽( f ) = 0 时才可 认为电流过零。电流过零信号可作为开关控制的辅助决策信号。 2 模型 卿眨悯地 一悯牛 il o 、 o 、 0 ，尽( f ) = v h f ，即恢复电压等于或大于介质恢复强度时重燃，重燃信号可作为开关控制 的辅助决策信号。 2 模型 首先计算函数表达式s 丑蟠e = n o t s w 3 ，使s l 盯e 通过一个累加器( 6 5 型) ， 输出信号用h o l d 表示，当开关第一次断开后h o l d 即保持为1 。t a c s 中d e i t a t 是表示计算步长t 的内部信号源，使d e i ，t a t 通过一个累加器( 6 5 型) ，输出信号 用t s n 虹表示，h o l d 作保持信号，开关第一次断开后t s t a t 即保持为开关第一 次断开的时间。e m t p 中t i m e x 是表示当前计算时间的内部信号源，用函数表达 式( f t 型) v h f = e ( t i m e x t s t a t ) 来计算介质恢复强度v h f 。用信号源s w l 、s w 4 ( 9 0 型) 来取得开关两端的节点电压，用函数式( f t 型) v o l t g = a b s ( s w l s w 4 ) 来计算恢复电压u s 。计算函数式( f t 型) v w = v o l t g v h f ，使v w 通过一个信 号选择器( 6 0 型) ，使输入信号 o 、= 0 、 = v h f 时v w 2 输出l ，否则输出o 。计算函数式( f t 型) v w 3 = v w 2 s w 3 ，使v w 3 通过一个信号选择器( 6 0 型) ，使输入信号 0 、= 0 、 = v h f 且开关断开时v s i g n 输出1 ，否则输出o 。v s i g n 即为重燃信号( 1 表示重燃，0 表示不重燃) ，重燃判断模型如图3 1 3 所示。 图3 一1 3 t 重燃判断模型 ：罴删引胍开关器器孽。眦 流过开关的电流过零时( 1 s i g n = 1 ) 熄弧，开关菸i 舔 m t = ：a n r n 耳r 断开。恢复电压等于或大于介质恢复强度时 s 们一1 裟鬈嬲gi 华北电力大学j ：程硕十学位论文 2 模型 计算函数表达式( f t型)来取得开关控制信号o r d e r = n o t i s i g n a n d ( v s i g n o r s w 3 ) 。只有当i s i g n = l ( 电流过零) 时 o r d e r = 0 ，v s i g n = 1 且s w 3 = 0 ( 重燃) 时0 r d e r = 1 ，其余情况下o r d e r = s w 3 ， 开关状态维持不变。o r d e r 即为开关控制信号( 1 表示合上，0 表示打开) ，开关 控制模型如图3 1 4 所示。 3 3 多次重燃过电压的研究 真空开关开断起动状态电动机时因恢复电压增长速度快，而且开断电流大，所 以多次重燃几率大，且过电压水平严重。下面运用前面的方法来对这种情况下的多 次重燃过电压进行模拟研究。 3 3 1 等值计算电路 因为多次重燃过程持续时间短，起动状态电动机 转速很小，所以电机的反相电动势很小，可忽略不 记。计算用等值电路如图3 15 所示，其中k 表示 多次重燃开关，l s 、c s 表示电源内电感及对地电容， l 、c 2 分别表示电机的电感及对地电容( 包括开关 到电机引线的对地电容) ，r o 用来模拟多次重燃过 程中的高频损耗，l 0 表示开关到电机引线的电感。 t a c s 控制的开关k 1 ( 1 3 型) 用来在多次重燃过程 中投入r 0 ，控制原理是：k 第一次开断前( h o l d 信号输出为o ) k l 一直闭合，r 0 不投入。k 第一次 开断后( h o l d 信号输出为1 ) k l 打开并一直保持。 这样正常工作时r 0 不投入，多次重燃时r o 投入模 拟高频损耗。k l 的控制模型如图3 一1 6 所示， o 图3 一1 5 一如 图3 1 6 o r d e r b 为k 1 的控制信号( 1 表示合上，0 表示断开) 。t a c s 控制的开关k 2 ( 1 3 型) 用来消除k 打开后l 0 上出现的电压振荡( 在e m t p 计算过程中，k 打开后l 0 上电压会出现振荡，此系对实际现象的模拟不够真实所致，e m t p 中未对此做进一 步处理) 。l 0 上电压的振荡会给恢复电压的模拟及后续计算带来一系列困难，k 打 开后因为l 0 上电压的振荡，恢复电压急剧上升，k 总是会重燃。k 重燃后因为l 0 上电压的振荡，计算将得出错误的结果。作者通过引入k 2 来消除l o 上电压的振荡， k 2 的控制原理是：正常工作时k 2 打开，之后每次k 打开时( o r d e r 信号输出为 华北电力人学【：程硕十学位论文 0 ) 将k 2 闭合，k 闭合时( o r d e r 信号输出为1 ) 将k 2 打开，这样正常工作及重 燃时l 0 接入，开断时l 0 被直接短路，从而避免了l o 出现电压振荡。利用这种办 法来消除振荡是合乎实际的，因为任何电感在过零开断后其上电压都应降为零。k 2 的控制模型如图3 一1 7 所示，o r d e r c 即为k 2 的控制信号( 1 表示合上，o 表示打 开) 。 3 3 2 多次重燃过电压计算 计算使用华电卓资发电有限公司4 # 一次风机6 k v 、1 0 0 0 k w 电机的一组参数， 以真空开关切该电机，取0 【= 2 0 m v s ，p = 0 5 。 l s = 0 5 m h ，c s = 1 o “f ，l o = 1 3 3 “h ，c 2 = o 0 7 p f ，l = 7 8 7 m h ( 相当于6 k v ，1 0 0 0 k w 电机带1 0 0 m ，3 5 m m 2 电缆，电机对地电容为0 0 3 7 p f ，电缆对地电容为0 0 3 3 p f ) 一、电源侧对地电容的影响： 当c s = 2 o “f 时，计算得重燃3 4 次数； t m = 1 3 3 m s ；忙1 9 5 m s ；m = 1 4 7 ：过 电压值见表3 1 。 表3 一l ：c s = 2 0 “f 时计算结果 多次重燃过程中重燃结束后三相开断三相开断以后 前 相地最大过电压( p u ) 6 9 67 7 46 6 9 相