冶金行业控制电炉变压器的断路器选择探讨.pdf

亍业 应 用 与 交 流 自 动 化 技 术与 应 用 2 0 1 3 年 第3 2 卷 第5 期 n du s t r ial Ap pli c a t i o n s a nd Co m mu nic at i o ns 截流值的大小具有一定的分布特性 ， 与开断时间， 开断 电流 ， 回路参数 ， 断路器的开断性能， 触头材料等有 关。因此 如果忽略诸多因素仅仅给出少量试验截流值 并不能有效的反映断路器的截流水平。不同条件下测 得的截 流值也不能进行简单地 比较。有些厂商在进行 产品介绍时言称可将截流值控制在 3 5安培以下， 缺 乏大量试验统计数据支持 ， 也不够严谨。 截流过电压另一个特征是振荡频率极高 厂 2 I- I d L C 式中 L为 mH 毫亨级 ， C为 p F 皮法级 ， f 可达几 十千赫 ， 振荡周期 S级 ， 电流电压 陡度超过 的雷 电 波的陡度。据西安高压 电器研究所现场测量 f 1 0 2 0 KHz 。 2 多次重燃过电压 在真空断路器开断电炉变压器产生截流过电压之 后， 电炉变压器侧的电压幅值和频率都很高 ， 而断路器 触头间隙并不大 ， 这时断路器在高的恢复 电压作用下 ， 触头有可能被击穿 ， 电弧复燃。由于真空断路器的灭弧 能力很强， 复燃后的电弧又会熄灭 ， 接着恢复电压再次 加在间隙上。当恢复电压超过间隙介质强度时 ， 电弧又 会复燃。这～ 电弧熄灭 ， 复燃再熄灭 ， 再复燃的过程使 得负载侧的电压越来越高， 频率接近 MHz 级 ， 持续时间 1 2 ms ， 直到触头间隙拉开超过 1 ram， 足以耐受恢复电 压为止。 这种现象引起的过电压称为多次复燃过 电压 ， 或广 义的称为多次重燃过电压。 复燃系指电流过零后 1 ／ 4周 期内触头间隙的击穿 ， 重击穿系指电流过零后大于 1 ／4 周期 内触头间隙的击穿 ， 而重燃则包括复燃和重击穿两 种现象 ， 这种多次重燃过电压发生的概率并不大它只要 发生在开断时电流相角很小 电流过零时触头间隙并不 大 ， 恢复 电压较高的情况下。但一旦 出现， 很有可能给 电炉变压器匝间绝缘带来损坏 。因此对多次重燃过 电 压不能掉以轻心 。 以上介绍的真空断路器开断感性负载产生的两种 类型过 电压结伴而生 ， 却有一个共同的特点 ， 就是幅值 高 ，频 率高因而陡度高 ，相 间过 电压 比相对地 高 3 0 ％ 5 0 ％， 而能量 并不大 。 带有绕组的 电器设备 ， 如 电动机 ， 电炉变压器绕组 在承受匝间的电位梯度 由其 电感和电流陡度决定 ， 即 L d i ／ d t由于陡度极大 ， 因而匝间电位梯度极高。再者， 整个绕组各个匝间的电位分布是不同的， 各匝对地 铁 芯 之间的电容不均匀， 一般靠近电源侧的几匝要比靠近 中性点的几 匝电位要高出许多 ， 现场许多事故实例都证 明， 在真空断路器操作过 电压作用下 ， 高电压电动机和 电炉变压器的损坏部分大多集中在进线端的匝间。这 也说明 ， 造成带 电绕组电器设备绝缘事故的原因， “ 高 频”大于 “ 高幅值” 。“ 高频率”是杀手。 另外 ， 真空断路器本身在开断过程 中也发生过事 故 。其一， 断路器真空泡外沿闪路。这种现象常发生在 断路器的电源侧也会出现一个高频振荡过电压 ， 电源中 性点电位也会偏移。其二， 断路器因故较长时间都不能 熄弧 ， 真空泡也会爆炸。 2 ． 1 ． 3 断路器在“ 关合” 感性负载时产生的操 作过电压 真空断路器在 “ 关合”时也会出现类似 “ 开断”过 程 的过 电压 ， 主要原 因是断路器在关合过程 中有 “ 弹 跳”现象 。触头接通后又分开， 多次的 “ 弹跳”相当于 经历了多次的开断。有统计表明， 关合过 电压 出现的次 数要大于开断过 电压 出现的次数。 综上所述 真空断路器在关合和开断过程中产生的 过电压 问题是一个严重的问题 ， 很可能给带 自绕组的电 器如 电动机， 变压器的匝间绝缘造成损坏 ， 过电压问题 几乎成为 在开 断电炉变压器 中 一个致命的缺陷。因 此， 对用真空断路控制电炉变压器产生的过 电压不能掉 以轻心。 2 ． 2 六氟化硫 S F 6 断路器 2 ． 2 。 1 S F 6 气体的电气性能 绝缘性 能 在相 同压力和温度下 ， SF 6绝缘能力 击穿强度 为空气的 2 3倍 ， 在三个大气压 下与变压 器油相等。 灭弧性能 S F 6 气体灭弧能力约为空气的 1 0 0倍， 特 别适用于高 电压大 电流的开断。 2 ． 2 ． 2 S F 6 断路器性能特点 以旋弧自能式为 例 ① 开断性能好 ， 断路器采用 S F 6气体 自能气吹为 主 ， 旋弧加小压气为辅的灭弧原理 ， 试验证明此种灭弧 室开断大小 电流的燃弧时间均较短 。 ② 自能灭弧室在开断小 电感电流时， 不易产生截 流现象 ， 故不产生过电压 ， 其特性适于切空载变压器和 T e c h n iq u e s o f A u t o ma t io n＆A p p li c a tn s l 7 9 自 动 化 技术 与 应 用 2 0 l 3 年 第3 2 卷 第5 期 行 业 应 用 与 交 流 n du s t r i a l Ap pl ic a t i o n s an d C0 m mun i c a t i On s 高压 电机 。 ③ 切电容器组性能优越， 曾按 G B1 9 8 4 2 0 0 3 标准 检验 8 0 0 A 单个 电容器组开合试验 按 B C2试验方式 “ CO”1 2 0次。1 6 0 A单个 电容器组开合试验按 BC1 试 验方式 “ CO”4 8 ， 无一次重燃。 ④断路器的分闸速度低， 所需合闸功小 ， 机械可靠 性高 ， 寿命长 ， 其机械寿命和开断额定电流电寿命达万 次以上 ， 适用于频繁操作场合。 ⑤参数设计配合恰当， 具有较长的燃弧区间， 所 以 开断异相接地故 障性能好。 ⑥由于弧根在动静触头表面是旋转的， 故触头烧 损轻微 、均匀 ， 断路器使用寿命长， 维修工作量小， 不检 修周期长， 机械寿命和开断额定电流达 1万次以上。 表 l 4 0 ． 5 K V各类断路器性能比较 断路器名 称 项目 6断路嚣 真空断路嚣 短路井断性能 小电流 窖性 酣 讦断性靛 x 电寿命 机械寿命 抗火灾爆炸危险 抗研 l } 亏 秽能力 口 口 维僚方便性 口 △ 生产工艺性 U U 价格 0 s F 6 的 再 性 能 尤 其 小 电 流 开 断 与 s F 6 吴 似 ， 电 寿 命 、 生 产 工 艺 维 性 能 ，抗火灾爆炸危险，抗 秽 佟等略高于 6 ，但小电流开断． 比较 等卓越 。维惨．电寿命，生产工 抗污秽环境能力不如 6 J 如加阻 艺性略比真空差、价格与真空相 窖吸收 ，价格高 S it 6 。 当 。 往 卓越 良好 一般 x较差 ⑦ S F 6 断路器配置弹簧机构或电磁机构 ， 其结构简 单， 操作可靠 ， 维修方便 ， 非常适用于频繁操作场合。 2 ． 2 ． 3 S F 6 断路器为什么不会产生截流过电压 S F 6断路器最大特点是在开断小 电流时无截流过电 压产生 ， 因此特别适用于开断小 电感电流及切合电容器 组， 那么为什么 S F6断路器不会产生危险的截流过电压 呢由于 S F 6气体 中电弧电流在下降过零时， 虽然在零 后有很高的介质恢复速度 ， 但在 电流过零前 尚存在一明 亮的弧柱 ， 其直径随电流稳定地缩小 ， 表现弧电压低 ， 在 电流趋近于零时 ， 弧柱截面突然变小 ， 并能维持稳定的 细小弧柱， 这一弧柱的热惯性小 ， 相应的热时间常数也 小， 这就是说无论在零前多么短时间段内， 都可考虑S F 6 中的电弧在似稳定状态 ， 这就说 明了弧柱的导电部分可 以保持到任何小的电流， 以至几乎到零 ， 因此， 根本就不 会出现截流现象 ， 所 以也就没有过 电压产生 。 3 真空与 S F 6断路器的性能比较 目前中压领域特别是 4 0 ． 5 KV电压等级 S F 6断路器 市场占有率有明显上升趋势， 因为 S F 6密封技术大有进 步 ， 工艺制造水平已经掌握 ， 并大大提高 ， 外形设计改进 较大， 大为美观 ， S F 6断路器最大优势是开断小电感电流 及容性电流时无截流过 电压 ， 而国内真空断路器在开断 小 电流技术上没有改进或改进不大 ， 特别是 4 0 ． 5 KV真 空截流过 电压成为一个致命的缺陷 ， 开断中会造成严重 事故 ， 近年来国电公司高压开关事故通报中有报导。 多年来 ， S F 6断路器在我国冶金、化工、电石行业 广泛使用， 特别是控制炼钢炉受到用户的青睐 ， 选择 S F 6 断路器解决了操作过 电压难题。并解决 了频繁操作难 题 ， 提高了生产效率。 4 结束语 综上所述 ， 目前变电站选用真空断路器多于 S F 6断 路器。开合 电炉变压器及切合电容器组 ， 选用 S F 6断路 器 占明显优势 ， 目前我国冶金行业 电弧炉多为 5 0 T 以 下， 电炉变压器容量 4 5 0 0 0 KVA以下， 电流属电感电流 ， S F 6断路器恰好在开断 电感 电流有它独道之处 ， 因此 S F 6断路器特别适用于切合电炉变压器。考虑到电炉变 压器每天开合次数较多， 最好选用 S F 6断路器配 电磁机 构更好 。因为 ， 电磁机构结构简单， 运行可靠 ， 易维护 ， 1 0 0 0 0 次内不检修。目前在我国冶金行业， 控制电炉变压 器选用 S F6断路器配电磁机构是一种非常理想的不检 修 电器产 品 。 参考文献 【 l 】华中工学院． 刘绍峻编[ M】 ． 北 京 机 械工业 出版社 ． 1 9 8 2 ． 【 2 ]福建省福建市茜安水电处． 金秋生 ⋯ ． 电气世界 2 0 0 2 2 2 2 - 2 8 ． 【 3 ]西安高压 电器研究所 ． 王晋根⋯ ． 电气世界 2 0 0 2 8 8 1 5 ． 作者简介 崔玉珏 1 9 5 6 一 ， 男， 本科， 高级工程师， 从事电力 设计，电器设备选用及 维护 工作。