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冶金行業控制電爐變壓器的斷路器選擇探討

操作使用 | 工控家2016-05-25 18:23人氣:1329

1  引言
冶金行業電力系統由于它的特殊環境,運行情況較為復雜,系統電壓不太穩定,由于諧波的存在,系統過電壓現象較為嚴重,特別是開斷電爐變壓器,單爐斷路器動作次數20次 / 爐左右,每晝夜動作200次左右,平均日作業率95%以上,根據上述情況,選擇一種什么樣的斷路器既安全,又可靠,探討如下:

2  斷路器的性能論述
2.1  真空斷路器
在中壓電網中,真空斷路器的使用日益廣泛,因為它較少發生爆炸,火災事故。開斷性能好,電壽命高。操作功小,機械壽命高,可頻繁操作。使用安全,維護簡單,使用中滅弧室無須檢修,使用壽命長。但是事情是一分為二的,真空斷路器在開斷過程中的截流問題是一個嚴重的問題,從而限制了它的使用范圍,截流問題幾乎成為一個致命的缺陷。
2.1.1  真空斷路器的截流現象及產生的原因
① 截流現象:在開斷小電流真空電弧中,當電流從峰值下降到一定數值時,電弧呈穩定的 現象,當電流再小時即出現截流現象,電流提前過零,電弧熄滅。


 

 


圖1  電流降到零點附近時發生振蕩

(見圖1)電流降到零點附近時發生振蕩,最后在自然過零之前電流即被切斷,開始振蕩的電流Ib稱為不穩定電流,電流被切斷時的瞬時值Ij 稱為截流值,在實際應用中,在切斷小電感電流時要產生截流現象,并伴隨有截流過電壓。
② 產生截流的原因:定性的說:是當電流變小時,電流對電極加熱不夠,陰極班點放出的金屬蒸汽粒子少,當放出的粒子密度在維持燃燒所必須的密度以下時,不能提供足夠的金屬蒸汽來維持電弧,電弧變成不穩定,電流波形出現振動,從而造成電弧突然熄滅,最后電流被截斷。也可以說:真空斷路器有較強的熄弧能力,它不需要電流過零熄弧,而是在電流過零之前幾安培或者10—20安培就可以將電流突然截斷,強制熄弧。
③ 影響真空斷路器截流水平的因素有:
(a) 觸頭材料的飽合蒸汽壓力,壓力越高,截流值越小。壓力越低,截流值越大。
(b) 觸頭材料的沸點T與導熱系數  的乘積,乘積越大,截流值越高。
(c) 觸頭的運動速度,速度過高截流值也增大,因此剛分速度應在設計范圍內。
近些年,我國在12千伏電壓等級中真空管觸頭材料截流問題的嚴重性大為減小,截流值已降低到幾安培以下,但40.5千伏電壓等級中真空管觸頭材料改進不大,在切小電流時特別是感性電流仍然是非常嚴重的問題。
2.1.2  斷路器開斷感性負載時產生的操作過電壓
真空斷路器分斷小電感電流負載(如電動機,空載變壓器等)時,由于上述截流現象,卻引發了截流過電壓的產生,甚至繼而引發多次重燃過電壓。對此重點進行討論:
⑴ 截流過電壓
以空載變壓器為例:變壓器繞組是以感性為主,這種回路的電壓電流是不能突變的,截流必然引起劇烈電磁振蕩。當截流為Ij 時,負載特征阻抗為Z時,過電壓的最大值Ucm為
Ucm=√U02+(IjZ)2
U0 —截流時電源電壓瞬時值
據西安高壓電器研究所現場實驗結論:Ucm值約為運行電壓的5—6倍,截流和斷路器上的電壓波形見圖2。

 


1-開關電流i;2-開關上電壓.Us為電弧電壓、Uf為恢復電壓;3-工頻電流預期零點;4-電弧出現不穩定,但尚未出現截流;5-電弧再次出現不穩定,產生截流;6-由于電弧不穩定出現的振蕩電流;7-截流值I;8-熄弧電壓(Suppression Voltage)峰值;9-恢復電壓(Recovery Voltage)峰值;10-電源電壓
圖2  截流的電流(上)和
開關上電壓(下)波形

截流值的大小具有一定的分布特性,與開斷時間,開斷電流,回路參數,斷路器的開斷性能,觸頭材料等有關。因此:如果忽略諸多因素僅僅給出少量試驗截流值并不能有效的反映斷路器的截流水平。不同條件下測得的截流值也不能進行簡單地比較。有些廠商在進行產品介紹時言稱可將截流值控制在3—5安培以下,缺乏大量試驗統計數據支持,也不夠嚴謹。
截流過電壓另一個特征是振蕩頻率極高:

式中L為(mH)毫亨級,C為(pF)皮法級,f可達幾十千赫,振蕩周期μS級,電流電壓陡度超過的雷電波的陡度。據西安高壓電器研究所現場測量f=(10—20)KHz。
⑵ 多次重燃過電壓:
在真空斷路器開斷電爐變壓器產生截流過電壓之后,電爐變壓器側的電壓幅值和頻率都很高,而斷路器觸頭間隙并不大,這時斷路器在高的恢復電壓作用下,觸頭有可能被擊穿,電弧復燃。由于真空斷路器的滅弧能力很強,復燃后的電弧又會熄滅,接著恢復電壓再次加在間隙上。當恢復電壓超過間隙介質強度時,電弧又會復燃。這一電弧熄滅,復燃再熄滅,再復燃的過程使得負載側的電壓越來越高,頻率接近MHz級,持續時間1—2ms,直到觸頭間隙拉開超過1mm,足以耐受恢復電壓為止。
這種現象引起的過電壓稱為多次復燃過電壓,或廣義的稱為多次重燃過電壓。(復燃系指電流過零后1/4周期內觸頭間隙的擊穿,重擊穿系指電流過零后大于1/4周期內觸頭間隙的擊穿,而重燃則包括復燃和重擊穿兩種現象),這種多次重燃過電壓發生的概率并不大它只要發生在開斷時電流相角很小電流過零時觸頭間隙并不大,恢復電壓較高的情況下。但一旦出現,很有可能給電爐變壓器匝間絕緣帶來損壞。因此對多次重燃過電壓不能掉以輕心。
以上介紹的真空斷路器開斷感性負載產生的兩種類型過電壓結伴而生,卻有一個共同的特點,就是幅值高,頻率高(因而陡度高),相間過電壓比相對地高30%~50%,而能量并不大。
帶有繞組的電器設備,如電動機,電爐變壓器繞組在承受匝間的電位梯度由其電感和電流陡度決定,即L′di/dt 由于陡度極大,因而匝間電位梯度極高。再者,整個繞組各個匝間的電位分布是不同的,各匝對地(鐵芯)之間的電容不均勻,一般靠近電源側的幾匝要比靠近中性點的幾匝電位要高出許多,現場許多事故實例都證明,在真空斷路器操作過電壓作用下,高電壓電動機和電爐變壓器的損壞部分大多集中在進線端的匝間。這也說明,造成帶電繞組電器設備絕緣事故的原因,“高頻”大于“高幅值”。“高頻率”是殺手。
另外,真空斷路器本身在開斷過程中也發生過事故。其一,斷路器真空泡外沿閃路。這種現象常發生在斷路器的電源側也會出現一個高頻振蕩過電壓,電源中性點電位也會偏移。其二,斷路器因故較長時間都不能熄弧,真空泡也會爆炸。
2.1.3  斷路器在“關合”感性負載時產生的操作過電壓
真空斷路器在“關合”時也會出現類似“開斷”過程的過電壓,主要原因是斷路器在關合過程中有“彈跳”現象。觸頭接通后又分開,多次的“彈跳”相當于經歷了多次的開斷。有統計表明,關合過電壓出現的次數要大于開斷過電壓出現的次數。
綜上所述:真空斷路器在關合和開斷過程中產生的過電壓問題是一個嚴重的問題,很可能給帶自繞組的電器如:電動機,變壓器的匝間絕緣造成損壞,過電壓問題幾乎成為(在開斷電爐變壓器中)一個致命的缺陷。因此,對用真空斷路控制電爐變壓器產生的過電壓不能掉以輕心。
2.2  六氟化硫(SF6)斷路器
2.2.1  SF6氣體的電氣性能
絕緣性能:在相同壓力和溫度下,SF6絕緣能力(擊穿強度)為空氣的2-3倍,在三個大氣壓下與變壓器油相等。
滅弧性能:SF6氣體滅弧能力約為空氣的100倍,特別適用于高電壓大電流的開斷。
2.2.2  SF6斷路器性能特點(以旋弧自能式為例)
① 開斷性能好,斷路器采用SF6氣體自能氣吹為主,旋弧加小壓氣為輔的滅弧原理,試驗證明此種滅弧室開斷大小電流的燃弧時間均較短。
② 自能滅弧室在開斷小電感電流時,不易產生截流現象,故不產生過電壓,其特性適于切空載變壓器和高壓電機。
③ 切電容器組性能優越,曾按GB1984-2003標準檢驗800A單個電容器組開合試驗:按BC2試驗方式“CO”120次。160A單個電容器組開合試驗按BC1試驗方式“CO”48,無一次重燃。
④ 斷路器的分閘速度低,所需合閘功小,機械可靠性高,壽命長,其機械壽命和開斷額定電流電壽命達萬次以上,適用于頻繁操作場合。
⑤ 參數設計配合恰當,具有較長的燃弧區間,所以開斷異相接地故障性能好。
⑥ 由于弧根在動靜觸頭表面是旋轉的,故觸頭燒損輕微、均勻,斷路器使用壽命長,維修工作量小,不檢修周期長,機械壽命和開斷額定電流達1萬次以上。

 

表1  40.5KV各類斷路器性能比較

 

⑦ SF6斷路器配置彈簧機構或電磁機構,其結構簡單,操作可靠,維修方便,非常適用于頻繁操作場合。 
2.2.3  SF6斷路器為什么不會產生截流過電壓
SF6斷路器最大特點是在開斷小電流時無截流過電壓產生,因此特別適用于開斷小電感電流及切合電容器組,那么為什么SF6斷路器不會產生危險的截流過電壓呢?由于SF6氣體中電弧電流在下降過零時,雖然在零后有很高的介質恢復速度,但在電流過零前尚存在一明亮的弧柱,其直徑隨電流穩定地縮小,表現弧電壓低,在電流趨近于零時,弧柱截面突然變小,并能維持穩定的細小弧柱,這一弧柱的熱慣性小,相應的熱時間常數也小,這就是說無論在零前多么短時間段內,都可考慮SF6中的電弧在似穩定狀態,這就說明了弧柱的導電部分可以保持到任何小的電流,以至幾乎到零,因此,根本就不會出現截流現象,所以也就沒有過電壓產生。

3  真空與SF6斷路器的性能比較
目前中壓領域特別是40.5KV電壓等級SF6斷路器市場占有率有明顯上升趨勢,因為SF6密封技術大有進步,工藝制造水平已經掌握,并大大提高,外形設計改進較大,大為美觀,SF6斷路器最大優勢是開斷小電感電流及容性電流時無截流過電壓,而國內真空斷路器在開斷小電流技術上沒有改進或改進不大,特別是40.5KV真空截流過電壓成為一個致命的缺陷,開斷中會造成嚴重事故,近年來國電公司高壓開關事故通報中有報導。
多年來,SF6斷路器在我國冶金、化工、電石行業廣泛使用,特別是控制煉鋼爐受到用戶的青睞,選擇SF6斷路器解決了操作過電壓難題。并解決了頻繁操作難題,提高了生產效率。

4  結束語
綜上所述,目前變電站選用真空斷路器多于SF6斷路器。開合電爐變壓器及切合電容器組,選用SF6斷路器占明顯優勢,目前我國冶金行業電弧爐多為50T以下,電爐變壓器容量45000KVA以下,電流屬電感電流,SF6斷路器恰好在開斷電感電流有它獨道之處,因此SF6斷路器特別適用于切合電爐變壓器。考慮到電爐變壓器每天開合次數較多,最好選用SF6斷路器配電磁機構更好。因為,電磁機構結構簡單,運行可靠,易維護,10000次內不檢修。目前在我國冶金行業,控制電爐變壓器選用SF6斷路器配電磁機構是一種非常理想的不檢修電器產品。
參考文獻:
[1] 華中工學院.劉紹峻編<<高壓電器>>[M].北京:機械工業出版社.1982.
[2] 福建省福建市茜安水電處.金秋生<<配電網內過電壓的產生及防范>>[J].電氣世界2002(2):22-28.
[3] 西安高壓電器研究所.王晉根<<中壓配電設備選擇原則探討>>[J].電氣世界2002(8):8-15.

 

 

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