时间：2023-03-12 14:30:23
关键词 真空器件;陶瓷;打压
中图分类号O46 文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0104-02
1电子管入库储运
1)电子管在装卸搬运中要小心轻放,避免剧烈振动、冲击、倾倒、碰撞、雨淋和腐蚀。存放在库房温度应保证在5~40℃之间,相对温度不得>80%。
2)电子管入库之前,应对电子管进行检查,外观、灯丝、各极间绝缘等。核对产品合格证后,认真做好记录。入库后应保持玻壳式陶瓷壳的清洁,并进行打压试验。
2 电子管使用
1)在电子管上机过程中应保持电子管清洁。应轻拿轻放,防止外壳破裂或灯丝震断。阳极风筒应靠近散热器、水套式蒸发锅与阳极同心对中。法兰盘四周应对称均匀拧紧,以不漏水为准,芯柱冷却的风筒直径、吊挂高度、吹风方向应符合有关规定。
2)使用电子管时,整机开通顺序必须是先开冷却系统再依次加灯丝电压、一栅负电压、阳极电压、二栅电压,关机顺序与此相反,切断灯丝电压后10min才能关冷却系统。
3)长期未使用或新的电子管在使用前应进老炼处理。必须逐步增加阳极电压,其老炼时的最大阳极耗散功率应低于电子管说明极限阳极耗散功率的50%。
4)电子管使用时必须应满足:风向、风压、风量、风温及水向、水压、水量的相关规定,风质必须干燥,冷却水的硬度应低于6度(60mg/l),冷却水电阻率>100KΩcm并有补水和均压装置。
5)整机对电子管应有保护装置,过压、过流等装置必须每半年测试一次,保证在整机出现异常时快速保护电子管,水温探头保护必须每季测一次,水温不能>56℃。
3 电子管打压
3.1电子管耐压测试(交流高压试验)
1)阴极―控制栅极(K-G1)电极连接方法:阳极接地、控制栅、帘栅短接后接试验器一端,阴极接另一端,缓慢均速升压至峰值电压的60%无大火现象、缓慢升压至峰值电压可以有5次以下打火,停留1min钟不打火。
2)控制栅极―帘栅极(G1-G2)电极连接方法:阳极接地,控制栅、阴极短后接试验器一端,帘栅接另一端缓慢升压至峰值的60%无打火现象,缓慢升压至峰值电压可以有5次以下打火,停留一分钟不打火。
3)帘栅极―阳极(G1-A)最大实验电压:电子管有效值,电极连接方法:控制极、阳极、帘栅短接,试验器高压端,阳极接地,合格标准:缓慢升压至峰值电压的60%无打火现象,缓慢升压至峰值电压可以有5次以下打火,停留1min不打火。
3.2电子管耐压测试(直流高压实验)
1)阴极―控制极(K―G1)
最大实验电压:(电子管有效值)
电极连接方法:阴极接地、控制帘栅、帘栅短路。后接实验器一端,阳极接另一端。
合格标准:缓慢升压至峰值电压的60%无打火现象,缓慢升压至峰值电压,可以有5次以下打火,停留1min不打火.
泄漏电流:(见表)
2)控制栅极―帘栅极(G1-G2)
最大实验电压(电子管有效值)
电极连接方法:阳极接地、控制栅、阴极短后接实验器一端,帘栅接另一端。
合格标准:缓慢升压至峰值电压的60%无打火现象,缓慢升压至峰值电压,可以有5次以下打火,停留1min不打火.
泄漏电流(见表)
3)帘栅极―阴极(G2-A)
最大实验电压:电子管有效值。
电极连接方法:阴极控制栅、帘栅短后接实验器一端,阴极接另一端。
合格标准:缓慢升压至峰值电压的60%无打火现象,缓慢升压至峰值电压,可以有5次以下打火,停留1min不打火.
泄漏电流:(见表)
交流高压试验器式直流高压实验可选任意一种方式,当直流打不上时,可用交流试验器打压,然后再用直流方式打压,一般指标都会合格。
4 真空电容器
1)真空电容器在搬运时必须轻拿轻放,严禁强烈震动,与真空电容器表面接触时均应配戴干净工作手套,转动电容器的转动螺杆进行容量调节时不能用力过大,防止机械损坏,调整测试完毕后应确认电容量在最小处再退回2~3圈。
2)电容器的表面应清洁、外部金属表面应清洁,并具备有防蚀性能,在陶瓷与金属封接处不应有金属流迹,封接部位牢固、可靠且密封,机械结构应牢固,不应有变形损伤,外形尺寸、安装尺寸应符合产品标准的规定。
3)电容器的标准值应符合产品标准的规定,电容量标称值小于50MF时,允许偏差为±5%~50%PF时,允许偏差为±10%。
5 真空电容检测实验
1)测量容器:一般采用电感电容表,电容容量变化由大到小,并应检查移动力矩是否正常,并记录相应电容器的机械行程(转动圈数)。
2)兆欧表测量:将电容调至最大容量,使用250V兆欧表(标称电压低于24kV的用1 000V摇表)摇测绝缘阻值大于1 000MΩ。
3)真空电容耐压实验:实验时,电容器引出端到测试设备的连接导线与周围电路的绝缘电阻应小于500MΩ。当高压测验时设备必须应符合下列要求:(1)外壳应接地;(2)调压装置应保证电压变化均匀;(3)在测试电压内不应产生爬电和电晕现象;(4)对人体应有防射措施;(5)如有外界磁场的影响或对其它设备、仪器产生干扰时,应采用取屏蔽措施。
4)交流高压实验:将交流高压试验器缓慢(1min左右)将电压升至电容标称电压的60%,持续一分钟,不应出现打火现象。然后将电压升至电容标称电压,允许打火3次。在标称电压下保持1min可以出现10次以内的打火,打火停止后应保持稳定1min钟,期间不允许打火。
5)直流高压试验器:电压从0电压缓慢升高到峰值60%,漏电流应小于10uA电峰值60%升至标称电压,漏电流应≤40uA,稳定1min后将电压降到零,切断电压,并将电容放电。
参考文献
[1]国家技术监督局《真空电容器通用技术条件》.
关键词：真空断路器；开合电容；老炼试验
中图分类号：C35 文献标识码： A
引言
从电网运行情况看，因开关重燃故障引发的电容器损坏等事故也时有发生。浙江电网均采用经过老炼试验后的真空断路器，多年来未发生由于真空断路器重燃引起的重大事故。国家电网公司在新的十八项重大反措里明确要求高压大电流的老炼试验，应引起重视。
一、真空灭弧室的老炼机理
所谓老炼，就是通过一定的工艺处理，消除灭弧室内部的毛刺、金属和非金属微粒及各种污秽物，改善触头的表面状况，使真空间隙耐电强度大幅提高；还可改变触头表面的晶格结构，降低冷焊力，增加材料的韧性，使触头材料更不容易产生脱落，大大降低真空灭弧室的重燃率。
真空灭弧室老炼试验包括电流老炼和电压老炼。电流老炼一般是用一百至数百安培的电流，通过真空灭弧室的触头间隙形成均匀的扩散型真空电弧，利用电弧的高温去除电极表面的薄层材料，同时消除电极表面层中的气体、氧化物和杂质，改善触头表面状况。
电压老炼试验是通过施加高电压使真空电极放电，烧去触头表面的毛刺、杂质，提高真空灭弧室的耐压水平，有利于弧后绝缘的迅速恢复。采用实际的电容器回路对真空断路器进行老炼操作，兼有上述2种方法的效应。以数百安培的电流进行电流老炼，同时又以高幅值的恢复电压起到电压老炼的作用，通过老炼初期的击穿放电、合闸时的机械捶击、涌流热效应以及分闸时的电弧烧灼，对触头表面进行处理，能有效提升真空断路器的抗重燃性能。
二、老炼试验的一般方法和要求
真空断路器开合电容电流老炼试验参照GB1984-2003《高压交流断路器》进行，根据试验方式的不同，分三相老炼试验、单相合成老炼试验和单相老炼试验。
1、试验方式
1.1三相老炼试验
采用三相电源回路进行老炼试验与断路器实际运行状况基本一致，因此老炼试验优选采用三相回路，如图1所示，图中：Um为母线对地电压；Uf为试品极间恢复电压；Uc为电容器侧对地电压；Uo为电容器组中性点对地电压；I为回路电流；C为电容器组；TA为电流互感器；FD为放电线圈；SP为试品。
图1典型三相老炼试验接线
1.2单相合成老炼试验
35kV及以上真空断路器一般采用单相合成回路老炼试验，典型接线如图2所示，图中：DL为试验回路断路器；T1为电流回路变压器；T2为电压回路变压器；T3为电压回路调压器；C1，C2为电流回路电容器组；C3，C4为电压回路电容器组；L为调频电抗器；K1为电压回路闸刀；SP1为试品被试相；SP2，SP3为试品非被试相；TA为电流互感器；FYn为母线电压测量分压器；FYf为恢复电压测量分压器；MOA为避雷器；TV为电压互感器。
单相合成回路的特点是用试品的非被试相作为电压隔离开关，实现电压与电流同步；用电容C4、电抗器L组成重击穿放电支路，模拟实际重燃放电，提高老炼效果。采用单相合成回路进行老炼试验，能有效降低投切过电压，减小系统和设备风险。
图2典型单相合成老炼试验接线
1.3单相老炼试验
当不具备三相试验条件时，还可采用单相老炼试验，试验接线如图3所示，图中：Um为母线对地电压；Uf为试品极间恢复电压；Uc为电容器侧对地电压；I为回路电流；SP为试品；C为电容器组；TA为电流互感器；FD为放电线圈。
图3典型单相老炼试验接线
2、试验电流
根据多种大小不同的电流对真空开关进行的老炼和现场跟踪测试，试验电流过小，不足以消除灭弧室内杂质，试验电流太大，则要求系统无功容量也较大，产生的电压波动也大。当老炼试验电流为350～400A时，电弧呈圆锥形，沿电极表面不断移动，电弧弧柱的电流密度约为105～106A/cm2，具有很好的清洗和净化效应，也不会烧蚀电极触头表面。老炼试验电流和时间的推荐值如表1所示。电流持续时间为0.3s较为适宜，2次试验的间隔时间主要考虑断路器的储能、机构动作后的稳定、电弧熄灭后灭弧室内微电物质的稳定等因素，同时要避免间隔时间过长，影响试验效率。
表1老炼试验电流和时间推荐值
3、试验电压
试验电压在试品分闸瞬间测定，其相间电压应不小于系统标称电压，并尽可能靠近试品处。对于三相试验，试验电压用三相试验电压的平均值表示，通过示波器或瞬态记录仪等设备来确定，任何相间的试验电压与平均试验电压的偏差不应超过10%。对于单相老炼试验，于试品处测得的试验电压应不小于1.4倍额定电压/。
4、电容回路
电容器回路包括所有必要的测量装置，如分压器等。其电弧最终熄灭后300ms时断路器断口电压的衰减不超过10%，并提供1000ms的恢复电压。电容器组具有放电回路，关合操作之前，在容性回路上无明显的剩余电荷。三相试验的回路中性点应绝缘。GB1984-2003《高压交流断路器》要求恢复电压时间不少于300ms，但根据试验站开合容性电流试验的经验和数据统计分析，断路器在电弧熄灭300ms后发生重燃的次数约占总次数的15%，实测最大重燃时间为2150ms，故将恢复电压时间延长至1000ms。
5、试验次数
老炼试验的连续无重燃次数及试验总次数限值如表2所示。当三相和单相老炼试验连续30次、合成老炼试验连续60次无重燃后，再次发生重燃的几率已远小于0.1%。如果三相和单相老炼试验总次数超过150次，合成老炼试验总次数超过500次后仍有重燃发生，则通过老炼试验的可能性比较小。
表2连续无重燃次数及试验总次数限值
单相合成老炼试验可通过LC支路模拟重击穿放电，提高老炼效果，但总体上由于对重燃的电流进行了限制，对灭弧室的清洗作用比较小，因此无重燃次数比直接试验要求多30次。
三、老炼试验与型式试验的区别
真空断路器开合电容电流的型式试验和老炼试验均依据国标GB1984-2003《高压交流断路器》相关规定进行，两者区别如下：
1、试验目的不同
型式试验用于考核真空断路器性能，对重击穿和NSDD次数有严格限制。老炼试验的目的是改善真空灭弧室性能，对重燃不进行考核，只进行数据统计。但当老炼试验中频繁出现重击穿或NSDD且没有好转趋势，或试验次数达到规定上限，表明该断路器真空灭弧室制造质量较差，或机械特性及参数调整不当，通过试验已无法对其性能进行改善时，可以终止试验。
2、试验对象不同
型式试验针对断路器某个型号规格的样品进行，试验合格后允许批量生产。老炼试验则面向所有用于并联补偿装置的真空断路器，在投运前必须进行试验。
3、试验方法和要求不同
型式试验时为考验触头材料、工艺及机构配合，需要进行背对背电容器组的涌流关合试验。老炼试验一般在单个电容器组下进行，通常不会出现诸如触头熔焊、无法开断等现象。此外，老炼试验对合闸角度、分闸燃弧时间等也没有明确要求。
结束语
综合上述，重燃主要出现在真空断路器灭弧室工作初期，一般在灭弧后几十至几百毫秒内发生，并随着操作次数的增加而急剧减少，最后稳定在基本无击穿工况。根据大量的实践和试验经验，12kV和40.5kV真空断路器的早期重燃率一般约为1.0%和4.0%，通过老炼试验，能够消除真空断路器的早期重燃，有效降低真空断路器实际运行期间的重燃率。
参考文献
[1]王季梅.真空开关技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]IEC62271-100：2008高压开关设备和控制设备―第100部分：交流断路器[S].
关键词：真空测量 电容薄膜真空计 标准 校准 精度调整
中图分类号：TB772 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（a）-0087-02
真空测量是通过真空测量仪表即各种真空计实现的。真空测量涵盖的范围约为（10-4～105）Pa，在这个范围提供真空计的校准和量值溯源，可以保证真空计的统一性和准确性。各单位在真空计量的日常工作中有大量真空计量器具需要校准，以保证真空测量的准确可靠及研制、操作人员的人身安全。
1 真空校准装置
目前国内研制的真空校准装置多采用复合型真空校准方式，通常用不同量程的电容薄膜真空计和磁悬浮转子真空计作为参考标准。尤其是美国MKS公司生产的690 A电容薄膜真空计虽然价格高一些，但其稳定性好、精度高达0.05%，是公认的二等标准。
2 MKS-690A标准电容薄膜真空计精度调整的背景
我们在用MKS-690A电容薄膜真空计进行校准时发现：被校的真空计不合格率较高，改用其他标准进行检测，结果大部分是合格的，故怀疑MKS-690A电容薄膜真空计有问题，送中国计量科学研究院（以下简称中国计量院）检测、校准结果见表1。
由表1可得绝对误差最大值为-102.1 Pa，该电容薄膜真空计满量程为13333.3 Pa，故精度最差值为-0.77%。
3 电容薄膜真空计精度调整电路
图1是其内部电子线路中的精度调整电路。由图2可导出下式：
（1）
式中：R0为零点调节电位器，RS为满点调节电位器，RL为线性度调节电位器，C1=（R6+R2）R8/（R5R1），C2=R3/R4，RLT=R2+RL，RST=R6+RS，R0T=R7+R0
4 MKS-690A电容薄膜真空计精度的调整
MKS电容薄膜真空计由于其技术的敏感性，国内尚无厂家可以调修。在无厂家技术支持、无参照标准比对的情况下，研究摸索出一套“影像”法的调整方法，即把表1的数据传递给一个重复性好的真空计，形成一个“影像”真空计，由该真空计复现出表1的数据，即我们可溯源的值。然后把“影像”真空计与我们要调整的MKS-690A电容薄膜真空计（简称被调真空计）一起接到真空系统上，按中国计量院所给数据点进行调试，就可测出被调真空计调整前后精度的变化。选定MKS公司型号为220DA-D4B、量程为100torr、精度为1.5‰的电容薄膜真空计作为“影像”真空计。
调试过程
把被调和影像真空计接到真空校准装置上。先把中国计量院表1的数据传递给影像真空计：按照表1上示值在校准室上逐点调试出相应的压力值，同时利用接到校准室上的影像真空计测试出相对应的数值并记录。表2就是在表1的相应数据点上测出的被调真空计和影像真空计的数据。
由表2可知：越往满点走误差值越大，此时应调整满点电位器。点10097 Pa（影像）处的误差值最大，选该点调整Rs，Rs调整后，引起中间点误差值变大，这时要再调整线性度电位器RL。经反复多次调整Rs-RL-Rs方可达到理想结果。
5 结语
（表3）是被调真空计进行精度调整后，由中国计量院给出的数据校准结果。
由表3可得，绝对误差最大的值为3.2 Pa，此时精度最差为0.024%。由此可证明这种调整方法是可行的。该方法可为国内其他单位所借鉴。
参考文献
[1] 刘洪庆.真空计量[M].中国计量出版社.
[2] MKS Type 690A Absolute High Accuracy Pressure Transducer Instruction Manual.
[3] 培训资料.国防科技工业第一计量测试研究中心.计量基础知识.
【关键词】可调水冷真空电容自封接头 国产500KW发射机
1 技术背景简介
国产500kW短波发射机射频末级是由真空电容和电感组成的3π调谐网络具有频带宽、低Q值、调谐范围大等优点。主要采用水为冷却源全机共使用9个可调水冷真空电容进行调谐，这种冷却方式具有很高的热交换率。发射机运行时，真空电容工作高压状态，高压可达到35kV左右。水泵将高纯度去离子水以15L/min流速注入到电容的水冷盘中，冷却水经过真空电容的固定导向管周围的水腔孔和波纹管内部然后回流到可动管的内部，再流出水腔。通过高纯度去离子水使电容保持在80℃以下（真空电容设计要求），确保电容安全可靠运行。
自封接头作为水冷盘与硅编制管中间连接。一改传统的硅编织管与水冷盘直接连接的方式。传统方式更换电容时需要将发射机关机（确保没有水流出），剪断缠绕在硅编制管上的蜡线全部，电容更换完毕后再重新绑定硅编制管。增加了处理故障的时间，对安全播出带来影响。采用自封接头后的电容无需剪断蜡线，只需将自封接头外件（A）、自封接头外件（B）直接分离后进行更换电容。通过对比可知采用自封接头更换电容省去了发射机降灯丝、绑硅编制管、升灯丝、测试是否漏水等诸多环节。节约人力、便于操作、缩短停播时间为安全传输发射节约了大量宝贵的时间。
2 详细内容介绍
自封接头主要自封接头外件（A）、自封接头外件（B）两部分组成；A部分由卡套、单向阀芯、密封胶圈、弹簧、止动环、滚珠、阀芯固定件，B部分由单向阀芯、阀芯固定件、密封胶圈、弹簧。
自封接头外件（A）（如图1所示）由卡套、单向阀芯、密封胶圈、弹簧、止动环、滚珠、阀芯固定件。单向阀芯位于自封接头外件（A）管体内，单向阀芯被阀芯固定件、止动环、弹簧固定在管体腔内。蜗蚍芯中间为阀芯通孔，当阀芯被压缩时冷却水流经阀芯通孔，阀芯处的弹簧复位时，单向阀芯的阀芯通孔被回弹复位的密封圈封住，冷却水被密封在腔体内。
自封接头外件（B）（如图2所示）由对接管体、阀塞、密封胶圈、弹簧座构成。阀塞位于对接管体的腔体内，密封胶圈套固在密封圈凹槽内，弹簧座套在阀塞的下端处固定在对接管体的空腔内。
自封接头正常工作时，自封接头外件（A）部分内嵌的滚珠与自封接头外件（B）部分表面的突起对接在一起。自封接头外件（A）管体中的单向阀芯与对自封接头外件（B）单向对接，阀芯与阀塞底部的弹簧座被压缩，阀芯、阀塞与管体的内壁产生间隙，冷却水通过间隙流进真空电容的水冷盘内为电容冷却。在检修或处理故障有时候需要将自封接头的A、B完全脱离，当单向阀芯处于脱离状态时，它们内部被压缩的弹簧完全恢复。阀芯与密封圈将原有的空隙完全密封，冷却水被密封在腔体内部确保没有水流出A部分。B部分中阀芯同样道理将冷却水密封在腔体内。这样水冷盘内的冷却水不会因为突然失压而导致冷却水往外形成喷射。自封接头外件（A）、自封接头外件（B）两部分通过利用弹簧座压缩和回弹的原理将冷却水被人为的控制，为设备检修维护提供便利的操作。
3 推广与应用情况
该自封接头具有：
（1）操作方便；
（2）分离无泄漏；
（3）耐压强度高；
（4）耐腐蚀等优点。
该自封接头目前在无线局多个涵盖DF500A型500KW短波发射机的台站中得到了应用，通过该自封接头的应用，大大的提高了处理可调真空水冷电容故障的效率，有效缩短了停播时长，为安全播出工作提供了技术保障。
作者简介
何佳丽（1989-），女，现为国家新闻出版广电总局2024台助理工程师。
作者单位
1真空电容介绍
1.1 真空电容的结构
如图1:电容的电极为数个同心圆环,上下多个同心圆环构成电容的两极。波纹管的作用是在不影响电极运动的情况下隔离空气。调整定位螺丝可以调整电容的最小容量。排气孔是生产过程中用于抽空电容内部空气的通道,电容容量的调整是靠改变电极间的相对面积来进行的。
1.2 可变陶瓷真空电容器的物理特性
电容器的内部电极一般采用弹簧铜制作,但由于电容器外壳金属铜与陶瓷的封装是在高温下进行的,当封装完成后,电容内部电极处于退火后非常软的状态,容易发生机械形变;而电容器抽真空时必须在几百度的高温环境中进行,这也使得内部电极变得更软。因此成品电容器内部电极非常软,极易因振动等发生形变,金属与陶瓷的连接处是最大的薄弱点,温度超过250℃会成为漏气点。
2可变陶瓷真空电容的主要参数及其运用
2.1 峰值试验电压
峰值试验电压应不低于射频峰值工作电压的1.4倍。测量时将电容调至最大容量位置进行。在国产电容器外壳上一般标明射频峰值工作电压的有效值。如型号为CKTB650/35/240的电容器,其中35为射频峰值工作电压,单位是kV,是有效值。因此在测试该电容时,按国家电容器标准规定,采用的工频实验电压有效值为49kV。国外电容厂家规定电容器的射频峰值工作电压为峰值测试电压的60%。与国内电容器型号含义有所不同,其型号中标明的电压为工频测试电压的峰值。
2.2 电容量
最大电容量允许偏差为±5%,最小电容量小于或等于标称值。调整电容器的定位螺丝,可改变其最小容量,使其小于最小标称容量。
2.3 最大射频电
在自然冷却条件下,电容器通过该数值的电流,其陶瓷与金属封接部位的温度应不超过150℃。也就是说,电容工作温度最好不要超过150℃。短时间的过电流电容可以承受,但10s以上持续的过电流将损坏电容。
2.4 固有谐振频率
电容器的阻抗性质由容性变为感性的临界频率。让电容器的工作频率尽量远离其固有谐振频率,以及消除或尽量减小工作频率的高次谐波,产生该问题的原因主要是电容内部的波纹管。
3真空电容常见问题
3.1 运输过程中的问题
主要是碰击造成损坏,即电容运输过程中,由于摆放不当、包装箱内填充物不足造成多个电容器之间或电容器与包装箱之间发生碰撞,或由于运输中搬运方式不当等造成电容损坏。正确的运输包装方法:首先调整到容量最小位置,其次填充物要足够,最后要保证电容搬运中的垂直状态不能倾斜,轻拿轻放。
3.2 存储中发生的问题
3.2.1 电极变形
多是由于真空电容没有按厂家要求轴线垂直放置,而是水平放置或倾斜放置,长时间导致极片变形或碰到一起,使用过的电容器容更易发生该问题。
3.2.2 慢漏气
由电容器的结构可以看出,其外壳是由金属铜和陶瓷构成,它们的膨胀系数不同,同时又有工艺和材料的原因,慢漏气是必然存在的,慢漏气会造成:绝缘强度下降,直流泄漏电流增加。
3.2.3 水冷电容水路腐蚀
当水冷电容在使用后,没有将电容中冷却水抽干,直接进行长时间的存储,将会造成腐蚀和氧化,降低电容的使用寿命。
3.3 安装过程中的问题
3.3.1 联动并联电容使用时初始位置设置不当
正常情况下,两个并联电容的容量在各频率点总是相同的,因此流过并联电容中任何一个电容的射频电流是总电流的一半。当因初始位置设置不当,造成两个电容的初始容量不同。将致使两个电容工作时电流不同,表现出一个工作温度高,一个工作温度低。长时间如此,高温电容的使用寿命将减短。
3.3.2 电容与电感匹配使用时初始位置设置不当
发射机中经常用T网络或Γ网络进行阻抗匹配。T网络或Γ网络对应各频率点的调整,均是电容与电感匹配联动调整,正常情况下,各个器件的位置是一一对应的。在安装过程中,有意或无意中改变了电容的初始值,就将造成该网络输入输出阻抗不再是设计值,网络中器件上电压或电流增加,这些都可能造成电容器损坏。因此建议不要轻易改变网络中电容和电感的初始设计值。
3.4 使用中的问题
3.4.1 异常高电压大电流
由于发射机状态不佳、其它器件发生故障、线路中产生振荡、故障情况下保护装置动作不及时等情况的发生,造成电容上落有异常高电压,或流过异常大电流,从而造成电容损坏。这一类电器损坏在电容总故障中占有一定比率。
3.4.2 水冷电容的冷却水水压水质异常
在水冷电容中,冷却水的水质较差,或水压过大,对电容的寿命影响非常大。冷却水的水质差,将加快电容内水路的腐蚀速度。水压过大,对电容中水路也是一个考验。
4结语
因为可变真空陶瓷电容在设备中的重要性加之其价格昂贵,其使用维护是一个比较关注的问题,以上是本人的一点见解,希望读广大同行通过本文的阅读,能有所收获。
参考文献
[1] GB/T 3788-1995.真空电容器通用技术条件[S].
[2] COMMET公司电容器技术说明书[Z].
[关键词]真空断路器 操作过电压 电机 回路 危害性 对策
近年来，真空断路器在电力系统中应用越来越广泛，由此而产生的一些问题也引起人们的关注。由于真空断路器在截流、重燃或三相断开时会产生操作过电压，其操作过电压幅值可以使电机等设备绝缘击穿，相间导体闪路，引起事故扩大，造成不应有的损失，人们逐渐认识到这种危害的严重性，于是开发出了多种用于限制真空断路器操作过电压的设备，如金属氧化物避雷器、阻容吸收器、组合式过电压保护器等产品，但由于选用不当或保护设备技术性能的不适用或未考虑被保护设备的特殊情况，运行时的事故仍时有发生。
1、真空断路器操作过电压对电机产生的危害
在真空断路器前后两侧均存在着电感、电容，电感则为电机的等效电感和导体及变压器的等效电感; 电容为导体对地及相间的等效电容、电机的等效电容等。真空断路器开断电机回路时产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时截流过电压等三种危害。
1、1截流过电压
由于真空断路器有良好的灭弧性能，当开断小电流时，真空电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，其滞留于电机等电感绕组中的能量必然向绕组的杂散电容充电，转变为电场能量。对于电机和变压器，特别是空载或容量较小时，则相当于一个大的电感，且回路电容量较小，因此会产生大的过电压，特别是开断空载变压器时更危险。从理论上讲可以产生很高的过电压，但由于触头和回路中有一定的电阻产生损耗以及发生击穿，对过电压值有相当的抑制作用，但这种抑制作用是有限的，不能消除在切断小电流时出现的过电压。因此特别对感应负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备。
1、2多次重燃过电压
多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充电而产生的。在真空断路器切断电流的过程中，触头的一侧为工频电源，另一侧为lc回路充放电的振荡电源，如果触头间的开距不够大，两个电压叠加后就会使弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高。如果触头开距增的不够大，就会发生第二次重燃，再灭弧，再重燃以致发生多次重燃现象，多次的充放电振荡，触头间的恢复电压逐级升高，负载端的电压也不断升高，致使产生多次重燃过电压，损坏电气设备。实验证明，电机匝间绝缘的损坏主要是由于真空断路器多次重燃引起的电压逐级升高造成的，特别是在切断电机的启动电流时极易发生过电压。
1、3三相同时开断过电压
三相同时开断过电压是由于断路器首先开断相弧隙产生重燃时，流过该相弧隙的高频电流引起其余两相弧隙中的工频电流迅速过零，致使未开断相随之被切断，在其他二相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，所产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在开断中小容量电机或轻负载情况下容易出现三相同时开断电压。
2、电机回路中应用真空断路器应采取的措施
由于电机绕组存在较大的电感量，以及绕组的匝间电容、对地电容和杂散电容的存在，相当于一个lc振荡回路，根据真空断路器操作过电压产生的机理，当切断小电流时容易产生过电压危害电机绝缘及回路电器设备，因此必须采取措施限制操作过电压，以保护电气设备能安全可靠地运行，同时扩大真空断路器的应用范围。目前国内采取的措施有装设金属氧化物避雷器（moa）、三叉戟过电压保护器（tbp）、组合式过电压保护器（jpb）等，以上三种设备均采用氧化锌阀片作为主要元件，各保护设备的主要技术参数如表1所示。
式中，k为冲击系数，取k=1.15
对6kv电动机和6.3kv发电机，us=15.9~16.6(kv)
对10kv电动机和10.5kv 发电机，us=25.6~26.8(kv)
电机运行时的试验电压: us′=1.5ue
对6kv电机，us′=9kv(有效值)，冲击值us″=12.7kv
对10kv电机，us′=15kv(有效值)，冲击值us″=21.2kv
根据绝缘配合规程的要求，耐受电压水平最小应超出保护水平15%，同时由于在10kv及以下系统中不接地或经过消弧线圈接地，且当发生单相接地时，健全相电压升至线电压，并允许运行2h，这种情况下将使避雷器严重过热而损坏。从电机试验电压计算值及表中所列的保护水平看，moa避雷器保护电机的水平最差，tbp和jpb虽好于moa，但裕度太小，保护性能仍不理想，因此，当真空断路器产生操作过电压时，不能很好地保护电机。
目前有些厂家研制并生产了旨在限制真空断路器操作过电压危及电机绝缘的新产品rc阻容吸收器，它可使绝大多数电路的操作过电压降至电源电压峰值的2~2.5倍以下。目前有三种形式的rc保护器，即中性点直接接地的普通型rc保护器; 中性点不接地型rc保护器; 双路rc过电压保护。普通型rc保护器存在着当单相短路时电容电流过大导致馈电回路全部跳闸，特别对于有高频分量的场所，使得rc保护器电阻烧损; 不接地rc保护器虽然解决了因电容电流过大而跳闸以及烧电阻的问题，但对于相对地之间的高频振荡没有消除，使得事故发生率略高；双路rc过电压保护器既解决了对地电路中的高频振荡，又解决了对地电流过大和r-c装置电阻烧损问题。
但是不管哪种rc保护器，当它应用在不接地系统中时，按规程要求在电容电流不大于3~4a时，可带负荷运行2h，其rc回路中的电容无疑增大了回路的电容电流，如果超过或接近规程规定值则可能需要装设消弧线圈或接地电阻，增加了设备和投资，因此应对其进行正确分析和选用。
根据各厂家的资料，rc装置中电容量为0.1μf，电阻为100ω，其容抗为xc=1/ωc，ω=2πfn。其电容电流在10kv回路中为:
ic=ue/xc=ue2πfnc
=10×2×3.14×50×0.1
=0.32(a)
在6kv回路中电容电流为:
ic=6×2×3.14×50×0.1=0.2(a)
从以上计算可知，每台rc装置的电容电流将达到0.2~0.32a之间。如果在一条母线上连接着5~10台rc装置，再加上电机回路的电容电流有可能超过规程规定的允许值，则在电机中性点必须装设消弧线圈或电阻以保护设备的安全运行。因此，在电机回路特别是在发电机回路中选择设备时，不仅要考虑电机回路的电容电流，同时要考虑分支回路的对地电容和用于保护真空断路器的rc装置的电容电流，这一问题往往被设计人员及厂家、运行管理人员所忽视。
3、发电机回路中应用真空断路器应注意的一些问题
目前生产的真空断路器大多数为普通配电型真空断路器，已有不少单位在一些中小水电机组、电机回路和企业小型机组中广泛采用，用户也感到比使用少油断路器简单、方便、无维护工作量、尺寸小、安装更换快等优点，也考虑了装设过电压保护装置。即使这样，在发电机回路中装设普通配电型真空断路器仍存在一些缺点和不足①发电机随着运行时间的延长，其绝缘水平逐渐下降，真空断路器的操作过电压与电机的绝缘水平配合几乎没有多少裕度; ②发电机回路断路器的技术性能要求比较严格，使用条件严酷，如切断直流分流标准要求发电机断路器切断直流分量值为大于60%或80%的额定开断电流，普通配电型真空断路器很难达到; ③由于发电机本身的电容量（水轮发电机大于汽轮发电机），加上较长的引出线及分支线产生的电容量，如果使用rc过电压保护器，还应加上保护器的电容量，使在发生单相接地时电容电流较大，就会引起不必要的跳闸或在中性点增加设备（如消弧线圈、接地电阻等），从而会引起断电保护复杂化。
在工程的初步设计阶段，重要的工作之一就是设备选型，为了选择合适的设备有必要对发电机的电容电流作出初步估算。计算发电机电容值有多个不同的公式，有些则需应用电磁计算的有关参数，在初步设计时应用受到一定的限制，因此可采用比较简单的美国ge公司的计算公式:
cf=3kdsn/ √un(1+0.08un)
式中: kd为对有阻尼的凸极电机取0.0317; sn为发电机容量; un为发电机额定电压。
求得发电机的电容后，可根据发电机的额定相电压ux求得电机的电容电流: icr=ωcfux×10-6
式中: ux为发电机额定相电压（v）。
通过对发电机回路电容电流的计算，以及其他条件，可确定发电机回路是否采用真空断路器，若采用真空断路器，采用何种限制操作过电压的措施，以及确定发电机中性点接地方式。
4、结语
通过对真空断路器操作过电压的产生机理以及我国目前生产的保护设备的技术参数的分析和计算，指出了在电机回路中装设真空断路器时，必须有完善的保护设备来限制真空断路器的操作过电压，更好地保护主设备，才能不断地扩大真空断路器的使用范围，使电力系统安全、可靠、经济地运行。特别是在发电机回路中使用真空断路器时，更要慎重，不可盲目使用，除具有完善的保护措施外，还要考虑其绝缘水平配合、发电机回路的电容电流、切断直流分量的要求等因素，使真空断路器的优良性能得到充分发挥。
参 考 文 献
1.王秀梅等.真空断路器.北京: 机械工业出版社.1983
2.电机工程手册.北京: 机械工业出版社.1997
3.张文渊.真空断路器合闸弹跳的危害性及对策.电气时代.2001（11）
4.谢书勇.在电网中运行的真空断路器的操作过电压.高压电器.1997(3)
关键词：真空断路器；过电压；防治
中图分类号：TM4 文献标识码：B 文章编号：1009-9166（2011）023(C)-0205-01
一、真空断路器操作过电压对电机产生的危害
高压真空断路器在煤矿高压供电中容易产生操作过电压，特别是开断启动过程中的电动机时，相间操作过电压可能会超过4倍的额定电压，严重危及电动机的绝缘。现已开发并投入使用的限制操作过电压的设备，如氧化锌避雷器，RC阻容吸收器组成过电压保护器等产品，但由于所选用保护和保护设备技术性能的不适应，及被保护设备的特殊情况，实际运行过程中事故仍有发生。
真空断路器电源、负荷侧均存在着电感和电容，真空断路器断开电机回路时产生截流过电压、多次重燃过电压及三相同时断开过电压等三种危害。
（一）截流过电压危害：由于真空断路器有良好的灭弧能力，当断开电流时，真空电弧在过零前就会熄灭，由于电流被突然切断，其滞留与电机等电感绕组中的能量必然向绕组的分散电容充电转变为电场能量，对于电机，特别是空载会因此产生大的过电压。
（二）多次重燃过电压危害：多次重燃过电压是由于弧隙发生多次重燃，电源多次向电机电容进行充电而产生的，在真空断路器切断电流的过程中触头一侧为工频电源，另一侧为LC振荡电源。如果触头间的开距不够大，两个电源叠加后就会使电弧隙之间发生击穿，断路器的恢复电压就会升高，就会发生第二次重燃，甚至发生多次重燃现象，损坏电机。
（三）三相同时断开过电压危害：由于断路器首先断开相弧隙产生重燃时，流过该项弧隙的高频电流引起，其余两项弧隙中的工频电流迅速过零，致使未断开相也被切断，在其他两相弧隙中产生类似较大水平的截流现象，从而产生更高的操作过电压，产生的过电压是加在相与相之间的绝缘上。在断开中、小容量电机或轻负荷情况下，容易出现三相同时过电压。
二、电机回路使用真空断路器应采取的措施
由于电机绕组存在较大的电感器，以及绕组的匝间电容，对地电容和杂散电容的存在，相当于一个振荡回路。根据真空断路器操作过电压产生的原理，当切断电流时，容易产生过电压危害电机绝缘及回路电气设备。因此，必须采取措施限制操作过电压，以保护电气设备能安全可靠运行。目前，国内采取的措施有装饰金属氧化物避雷器（MOA），三叉戟过电压保护器（TBP）、组合式过电压保护器(JPB)等。以上三种设备均采用氧化锌阀片的主要元件。一般情况下，电机的出厂试验电压为：Us=2（2Ue+1）×0.75×K，K为冲击系数，一般取K=1.15。对10KV电动机：Us=25.6―26.8KV，电动机运行时的试验电压：Us=1.5Ue。对10KV电动机：Us=15KV，冲击值Us=21.2KV。根据绝缘规则的要求，耐电压水平最小应超出保护水平15%，同时由于在10KV及以下系统中中性点不接地或经过消弧线圈接地，且当发生单相接地时，其余相电压升至线电压，并允许运行2小时，在这种情况下，将使避雷器严重过热而损坏。目前，有些厂家研制并生产了旨在限制真空断路器操作过电压危及电机绝缘的新一代产品――RC阻容吸收器，它可使大多数电路的操作过电压降至电源电压的2―2.5倍以下，但是不管何种RC保护器，当它应用在不接地系统中时，按规程要求在电容器电流不大于3―4A时，可带负荷运行2小时。其RC回路中的电容无疑增大了回路的电容电流，如果超过或接近规程规定值则可能需要装设消弧线圈或接地电阻，增加设备和投资。因此应对其进行正确的分析和选用。根据厂家的资料，RC装置中电容量为0.1µF，电阻为100Ω，其容抗为Xc=1/ωC，ω=2πfn，在10KV回路电容电流为：Ic=Ue×Xc=10×2×3.14×50×0.1=0.32A，在6KV回路电容电流为；Ic=Ue×Xc=6×2×3.14×50×0.1=0.2A，从以上计算可知，每台RC装置的电容电流将在0.2―0.32A之间，如果在一条母线上连接多台RC装置，再加上电机回路的电容电流，有可能超过规程规定的允许值。那么电机中性点必须装着消弧线圈或电阻，以保护设备的安全运行。因此，在电机回路中选择设备时，不仅要考虑点击贿赂的电容电流，同时要考虑分支回路的对地电容和用于保护真空断路器的RC装置的电容电流。
结语：通过对真空断路器操作过电压原因分析和目前生产的保护设备的技术参数的计算，指出在电机回路中装设真空断路器时，必须有完善的保护设备来限制真空断路器的操作过电压，特别对电感负载在采用真空断路器作为操作元件时，应加装过电压保护设备，使煤矿高压供电系统更安全，可靠，经济地运行。
1.1电压过低对真空断路器的影响合闸过程中的断路器动导杆弹跳同样对断路器的真空管存在危害，合闸时间越短，动静导杆间的电弧存在时间越短，弹跳时对触头的磨损越轻，合闸时间越长，动静导杆间的电弧存在时间越长，弹跳时对触头的磨损越严重，会严重影响真空管及真空断路器的使用寿命，其合闸时间≤70ms，弹跳时间≤2ms效果为佳。断路器还会因电压过低不能合闸，处于合闸触发状态的线圈因通过的电流过大而烧毁。真空断路器的分闸通过欠电压线圈和分励线圈两种分闸方式，欠电压脱扣器和分励脱扣器在低于额定电压的工作电压下进行分闸，同样得不到足够的操作力，会降低分闸速度和时间，一方面会使线圈的带电时间加长，容易烧毁线圈，另一方面分闸时间越长电流过零时在动静导杆间的介质强度恢复速度越慢，动静导杆间的介质强度恢复速度小于导杆间恢复电压时，会使电弧重燃，动静导杆间温度急聚上升,熔焊动静导杆间触头分闸时间≤30ms为佳。1.2电压过高对真空断路器的影响当工作电压超过额定电压110%时，真空断路器的控制线圈会过热，破坏绝缘层，引起热击穿，会使线圈烧毁，还会由于电压过高引起断路器的机械性能发生变化，当电压过高时，断路器的动静导杆间的触头压力加大，触头超行程相应加大，断路器的分闸速度将降低，分闸时间加长同样会使动静导杆间触头发生熔焊。因此必须保证真空断路器控制线圈两端的工作电压处于额定且稳定的工作状态。
2问题解决途径
可以对真空断路器控制线圈两端电压滤波，用以稳定其两端电压，常用的滤波有电感滤波和电容滤波两种，电感滤波时由于电感的电阻很小，交流电阻很大，故通过电感的直流分量损失会很小，但由于线圈电阻和电感的分压后，交流分量在电感上的比重比较大，因为电感越大，线圈电阻越小则整流滤波效果越好，因此电感滤波适合线圈中电流比较大的场合。电容滤波时通过并联的电容器可以在电压上升时对电容充电储存能量，当电压下降时电容器开始向控制线圈回路放电，使控制线圈两端的电压趋于平稳，电容滤波适用于线圈电流较小的环境。电容滤波整流电路如图3所示，波形图如图4所示。电容滤波特点如下。1）增加了电容的滤波电路，线圈两端电压直流成分增加了，波动减少，不仅使线圈两端电压升高，还变得更平稳了。根据电容放电时间常数τd=RHC，RHC越大刚电容放电越慢，输出电压的波纹越小，U0越大，为了保证平稳的线圈两端电压，时间常数为τd=RHC≥（3～5）T／2，则输出线圈两端的电压值约为U0≈1.2Ui，为了获得更好的滤波效果，电容的容量通常选用稍大一些。电容滤波后的线圈两端电压当UC=U0时，脉动系数为S=，为了减少电压的脉动，采用的滤波电容容量越大越好。2）滤波电路中只有当Ui＞UC时二极管才能导通，电容放电时间常数越大，则U0的值越大，线圈中的电流越大，同时整流桥中的二极管导通角越小，承受的峰值电流越大，电容在充电过程中二极管承受的冲击电流会影响整流管的使用寿命，因此选择二极管时，应有2~3倍的电流裕量。3）电容滤波电路外特性如图5所示，当C改变时对线圈两端电压的影响，当RH越小，IH越大，U0下降越快，滤波电路的带载能力越差，因此电容滤波电路适用于电流较小且负载固定的电路中。电容滤波特性如图6所示，脉动系数受C的影响，RH越小IH越大，C越小S越大，因此加大C的容量可以减小S。整流后的波形虽然转换成了比较平滑的直流电压，但由于线圈两端电压的平均值取决于整流前输入电压的有效值，当电网电压变化时，线圈两端的电压平均值随之变化，因此为获得稳定性更好的直流电压，需在线圈控制回路中加入稳压电路，如图7所示。通过稳压电路中稳压二极管的电流调节作用，再通过限流电阻R上的电流和电压变化来补偿，起到稳压的作用。
3结束语
通过在真空断路器控制线圈中加入电容和稳压电路的方法改变线圈两端的电压质量，利用电容和稳压电路的补偿、滤波使真空断路器两端的电压保持在额定电压，不受电压波动的影响，保证断路器的合分闸速度，减小由于速度过慢对真空断路器的危害，延长断路器的使用寿命和安全性。
1.1电压过低对真空断路器的影响
整流之后变成“脉动”的直流电，当控制线圈两端电压在低于额定电压75%以下，合闸机构得到的操作力不足以提供足够的合闸力，则会降低合闸速度，延长合闸时间，触头间的击穿电弧会过多地停留在动触头和静触头之间，造成触头熔焊。合闸过程中的断路器动导杆弹跳同样对断路器的真空管存在危害，合闸时间越短，动静导杆间的电弧存在时间越短，弹跳时对触头的磨损越轻，合闸时间越长，动静导杆间的电弧存在时间越长，弹跳时对触头的磨损越严重，会严重影响真空管及真空断路器的使用寿命，其合闸时间≤70ms，弹跳时间≤2ms效果为佳。断路器还会因电压过低不能合闸，处于合闸触发状态的线圈因通过的电流过大而烧毁。真空断路器的分闸通过欠电压线圈和分励线圈两种分闸方式，欠电压脱扣器和分励脱扣器在低于额定电压的工作电压下进行分闸，同样得不到足够的操作力，会降低分闸速度和时间，一方面会使线圈的带电时间加长，容易烧毁线圈，另一方面分闸时间越长电流过零时在动静导杆间的介质强度恢复速度越慢，动静导杆间的介质强度恢复速度小于导杆间恢复电压时，会使电弧重燃，动静导杆间温度急聚上升,熔焊动静导杆间触头分闸时间≤30ms为佳。
1.2电压过高对真空断路器的影响
当工作电压超过额定电压110%时，真空断路器的控制线圈会过热，破坏绝缘层，引起热击穿，会使线圈烧毁，还会由于电压过高引起断路器的机械性能发生变化，当电压过高时，断路器的动静导杆间的触头压力加大，触头超行程相应加大，断路器的分闸速度将降低，分闸时间加长同样会使动静导杆间触头发生熔焊。因此必须保证真空断路器控制线圈两端的工作电压处于额定且稳定的工作状
2问题解决途径
可以对真空断路器控制线圈两端电压滤波，用以稳定其两端电压，常用的滤波有电感滤波和电容滤波两种，电感滤波时由于电感的电阻很小，交流电阻很大，故通过电感的直流分量损失会很小，但由于线圈电阻和电感的分压后，交流分量在电感上的比重比较大，因为电感越大，线圈电阻越小则整流滤波效果越好，因此电感滤波适合线圈中电流比较大的场合。电容滤波时通过并联的电容器可以在电压上升时对电容充电储存能量，当电压下降时电容器开始向控制线圈回路放电，使控制线圈两端的电压趋于平稳，电容滤波适用于线圈电流较小的环境。电容滤波整流电路如图3所示，波形图如图4所示。电容滤波特点如下。1）增加了电容的滤波电路，线圈两端电压直流成分增加了，波动减少，不仅使线圈两端电压升高，还变得更平稳了。根据电容放电时间常数τd=RHC，RHC越大刚电容放电越慢，输出电压的波纹越小，U0越大，为了保证平稳的线圈两端电压，时间常数为τd=RHC≥（3～5）T／2，则输出线圈两端的电压值约为U0≈1.2Ui，为了获得更好的滤波效果，电容的容量通常选用稍大一些。电容滤波后的线圈两端电压当UC=U0时，脉动系数为S=，为了减少电压的脉动，采用的滤波电容容量越大越好。2）滤波电路中只有当Ui＞UC时二极管才能导通，电容放电时间常数越大，则U0的值越大，线圈中的电流越大，同时整流桥中的二极管导通角越小，承受的峰值电流越大，电容在充电过程中二极管承受的冲击电流会影响整流管的使用寿命，因此选择二极管时，应有2~3倍的电流裕量。3）电容滤波电路外特性如图5所示，当C改变时对线圈两端电压的影响，当RH越小，IH越大，U0下降越快，滤波电路的带载能力越差，因此电容滤波电路适用于电流较小且负载固定的电路中。电容滤波特性如图6所示，脉动系数受C的影响，RH越小IH越大，C越小S越大，因此加大C的容量可以减小S。整流后的波形虽然转换成了比较平滑的直流电压，但由于线圈两端电压的平均值取决于整流前输入电压的有效值，当电网电压变化时，线圈两端的电压平均值随之变化，因此为获得稳定性更好的直流电压，需在线圈控制回路中加入稳压电路，如图7所示。通过稳压电路中稳压二极管的电流调节作用，再通过限流电阻R上的电流和电压变化来补偿，起到稳压的作用。
3结束语
通过在真空断路器控制线圈中加入电容和稳压电路的方法改变线圈两端的电压质量，利用电容和稳压电路的补偿、滤波使真空断路器两端的电压保持在额定电压，不受电压波动的影响，保证断路器的合分闸速度，减小由于速度过慢对真空断路器的危害，延长断路器的使用寿命和安全
关键词：电弧 真空开关 截流 过电压
中图分类号：TM924.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）10（a）-0092-04
1 截流现象及其重要性
在现代冶金系统中，大容量超高功率电弧炉炼钢生产技术已得到广泛应用，变压器采用真空开关操作已相当普遍。但真空开关造成操作过电压的危害不容忽视。现就国内某钢铁厂炼钢用电弧炉变压器动态过程进行分析，该电弧炉变压器有三个绕组组成，炉变的三次侧采用ZN—35/1000的真空开关断路器进行操作，由于在正常使用中绕组绝缘遭到破坏，对于操作过电压及其后果引起了高度重视。分析如下。
1.1 高压开关的截流现象
真空开关较老一代开关具有良好的开断能力。在开断过程中，将使开断电流提前过零，发生电流折断现象。因为被切断对象电感值较大，电流值虽小，但仍将具有较大的电磁能量。在电流折断强迫过零后，存储在电感上的电磁能量将使电气回路产生高频振荡，出现过电压，强熄弧能力的真空断路器在开断电流的有效值小于一定的临界值时（一般在10A左右）会出现显著的电流波折断提前过零的现象，而在开断电流大于一定值后，这种现象就会消失。这是因为大电流形成足够强的电弧，因此不能在电流过零前突然降到零值。当电流波被强迫折断提前过零时，折断处的瞬时电流值一般称为截流值，这种强迫电流折断提前过零的现象一般称为截流现象。
1.2 分析和认识真空开关截流过电压的重要性
真空断路器的截流现象较高压供电系统中其它断路器尤其容易发生，而随之产生的过电压将会有很高的数值，它将对系统和电感性负载的绝缘造成严重的威胁，某公司25000kVA电炉变压器是75吨电炉系统的重要组成部分，也是设备系统安全运行的薄弱环节，充分认识和分析真空开关产生截流过电压的现象和实质，对合理采用限压措施，保证炉变正常的绝缘性能，提高炉变的使用寿命，减少炉变的事故发生率，具有重要意义。
2 真空开关产生截流现象的机理
真空开关是一种新型的电力开断设备，由于它具有体积小，适于频繁操作，折断容量大和没有火灾和爆炸的危险等优点，被越来越广泛地使用在电力系统中，随着电真空技术与导电材料的不断发展，它将逐步取代老一代开关设备。
2.1 常用高压油断路器的熄弧原理
油断路器的熄弧过程主要由两部分组成，一是触头及触头间介质中的自由电子在电场力的作用下，以较大的动能不断撞击介质中的中性原子而发生撞击游离，当电子和离子的游离达到一定程度时，触头间隔被击穿而形成电弧。二是电弧本身表面温度可达3000～4000℃，而弧柱中心可达11000℃以上的高温，这种高温使介质发生热游离，电弧将持续下去，电流照常通过电弧而继续存在。在产生上述两种游离的同时，电子和离子的“复合”现象形成中性的不带电物质，温度越低，这种“复合”现象越强烈。因此，油中电弧是靠高压低温气流（H2为主）拉长冷却电弧，致使电子离子的复合现象大于游离现象，使弧隙间绝缘迅速恢复，导致电弧熄灭。油中电弧的熄灭大多在电流过零点时完成，出现电流折断机会并不显著。
2.2 真空中的电弧理论
真空断路器是在一定的真空度下工作，对于电弧具有显著的熄弧性能，真空中的电弧主要是由触头材料本身放出的金属蒸汽形成的。真空中的导电机理有三种说法。
一是电场放电说：认为触头表面不论加工的如何平滑，从微观上看，仍有很多锋利不平的突起，其尖端电场是宏观电场的几百倍，使突起上产生电场放电，产生的焦耳热量使突起部位熔化而放出金属蒸汽，又由于电子碰撞而导致真空绝缘击穿。
二是粒子交换说：认为触头间在电场的作用下，从阴极放出的电子加速并轰击在阳极上，从阳极产生的正离子或光子，再受电场的作用，加速后又打在阴极上，反复进行导致真空绝缘击穿。
三是微粒说：认为触头表面上附着有块状的微粒，当受到电场力的作用而从表面脱落，微粒被加速后向对面的触头进行轰击，轰击时被加热称为金属蒸汽，而向触头间放出并电离，从而造成真空绝缘击穿。
2.3 真空及其它介质的绝缘恢复特性
真空中的电弧，是由金属蒸气电离后形成的。因此，真空电弧明显受到触头材料影响。真空断路器的触头大多使用铜质合金，它在10kA以下形成的电弧，弧压较低，但电弧电流的不稳定是真空电弧的重要性质。真空开断能否成功，关键在于电流零点附件的绝缘恢复速度是否比电压上升的快。
如图1所示，曲线（a）表示能成功熄弧，曲线（b）表示不能成功熄弧。下面比较一下真空断路器，油断路器（以H2为主要绝缘介质）SH6断路器的绝缘恢复特性。
从图2看出，真空中的绝缘恢复速度较其它介质要快得多，其开断能力也最为显著，由于恢复电压上升速率快，对高频电流的开断更能发挥其优越性。真空中绝缘恢复快的主要原因是，燃弧过程中金属蒸气的电子和离子能以很短时间扩散，并被吸附到触头和屏敞罩表面所致。
由于真空断路器有较快的绝缘恢复特性，因此就具备了良好的开断性能，特别在开断10A以下小电流时，电流折断即截流现象尤为明显，这是由于绝缘恢复特性所决定的。
2.4 真空中的截流过程
真空中的截流过程由两部分组成：一是当电流下降时，从触头放出的金属粒子不断减少，当不能维持电弧所需的粒子密度时，形成不稳定的高频振荡电流，用I0表示。二是工频电流继续下降，触头间金属蒸气压降低及迅速扩散作用，导致电流折断，此时电流值用Ic表示截流过程如图3所示。
截流值Ic的大小同触头材质蒸气压关系很大，而且同真空开关的开断能力相矛盾，即截流值越小的材料，其开断性能也随之降低。因此，真空开关的触头材质由特殊合金做成以适应不同要求，另外也应注意到由于真空开关的开断机理不同于其它开关，所以真空开关所发生的截流机会即截流概率值也明显高于其它开关。
3 25000kVA电炉变压器的等值电路
3.1 25000kVA电炉变压器的结线原理
该变压器的组成包括主变和串变两部分，原理结线图如图4。
3.2 截流过电压的物理过程
由真空开关引起炉变截流过电压的主要物理过程是，当炉变各绕组处于正弦稳态时，在绕组中存藏了磁场能量WL。当用真空开关空载操作炉变时，串变铁芯的磁链变化率发生了较大变化，所以磁场能量主要储存于串变主绕组中，由前述可知，发生截流现象时，存在有不稳定电流Io，它是一个高频变化的电流。因炉变本身对地存在分布电容，它的等值电容CT由炉变对地杂散电容Co，匝间纵向电容CK，各绕组间杂散电容及电缆对地电容等组成。一般变压器额定电压越高，容量越大，等效电容CT也越大，通常CT在几千PF之间，在工频情况下容抗远比励磁电抗为大。因此可近似认为是感性电路，变压器在空载情况下，如不计损耗，空载电流可近似认为是励磁电流，其值在冷轧硅钢片时为1%左右。当真空开关发生截流现象时，其感性回路中的贮能为IOLT而此电磁能量不能发生突变，它对等效电容CT迅速放电，因CT值较小，使等值电容CT两端电压急剧上升，可达很高数值，对变压器的绝缘将造成严重威胁。
3.3 等效电路图
为分析计算方便，可把图4等效为如下单相等值电路（如图5）。
图中：ZN为真空开关；
Is为ZN闭合时，流过的稳态电流，开断前可视为一电流源。
Is=Im sin（wt+φ）
Im为串变一次侧励磁电流幅值；
φ为开关截流相角，其值为一随机数；
CT为串变等值电容；
RT为变压器的损耗电阻（铁损、铜损）；
LT为串变等效励磁电感；
LS为到真空开关引出线电缆的电感；
Cb为到真空开关引出线电缆的对地电容。
4 分析计算
4.1 截流过电压的频率
真空断路器ZN在断开回路过程中，由前述知，能随机的发生电流折断现象，其折断电流值为IC，此时，电感LT中的电流值就等于IC。由电路原理知，ZN开断后的右半部分为一零输入的二阶线性LC振荡回路，由初始能量Ic2LT在电容电感中进行能量交换，它的动态方程为：LTCT+uc=0
设UC（t）=kest
代入上式得LTCTKS2est+Kest=0
（LTCTS2+1）Kest=0
原动态方程的特征方程为：
LTCTS2+1=0
解出S12=±i为共轭复数，表明系统具有震荡性。
振荡角频率W0=所以自有振荡频率fo==
4.2 计算折断电流最大值
当二次侧开路时，因等效电容CT的容抗远大于串变感抗，即ic=0，流过ZN的电流即为励磁电流IL
按串变最大容量11920kVA，工作电压17.520kV求算则IL=Io%=Io%= =Io%×392.8
若励磁电流百分数为0.5%（实验值为0.8%）则=0.5%×392.8=1.97（A）。
励磁电流峰值为：ILm=×IL=×1.97=2.79（A）。
从而可知，串变的空载电流具有较小值，真空开关发生截流的机会是明显的。
4.3 推算过电压公式
设真空开关开断前瞬间在时刻t流过电感LT的电流为iL（t），LT两端的电压为UL（t），则在LT存储的功率为：
p（t）=uL（t）·iL（t） uL（t）=L·
在时刻O～to期间储存的电磁能为：
WL=∫0t0 P（t）.dt=∫0t0 uL（t）·iL（t）.dt=∫0t0 L··iL（t）.dt=∫0t0L·iL（t）.d iL（t）=∫0t0 L·d iL2（t）=L· iL（t）0t0
若iL（o），则t时刻储能为：WL=LIL2（t）
同理电容CT的储能为Wc=cu2c（t）
由于LC回路中的自由振荡是按正弦方式变化的，所以，电感中电流变化规律为IL=Imsinφ，电容CT两端电压变化规律为： Uc=Umcosφ
Um为作用在串变上的电压峰值；φ为截流相角。
将IL和Uc分别代入WL，Wc得：
WL=LT（Imsinφ）2 （磁场能）
Wc=CT（Umcosφ）2 （电场能）
由能量守恒原理，开关在时刻t发生截流时，磁场向电能转换，当电容CT上暂态电压达到最大值Uov时，，故电流CT，即这时全部磁场能量转换为电容中的电能，故得：
CTUo2v=WL+Wc=LTIm2Sin2φ+CTUm2cos2φ
解出Uov=
考虑稳态激励Um同电感电流幅值Im的关系有：
为工频
由前知为自振频率或将Im、fo代入uov式后得Uov=
=Um
所以过电压倍数：
上式中并未考虑磁场能量转换化为电磁能量的高频振荡过程中变压器的铁耗和铜耗，即等值电路RT中的损耗，如果考虑损耗引起的衰减，可在磁能WL项上乘以损耗系数ηm，另外考虑KO最大值Kom发生在=90°时，则过电压倍数最大值为：
损耗系数ηm一般小于0.05，大型变压器实测数据约在0.03～0.045左右，自振频率与炉变的参数结构及引线方式有关。当开关熄弧能力越强，截流值Ic越大时，Kom越大。为实际计算Kom值，将
代入
=
同理发生在Φ＝90°时，损耗系数为ηm则：
＝
4.4 炉变的计算
一般变压器的杂散电容CT为几千PF，设该炉变对地等值电容：
CT=2000PF=2×103×10-12（F）
串变的励磁感抗为：
U为串变额定电压17.52kV；
S为串变额定容量11920（kVA）；
Io%为空载电流取值为：0.5%。
则kΩ
取损耗系数=0.03，则最大过电压倍数为：倍
从而可知过电压倍数还是比较高的，而且和变压器的结构连接电缆长度等相关。
4.5 影响的因素
目前，按变压器规范标准要求规定绝缘水平按三倍额定工作电压来考虑的，因此，对炉变采取限压措施也是必要的。
根据上述分析情况，炉变最大过电压倍数主要与下列因素有关。
（1）截流值的大小，决定于开关的开断水平。
（2）特性阻抗，等值电容CT越小，过电压倍数越大。
（3）由于截流相角φ是一个随机值，所以过电压值具有统计规律性。
5 炉变过电压的分布情况
炉变三次侧同串变一次侧单相等值电路如图6。
电缆在操作波（高频振荡）作用下，应看作等效对地电容。如图7。
分两种情况考虑，一是由基本绕组直接向串变供电，这时Cm同CT并连，35kVA电缆长度约为30m，其等值对地电容为：
式中：L为电缆长度；
Z为电缆波阻抗，其值约为50Ω；
V为波在电缆中的传播速度，其值约为：150×106m/s；
C为单位长度电缆对地电容。
代入计算：
串变对地等值电容为：
此时产生的最大过电压倍数为：
=
=1.8倍
由于35kV电缆的容抗作用，使等值电容增大为则过电压倍数降至1.8，同前述3.05倍相比降低了1.25。
二是当触头由基本绕组和调压绕组串联后供给串变励磁电流，即以最大功率方式供电，在串变上产生的过电压最大值仍为3.05倍，该过电压不仅作用在串变上，而且也作用在调压绕组上。这是因为电容电压不能突变，调压绕组通过接地，调压绕组承受了全部过电压，对其绝缘就造成了危害。
6 分闸过电压的测试
为了实际了解炉变截流过电压数值的大小，对炉压进行了实际测试，测试点选在真空开关处，35kV电缆在测试范围内。
测试波形如图8。
由图8可看出，过电压波形较尖，陡度大，具有冲击电压的性质，测试的统计结果为如表1。
从测试情况看，没有达到推算值，这是由于以下几点。
（1）增加了35kV电缆段，即Cm值的存在，使等值电容CT增测数据位如表2。
由表2可知，过电压值uov得以衰减。
（2）估算过程中采用的数据，如励磁电流百分数炉变的等效电容CT取了近似值，给计算结果带来误差。
（3）增设了测试用分压电器C1C2，使测试结果产生误差。
7 结论
通过对真空开关及炉变关于截流过电压的全面分析和测试情况看，由于真空开关具有较高的开断能力和特有的熄弧机理，便产生了具有较高概率统计值的截流过电压。根据计算结果看，由于Cm的作用，即35kV电缆的衰减，衰减值为1.25倍，所以，内部过电压值约在4倍左右，对于炉变3倍额定电压的绝缘水平仍存在过电压的威胁，应采取下列措施。
（1）选取合适的过电压保护装置，保护倍数≯2.5倍额定电压，以对炉变绝缘留有余地。
（2）因过电压主要来自串变一次侧，而调压器绕组绝缘强度相对较低，为减少其受过电压的侵害可将真空开关位置移至调压绕组与串变一次绕组之间。
（3）建议在炉变进行设计时，使变压器绕组的各种分布电容归算出的等值电容CT能有一个较大值，以减少波阻抗的值，从而降低过电压UOV值。
（4）根据生产过程中25000kVA炉变的实际运行情况看，在结构设计时，加强调压绕组的绝缘强度，采用高强度的绝缘材料，十分必要。
（5）由数据计算知，真空开关切合理想位置应在调压绕组被短接的情况下。
以上述分析谨供同行参考。
参考文献
[1] 重庆大学、南京工学院合编.高电压技术[M].年水利电力出版社.
[2] （日本）岩原皓一.真空开关[M].1975.
[3] 武汉水电学院内部过电压基础[M].1986.