1、真空断路器.真空负荷开关使用指南-5 不同使用回路的使用指南关键词： 真空断路器,真空负荷开关5 不同使用回路的使用指南5.1 在电容器回路中的使用高压用电容器组见图 51 所示，其构成一般是将适当台数的三相电容器根据电容器组的容量(设备容量)并联连接，将电抗器串联连接在电源侧，将放电线圈连接在线间。电容器的开合与一般负荷开合相比，因合闸时的涌流大、开断时的恢复电压高，故一旦重燃弧，会有发生异常电压的危险。此外，在使用自动功率因数调整器来自动投切电容器组的场合，操作频率有时会很高。因此，真空开关设备使用在电容器回路中时，必须考虑到合闸容量、开断容量、操作频率等，选择合适的设备。有关电容器回路中
2、使用真空开关设备时所要求的性能及其评价方法，除在第 600 号(1996 年 8 月)的电气学会技术报告中详细地记述外，近期，如下所述，有许多有关使用指南方面的资料和文献。5.1.1 操作频率在 7.2kV 额定电压以下系统中，使用自动功率因数调整器高频率地自动投切电容器组时，一般不使用真空断路器而使用真空电磁接触器。真空断路器和真空电磁接触器的操作机构的机械操作寿命各不相同。一般真空断路器的机械操作寿命为1 万次，而真空电磁接触器的机械寿命很长，为数十万次。所以，在进行小电流开断时开断部件电寿命很长的小电流领域操作时，真空电磁接触器的寿命多长于真空断路器的寿命。在自动功率因数调整器的电容器组
3、自动投切控制中，操作电流小、操作频率高，因此多使用比真空断路器的机械操作寿命长的真空电磁接触器。但操作电流大、无法使用真空电磁接触器的场合则使用真空断路器。电容器组开断后，因残余电荷的放电需要一个时间。开断后再合闸时会产生高的过电压，有时会伤及电容器和真空开关设备。因此，与自动功率因数调整器组合使用的场合，必须将分、合之间的时间设定在5 分钟以上，待电容器组的残余电荷完全放完之后再合闸。表 5.1 为使用的电容器的容量和操作设备的操作寿命之间关系的例子。表 5.2 将操作频率假设为 2000 次/年，示出了用 2000 次/年除以操作寿命后得到的使用年数。虽然表 5.2 中用 2000 次/年
4、除以用真空电磁接触器操作 900kvar 容量电容器时的 10 万次寿命后，算出使用年数为 50 年，但该值却并不表示超过一般电力设备预计的 20 年寿命后仍能继续使用。5.1.2 合闸容量和开断容量因合电容器组时的涌流比一般负荷火得多，故反复过大的涌流不仅会导致电容器老化，还会使负荷开关的触头局部熔化，成为异常电压发生的原因。所以当预测到会流人过大的涌流时，如图 51 所示，必须要串联电抗器以抑制涌流。此外，切电容器组时为超前电流开断，在负荷开关的同相主回路端子问会发生高的恢复电压。负荷开关同相主回路端子间出现的恢复电压在第一开断相最大，是相电压峰值的 2.5 倍，其余 2 相分别为 1.8
5、66倍。在该开断中一旦发生重燃弧，就会发生异常电压。重燃弧发生 1 次，电容器端子电压就变为 3 倍的过电压，一旦连续地发生，就会成 5 倍、7 倍地增加，从而可能引起绝缘击穿。由重燃弧引起的过电压因会对连接在电容器上的变压器和互感器等带来不好的影响，故电容器回路必须在无重燃弧条件下开断。为了将电容器在无重燃弧时开断，就必须使用绝缘恢复特性良好的负荷开关，如真空负荷开关和 SF6 负荷开关。使用空气负荷开关的场合应先充分地调查电流开断性能，确认其可以用作电容器操作后再使用。此外，负荷操作开关和高压熔断器使用在电容器回路操作中时，因开断容量较小，故不使用在电容器的日常操作中。5.2 在滤波器回路
6、中的使用选择适当的高次谐波发生源侧的回路结构可能会减少电力系统中多次谐波成分，必要时应设置交流滤波器。交流滤波器如图 5.2 所示，有一个将电容器 C、电抗器 L、电阻 R 串联连接的单一支路和一个由电阻R 及电抗器 L 并联后串联连接在电容器 C 上的高次支路，并根据系统条件将这些支路多个连接构成。在滤波器回路操作中，使用真空开关设备可当作电容器回路中使用真空开关设备看待，所以 2 个以上的高次谐波滤波器并联连接回路的操作被称之为 BacktoBackCapacitorSwitching(背对背电容器组的开合)。即回路合闸时的高次谐波涌流非常地大，条件极为苛刻。在开断包括高次谐波分量在内的电
7、流时，因负荷侧恢复电压是不包括高次谐波分量场合的 1.5 倍以上，故即使使用开断性能良好的真空开关设备，也必须选择合适的类型。萱岐先生等人的方法可作为降低滤波器回路开断时恢复电压的方法之一。萱岐先生等人对将 2 次谐波滤波器和 5 次谐波滤波器并联后用一个断路器开断之方法使用 EMTP 进行了解析。示出了该方法与单独开断 2 次谐波滤波器相比，可以使负荷侧恢复电压降低 5%。在滤波器回路操作中使用真空开关设备时的指南例见表 5.3 所示。表中推荐在滤波器回路中无论使用真空电磁接触器、低过电压真空断路器、通用真空断路器中的哪一种，都应和过电压吸收器组合使用。5.3 在变压器?电抗器回路中的使用电
8、抗器开合中，因与电容器组开合相比，合闸时的预击穿电弧能量小，故负荷开关的寿命一般较长。变压器和串联电抗器回路的场合，因负荷设备的固有瞬间振荡数在 1kHz 以下，很小，故由多次重燃弧引起的电压升高进展非常缓慢，造成较大过电压的原因主要是截流过电压。支路电抗器中因激磁电流很大，为数百数千安，故截流值很小，很难发生截流过电压和截流过电压带来的三相同步开断过电压。但因暂态恢复电压频率很高，为数千赫兹，故很容易发生重燃弧过电压。变压器?电抗器回路中使用真空开关设备时的指南例见表 5.4 所示。铸型变压器、干式变压器、电抗器的投切中使用真空开关设备时，根据需要必须使用电容器及 CR 过电压吸收器以抑制过
9、电压。5.4 在发电机回路中的使用5.4.1 通流容量真空开关设备的触头为对接式的，故将可能通导的最大负荷电流象其它方式的开关设备那样增大是非常困难的。因此，在负荷电流为数万安以上的发电机主回路保护中未发现使用真空开关设备的实例。但有过试制出运用真空开关设备良好的电流开断性能，可开断 150kA 的发电机主回路用真空断路器的实例。将真空断路器使用在发电机主回路保护中的指南里，为补充有限的通流容量，必须将载流用主触头与电流开断部分分开设置。5.4.2 电流失零现象电力系统中发生对地短路故障及相间短路故障时，在故障电流的初期，故障电流含有大的直流分量，其直流分量随着时问的推移渐渐地衰减。在一般回路
10、中，因直流分量比交流成分小，故故障电流每个周波都通过零点用交流断路器就能开断故障电流。但在大容量发电机回路中，直流分量有时可以超过交流分量，有时会发生故障电流在数周波内也不通过零点的电流失零现象。发电机主回路中一般使用的 SF6 断路器因电弧电压很高，为数百伏至数千伏，从而具有积极地使故障电流的直流成分衰减，以抑制电流失零现象的作用。将真空断路器使用在发电机主回路保护中时，因电弧电压只为数十伏，很低，无法期待它具有使故障电流的直流成分衰减的作用。但是，SF6 断路器的开断原理是通过气体吹弧来开断电流的，当吹弧结束后，也就几乎丧失了电流开断能力，相反，真空断路器由于是通过真空的灭弧作用来开断电流
11、的，故触头只要在开断状态就能开断电流。因此，将来看可能利用真空断路器的这一特点开发出能开断燃弧时间长的故障电流失零时电流的发电机主回路用真空断路器。5.5 在电动机自耦变压器降压起动回路中的使用感应电动机起动时的内阻抗大致为一次和二次的合成漏阻抗，其值一般很小。所以施加全部电压起动感应电动机时，起动电流很大。图 5.3 电动机自耦变压器降压起动是抑制起动电流的起动方式之一，将 CB2，CB3 合闸，在降低了电源电压的状态下加速感应电动机后，将 CB3 分闸，开断单绕变压器的中性点。这时，变压器绕组的一部分起着电抗器的作用来限制电流。接下来将 CB1 合闸，将电抗器短路，在感应电动机上施加全部电
12、压，起动结束。作为电动机自耦变压器降压起动用开关，是将通用型真空断路器和过电压吸收器组合使用，或使用低过电压型真空断路器及真空电磁接触器。表 5.5 示出了真空开关设备在电动机自耦变压器降压回路中的使用指南例。此外，因单绕变压器的过电压阻抗大，有时会发生大的过电压，所以必须基于制造厂家规定的使用基准进行充分地研讨。在真空电磁接触器和低过电压真空断路器的使用中，在不要过电压吸收器的场合，应将老化的开关替换成真空开关设备，继续使用老负荷设备时，应配有过电压吸收器。5.6 在谢菲尔比斯回路中(一种二次激励的感应电机速度与功率因素控制方式 )的使用随着电力电子技术的进步，感应电动机速度控制的主流是一次
13、侧控制方式。但在高压大容量、必须控制起动电流和转矩的可变速装置的场合，则绕组型感应电动机的二次控制方式是选择如图 5.4 所示的谢菲尔比斯回路。以前，这种感应电动机二次回路控制用开关使用的是空气接触器。但从感应电动机单机容量的增大、设备的小型化、省力化维护、无公害化、高可靠性等观点出发，则要求使用真空负荷开关。在这种背景下，横山先生等人对采用图 5.4 所示的谢菲尔比斯回路的感应电动机二次回路控制用开关。II使用真空开关设备进行了研讨。其结果示出了最长燃弧时间值有时比工频的场合约长出 1 位数；为抑制电压，实际使用时对应于高频分量，只考虑二次回路吸收器就足够了；一次回路中即使不用吸收器，低频分
14、量也非常地小；使用真空电磁接触器时，因截流值很小，故可忽略高频分量；使用通用型真空断路器时，只连接 CR 过电压吸收器就能抑制住过电压，在实际使用时不会有问题。根据这一结果可归纳如下。在谢菲尔比斯回路中使用真空开关设备时，因最长燃弧时间是工频场合的10 倍，故操作寿命为工频场合的 1/10；如使用真空电磁接触器则无需过电压吸收器；使用真空断路器时，应和过电压吸收器组合使用。5.7 在异系统连络回路中的使用5.7.1 使用在异系统连络回路中时所需的耐受电压能力断路器的主要目的是切断故障电流，而不是隔离电路。所以，一般是和隔离电路为主要目的的隔离开关组合使用，长时间的恢复电压主要由隔离开关承担。但
15、是，厂用发电机回路用断路器及两条线路输电用断路器不与隔离开关相组合而是单独使用断路器的场合，在开断状态的断路器同相主回路端子间被施加有一个对应于连络系统电压相位差的电压。例如，图 5.5 所示的连络系统的电压相位相差 180时，在断路器同相主回路端子问施加有一个超过常规对地电压的高电压，在不与隔离开关组合使用的场合，有时这个电压会长时间地施加在同相主回路端子间。所以，在异系统连络回路中使用真空开关设备时，不能光按使用系统电压来判断开关的额定电压，而必须选择合适的类型。5.7.2 在异系统连络回路中使用时的耐受电压能力和使用指南(1)在常时完全同步连络回路中的使用连络系统常时完全同步，连络部位设
16、置的真空断路器同相主回路端子间不发生电位差的场合，因耐电压特性不成问题，故通用型真空断路器、低过电压真空断路器均可使用。(2)在常时连络回路中的使用以 72kV 额定电压的连络系统为例，常时施加在假设电压相位差为 180。的同相主回路端子问的电压为 8.3kV。目前，在 JEC，JIS 等标准中还未确立这种使用方法的试验方法及评价方法。因此，原则上必须使用额定电压高出一个等级的断路器。但是，对制造厂家来说，根据不同使用方法有时也允许使用相同额定电压的断路器，故在常时连络回路中使用相同额定电压断路器时，必须要先确认制造厂家的使用范围。以下作为参考，介绍在连络回路中使用相同额定电压断路器时的验证例
17、和使用例。表 5.6 示出了假设使用在异系统连络回路中验证的 7.2kV 真空断路器同相主回路端子间的耐受电压一例。在该例中，示出了低过电压型真空断路器的 8.3kV，24 小时耐电压特性不如通用型真空断路器。低过电压型真空断路器一般通过在触头材料中添加低熔点金属及高蒸气压金属，从而使产生过电压的原因的截流值得到减小。添加这些金属后在降低了截流值的同时，也降低了耐电压特性，故低过电压型真空断路器的耐电压特性比通用型真空断路器低。假设以同相主回路端子间 24 小时未击穿为可否使用在常时连络回路中的判断基准，则可以判定通用型真空断路器可以使用在常时连络回路中，而低过电压真空断路器的场合，因同相主回
18、路端子间耐电压特性要比通用型真空断路器低，故不适合使用在常时连络回路中。因而在厂用发电机回路保护中使用真空断路器时，在长时间的异系统连络状态场合最好不用低过电压型真空断路器，而将通用型真空断路器和 CR 过电压吸收器组合使用。也有在异系统连络回路中使用低过电压型真空断路器的事例，这种场合只在能充分确保 8.3kV 耐受电压的时间内，如只限于连络时间在 60 分钟内使用。此外，还有将 7.2kV 低过电压型真空断路器使用在3.6kV 异系统连络回路中的事例。这种场合如确认 4.2kV，24 小时无绝缘击穿的话则没问题。基于上记验证例的使用例见表 57 所示，而在实际使用当中必须按照制造厂家规定的
19、使用表进行仔细地研讨。另外，真空电磁接触器的同相主回路端子间耐电压特性因与通用型断路器和低过电压型真空断路器相比一般较低，故最好不要使用在异系统连络回路中。5.7.3 负荷开合寿命在异系统连络回路中基于负荷电流开合后取得的同相主回路端子间耐受电压数据，通用型真空断路器以及低过电压型真空断路器使用在异系统连络回路中时的负荷电流开合寿命均为 5000 次。5.7.4 其它指南有关使用状态，是以 JEC，JIS 等标准中的常规使用状态下的使用为前提，在异系统连络回路中，由于常规同相主回路端子问电压比通常的使用条件高，所以必须缩短包括清扫在内的维护检查周期。尤其在污秽及高湿度的环境下必须缩短维护检查周
20、期。5.8 在失步开断回路中的使用所谓失步，是指在用断路器连络 2 个系统电源的状态下，因某种原因造成两电源间电压相位偏移的现象。在失步状态下开断两电源间流过的异常电流的功能为失步开断功能。作为发生失步状况一例，有最近增加的厂用发电机和电力系统并联运行。设置厂用发电机的目的是依靠高负荷时的高峰断电降低电费，以及有效地利用电和热能所提供的能源等。将厂用发电机系统和电力系统并联运行时，在发电机的电压相位和电力系统的电压相位不完全一致的状态下将两者连接则为失步状态。此外，并联运行中，一部分回路发生短路故障后，容量小的发电机电压相位改变时也会造成失步状态。一旦失步状态持续下去就会因轴扭曲现象而可能伤及
21、发电机，所以必须立即进行失步开断。表 5.8 对 7.2kV 真空断路器的失步开断试验和短路开断试验的条件做了比较。失步开断电流较小，是额定短路开断电流的 25%，但第一开断相的恢复电压在失步后的电源相位偏移 180的场合，是相电压的2.5 倍，要比短路电流开断时的条件更为苛刻。失步电流开断后，其状态和真空开关设备使用在异系统连络回路中的状态相同。所以，在失步开断后使用真空开关设备使异系统连络状态在失步开断后长时间地持续时的使用指南可遵循在异系统连络回路中使用真空开关设备时的指南。5.9 在高频、低频回路中的使用因真空开关设备具有优良的高频电流开断能力，故除作为一般交流回路保护用之外，还可使用
22、在将反极性高频脉冲电流注入到直流电流中，形成电流零点后开断的直流断路器中。除此之外，在电学技报的第 600 号中还记载了使用在变压器感应试验回路中的事例。使用的真空开关设备的额定值为频率 180Hz、开断电流 12.5kA，40kA 开断保证次数在 30 次以上、25kA 开断保证次数在100 次以上。频率 180Hz、开断电流 40kA 在电流零点的电流变化率为 45A/s，在研讨真空开关设备多次重燃弧现象时取得的真空断路器的电流变化率耐受能力达 200A/s。真空开关设备与其它方式的开关设备相比，囚电弧电压低、触头消耗量少，故也可使用在低频电流长燃弧时间的开断中。例如，以前报导过的电气化铁
23、道用频率为 162/3Hz，额定开断电流为 2540kA 的真空断路器已经商品化。真空开关设备使用在高频回路及低频回路中时，电流开断能力及触头寿命等由于和使用在工频回路的场合不相同，故无法统一归纳出使用指南。因此，就需要针对不同使用回路，按制造厂家规定的条件来使用。5.10 使用在其它回路中 (Tr 二次侧故障，一次侧开断)作为真空开关设备使用回路的多样化事例，举出在定点电力网二次侧配电方式中的使用例。定点电力网二次侧配电方式是一种可简化高压侧回路的配电方式，如图 5.6 所示，用设置在一次侧的开关来开断定点电力网变压器二次侧的故障。在一次侧开关中使用真空负荷开关开断变压器二次侧故障时，有时会
24、产生上升率很高的暂态恢复电压，真空负荷开关有时发生重燃弧。例如，黑田先生等人对这一现象通过实验和 EMTP 解析进行了研讨。其实验研讨的结果为：用一次侧的额定电压为 24kV 的供试真空断路器开断 22kV/6.6kV 定点电力网变压器二次侧三相短路故障时，用连接在一次回路断路器上的 CR 分压器实测到的暂态恢复电压达到了峰值 50.9kV，频率 23kHz，上升率约2kV/s。该值与额定电压为 24kV 的断路器端子短路故障开断时的暂态恢复电压峰值 41kV，频率4.9kHz，上升率 0.5kV/s 相比非常地苛刻。此外，R.K.Smith 先生针对各种断路器调查了在一次侧开断变压器二次侧短路故障的能力，报导了当暂态恢复电压上升率超出磁吹断路器等老式断路器的开断能力时，可以使用真空断路器来开断。除在一次侧开断定点电力网变压器二次侧故障外，Coik 先生还报导了即使在一般的中压系统里，暂态恢复电压有时也会超出标准值。如上所述，中压以下系统中真空开关设备的电流开断能力要远远高于其它方式的开关设备，当它使用在特殊用途中时(例如电流开断时产生的暂态恢复电压上升率大大地超出标准值的特殊使用场合) ，必须采用将使用类型的电压提高 1 个等级等措施。尽管确定针对不同使用回路的合适的指南是必要的，但目前还没有一个统一性的使用指南。
