简论电流开关电器关合和开断小电流时弧隙上电压变化过程

摘要 本文分析了开关电器关合和开断小电流时弧隙上的电压变化过程，对开断电容性电流时及关合空载输电线时产生的过电压及其造成的危害进行了阐述，讨论了降低过电压方法。
关键词 开关电器；电器关合；过电压
A文章编号 1674-6708（2012）77-0071-02

1 开断小电流时的过电压

1.1 影响截流过电压的因素

影响截流过电压的因素比较多，主要有以下几个方面：一是断路器开断的电流愈大，截断电流愈大，比如高压变压器的铁心由高质量的硅钢片制成，空载电流很小。二是电抗器。电抗器容量大，额定电流也大，容易出现较大的截流和较高的过电压，截流过电压与截流时变压器或电抗器内部的能量损耗有关，损

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耗愈大，过电压愈低。三是特征阻抗。特征阻抗越大时截流过电压越高。

1.2 电动机正常转速下的开断过程

若断路器开断时出现电流截断，也将产生过电压。如果断路器电动机在空载下运行，电流小，截流值更小，加上电动机的漏感小，特征阻抗不大，因此过电压一般不高。电动机带负荷运行时，电流大、截流值稍大、过电压稍高。

1.3 在转子几乎不动的情况下电动机的开断

开断转子几乎不动的电动机虽然不属于正常的运行情况，但在运行中仍会出现。例如在启动过程中，由于继电保护的整定值太低，就会出现启动后立即开断的情况。转子几乎不动时断路器开断的电流就是电动机的启动电流，它比电机的额定电流大很多倍，因此截断电流也大，过电压也高，容易使电动机线圈的绝缘损坏。

1.4 电动机功率对过电压的影响

开断功率较小的电动机，由于开断电流小，截断电流也小，因此过电压低。开断几千千瓦的大功率电功机，由于电动机绕组的匝数小、导体截面大。因而漏感小，电容大，特征阻抗较小，即使截断电流达20A～30A，过电压仍然很低，不会危及电动机线圈的绝缘。而开断中小功率的电动机（如 6kV，几百千瓦），过电压较高。如果过电压太高，则可在电动机每相进线侧与地之间接上电容及电阻。

1.5 开关多次重燃对过电压的限制作用

变压器端出现的过电压也同时加在断路器上，因为此时发生在断路器上的恢复电压即为电源电压与变压器上电压之差。如果发生截流时，断路器触头间隙距离尚不大，间隙的介质恢复强度还比较低，当恢复电压超过断口间隙的介质强度时，间隙将被击穿，对电源侧发生高频放电，在断口中流过较大幅值的高频放电电流，间隙两端的电压又下降，变压器端的电压也被限制；高频放电中止而熄弧后，如果变压器上的贮存能量没有放完，它又将转化为电压，电压又要升高。但由于高频放电时一部分能量已释放，因此可能产生最大电压将减低。如果断路器的介质强度还不高，则可以发生多次高频放电，直到介质强度超过恢复电压。电路被开断，由于多次断口击穿放电的结果，变压器上的电压将被限制在某一数值内。

1.6 多次重燃过电压

开关电器在开断小电感性电流时，有时虽然不产生截流，在某些条件下也可能由于弧隙在恢复电压作用下发生多次击穿而导致被开断的设备上电压逐级升高，形成危险的过电压，由此产生的过电压叫做多次重燃过电压。
因真空开关具有很强的高频熄弧能力，故此种多次重燃过电压多见于真空断路器切电动机、炼钢电弧炉及变压器等感性负载。

2 开断电容性电流时的过电压

2.1 开断电容电流

在线路中主要是在开断空载架空线、空载电缆和电容器组时发生。此时开断电流是容性的。而切合空载输电线路和电容器组是电力系统中的一种常规操作方式。断路器未开断时，断路器中流过电容电流，它超前电源电压90°。当电弧在电流过零时熄灭，电路被开断。而此时负载电容上的电压正好是最大值。

2.2 高频电弧熄灭过程对过电压的影响

电容电流开断过程中如果发生重击穿，触头中将流过频率很高、幅值很大的电流，这个电流能比电容器组关合时的涌流还大，如果每次发生重击穿后，高频电流总是在它第一次过零时灭弧，而且每次重击穿又都出现在恢复电压达到最大值时，这样的过程多次重复，理论上的过电压将按三、五、七倍增长。如果电弧是在高频电流第二次过零时熄灭，则电容电压将振荡到电源电压的相反力向，加上电弧电阻的衰减作用，使得电容上的电压小很多、以后即使再出现重击穿，过电压也不合象原先那样五倍、七倍地增长。

3 关合空载输电线时的过电压

电力系统运行时主要在以下两种情况时需要关合空载输电线路。一是正常操作的需要，如输电线路检修后投人运行。二是线路短路故障切除后的自动重合。
1）空载输电线路是一个对地分布电容，可看成是一个电容性负载。空载长线可用一个链形网络来等效。在通常情况下，即空线上没有残余电荷和初始电压（如接有电磁式电压互感器，可释放电荷），在关合此空线时，由于电压波在线路上行进到开路末端反射，在线路上最多产生2倍电源电压幅值（三相时指相电压）。把空载长线简化等效为一个集中的电容负载，并把输电线的电感并入电路的等效电感。关合空载线路时，过电压与合闸瞬间的电源电压（合闸相位角）和线路的残余电压有关。
2）产生过电压的根本原因是L与C1的振荡造成的。当空载输电线路上没有初始电压关合时，过电压可达2倍；如空载长线上有初始电压，其极性在合闸时又与电源电压极性相反，则关合时就可能在空载输电线路上出现2倍～3倍的过电压。
3）空载输电线路上具有初始电压的关合情况，通常是在自动重合闸关合时出现。当空载输电线接在电源上时，其上即为电源电压，当某种原因断路器跳闸分断时，在电流零点熄弧，此时电容上的电压为电源电压幅值，如果电荷无法泄漏或释放很慢，则电压就维持在最大值或某一值；若断路器立即自动重合闸，则就是关合具有初始电压的电容负载；在最严重的条件下，此时就会产生最大可达3倍的过电压。
4 结论
对电压等级220kV及以下的电网，其绝缘水平能够承受3倍以下的过电压。但对330kV及以上的电网，其绝缘水平均较低，在选择和确定绝缘时允许的过电压倍数，330kV电网取2.75，500kV电网取2.5。显然在最不利条件下关合空载输电线路时可能产生的过电压倍数已超过其绝缘水平，从而会危及系统绝缘安全，必须采取降低过电压的措施。
现已采用的降低过电压的措施有：一是断路器加装合闸用并联电阻。二是选相合闸：在关合空载长线时，使断路器在电源电压与初始电压同极性时关合。
参考文献
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