阻容吸收器和过电压保护装置选型指南

阻容吸收器过电压保护装置选型指南前言真空断路器、真空负荷开关、真空接触器、真空分断器和真空重合器（以下简称真空开关设备）因具有体积小、重量轻、高性能、高可靠性、维护检查方便、适合频繁操作等优点，因此迅速地占领了市场，在各个领域都得到了广泛的应用。

但是真空开关设备由于其灭弧能力特别强，因此在开断电动机、变压器、电炉变压器、电抗器和电容器等负载时容易引起截流、多次重燃和三相同步开断操作过电压。

随着稳定安全供电重要性的增强，对提高系统可靠性要求愈加严格。

而操作过电压危害极大，在很大程度上影响着系统的稳定性和可靠性，因此了解操作过电压的产生、性质和特点，对正确选用过电压保护装置是十分重要的。

本文对操作过电压的产生、性质及特点以及如何正确选用过电压保护装置进行粗浅的分析，供设计和用户选型时参考，同时也热忱欢迎提出宝贵意见。

一、操作过电压的产生、性质和特点：操作过电压是指真空开关设备在分、合闸时产生的高幅值、高频率的瞬间振荡电压。

这个电压对运行着的各种电器设备危害极大，因此必须合理选用适当的过电压保护装置以降低乃至消除这个过电压。

众所周知，真空灭弧室中的电弧是由从触头蒸发出的中性金属蒸汽中的原子、离子和电子组成，它们由触头提供后，迅速地扩散到灭弧室中，冷却后附着在电弧屏蔽罩和触头的表面上。

在电流自然零点附近及电流过零后，这些粒子的快速运动使得真空开关设备具有极高的绝缘恢复能力，但是随之也产生了极陡的截流现象和极高的高频灭弧能力。

这是产生过电压的极其重要因素。

此外，因这些粒子的产生源为触头，所以上述的各种特性还会很大程度上受触头材料特性的影响。

1、1截流过电压真空灭弧室中的电弧的构成如前所述，在开断小电流（如空载变压器）时，在电流过零前后，这些粒子的供给量不足以补充扩散量，这时电弧变得极难维持，使电流变得极不稳定，在某一电流值（不同触头材料特性决定的电流值）以下时，在电流自然过零点之前电流就被开断，这就是截流现象。

在忽略电动机、变压器等电器设备的损耗时，开关设备K中流过电感L的电流I在I0处被截断，因电感L中的电流不能突变，所以积蓄在L中的的电磁能向电容器C充电，在C的端子上产生了所谓的截流过电压。

负荷侧的等效回路如下图：L-负荷的等效电感c-负荷侧的等效电容e-截流时电源的电压截流时L中的磁能W L=1/2LI0²和C中的电能W C=1/2CU²互相转换，因此W L=W C，即1/2LI0²=1/2CU²，U=√L/C·I0，这就是截流过电压。

为方便起见，这里把√L/C称为截流过电压特性阻抗。

在不考虑L-C之间能量转换时的损耗时，暂态恢复电压的最大值U max=√（Z·I0）²+（√2E）²式中E为电源电压的有效值；当考虑L-C之间能量转换时的损耗时，则为U=√（K·Z·I0）²+（√2E）²式中K为损耗系数，K<1，不同的电器设备其K值亦不相同。

从以上分析可以得知，过电压是由回路的参数L和C及截流值I0 决定的。

截流过电压有以下特点：1)、截流过电压与截流值I0有关，I0愈大，过电压愈高。

I0与触头材料有关，目前国内真空灭弧室均采用铜-铬触头，其I0值一般为3-5A。

2)、系统中多为感性负载，因此L较大，而C较小，故√L/C值较大，因此截流过电压的幅值很高。

同样其振荡频率f=1/2π√LC也很高，可达数KH Z到数十KH Z。

3)、截流过电压大多数情况下，只发生在开断小电流的回路中，因此在开断空载变压器时最为危险。

4)、在开断电抗器、电容器及长电缆时，很难发生高的截流过电压。

但在开断这些负载却极易产生高幅值、高频率的重燃过电压，这一点应引起人们的极大注意。

总之，截流过电压是一个高幅值、高频率、极陡的电压，同时也是产生多次重燃和三相同步开断过电压的基础。

要想降低这个过电压，从f=1/2π√LC和U=√L/C·I0式可知，可以加大回路中的电容，例如接入阻容过电压吸收器。

2、2多次重燃过电压在真空开关设备开断的过程中，当动触头运动到某一距离时，动、静触头极间的绝缘恢复强度低于暂态恢复电压时，就会发生重燃，极间流有对应于开关设备附近回路常数的高频燃弧电流。

开断这个电流时产生的电压就是重燃过电压。

此后如果极间仍不能耐受暂态恢复电压时，燃弧和开断就会反复进行，就会发生电压逐步级升，就会产生多次重燃过电压。

多次重燃过程中同时也伴随着回路中L和C中的能量互相转换，使暂态恢复电压振荡频率极高（达数十KH Z以上)，同时也使暂态过电压急剧升高。

多次重燃并不是无休止的继续，当极间的绝缘恢复强度超过暂态恢复电压时终止，或当燃弧电流不通过零点时，就一直持续到下一个电流零点熄弧。

多次重燃过电压的特点是：1）多次重燃过电压是一个频率更高、陡度更大和幅值更高、危险性更大的过电压。

2）多次重燃过电压多发生在开断不易持续燃弧的小电流回路里，如：小容量鼠笼型电动机的启动电流开断；电炉及电动机自耦变压器降压启动的中性点开关的开断；在变压器的一次侧开断二次侧的短路电流时；开断电抗器回路；特别是开断（切)电容器组时发生多次重燃时，都会发生异常高的过电压。

当开断（切)电容器组时，重燃发生一次，电容器端子上就会产生3倍的过电压，一但持续发生，就会成5倍、7倍的增加。

这就可能使电容器的绝缘击穿，同时也会给电容器回路中的变压器和互感器等设备带来危险，故电容器回路应力求在无重燃的条件下开断。

2、3三相同步开断过电压在前面所叙述的截流过电压和多次重燃过电压现象就有三相同步开断过电压现象。

开关在开断时不可能三相完全同时开断，（我国12kv断路器规定不同期性≤2ms ），总有一相首先开断（称之谓首开相），此时未被开断余下的两相的相电流就变成为三相负荷电流√3/2值的单相电流，在电角度90º后迎来电流自然过零点，此时一旦发生三相同步开断，后开断的俩相电流√3/2值电流被截断了，并产生高的截流过电压。

如果此时的负荷为容性负荷（如空载长线、长电缆和电容器组等），开断这个负荷极易产生重燃过电压。

在开断电容负荷时，因电容负荷的残存电压施加在开关的极间，当极间不能耐受这残余电压时，就会发生重燃而产生重燃过电压。

开关在开断时，如a相首先开断，比它晚90º，b c相被开断。

此时a相的开关极间出现的过电压为3.5pu，该电压通过中性点，在b、c相分别产生4.13 pu和5.87 pu的理论最大值过电压。

这种在容性负荷回路中发生重燃时过电压非常的高。

因此在这种情况下应选用重燃概率低的开关产品，如C2级断路器。

三相同步开断过电压的特点是：1）三相同步开断过电压也是由截流过电压和多次重燃过电压造成的。

2）三相同步开断过电压如按a相—b相—c相的开断顺序时，其过电压是c相﹥b相﹥a相，也就是说最大过电压发生在后开断的二相，而且最后开断的相过电压最大。

3）三相同步开断过电压可以发生在开断任何负荷时，但以开断容性负荷为最大。

4、感应过电压当真空开关设备操作时，其产生的操作过电压有时会引起低压侧二次回路的感应故障，特别是近年来，装有半导体等电子元件的控制设备更多地使用在电力设备中，感应过电压会造成误动作及元件的损坏。

感应过电压进入二次回路的主要途径有：由变压器等静电、感应电压共同造成；高压电力电缆在低压、控制元件用电缆中的感应电压；由GIS高压开关的高压主回路和低压充气罐壁的静电感应电压引发的感应电压造成的等等。

无论任何场合，感应过电压都是由主回路的开关设备在操作时产生的高频操作过电压造成的。

故应采取适当的措施，选择合适的过电压保护装置。

5、真空开关设备的合闸过电压合闸过电压，是指开关设备在合闸时产生的异常电压，主要是由开关合闸不同步，以及在合闸过程中发生予击穿期间产生的异常现象等造成的。

一般情况下，合闸过电压因为其峰值小于正常运行的电器设备对地电压2.5倍，就不需要特别的过电压保护。

但值得注意的是，在容性负荷的情况下，发生予击穿电流切断时的高频合闸电流，会重复发生开断—重燃—再重燃，这与多次重燃过电压的现象相同。

综上所述，真空开关设备在操作时产生的操作过电压对运行着的电器设备危害极大，可以造成电动机、变压器、电炉变压器、电抗器和电容器的绝缘击穿、回路设备故障、开关柜相间和真空灭弧室外部沿面闪络等事故。

因此必须选用适当的过电压保护装置来降低这个过电压，以达到系统可靠安全的运行。

二、操作过电压保护装置使用指南2、1不同负荷设备过电压保护分析表中所示为不同的负荷设备和过电压保护装置的典型配合√:通常使用△:有效果,但通常不用×:无效果以下分别介绍各种保护装置的特点和不同负荷设备的过电压保护:A)、阻容过电压吸收器：将电容器（应该用保护型电容器）和电阻串联连接后，再接到负荷侧与地之间，它可有效地抑制操作过电压的瞬间振荡和高频电流，无论对哪种负荷设备都非常有效。

不同使用回路都有一个最佳参数，电动机和变压器等最佳参数为：电容值为0.1μF，电阻值为100Ω。

电容器的最佳值因使用回路不同而有很大差别，必须根据具体的系统和回路选择合适的参数。

操作过电压是一个缓波前过电压，其波头时间为20～5000μs，而阻容过电压吸收器起作用的时间（响应时间）仅为0.1μF×100Ω=10μs，也就是说过电压第一个峰值刚上升时（此时幅值较低）它就开始发挥其应有的作用。

其结果是使过电压的波形变缓，陡度和幅值降低，再加上电阻的阻尼作用，使振荡迅速衰减。

截流过电压是发生多次重燃过电压和三相同步开断过电压的基础，如果能有效地限制和降低截流过电压，将使重燃和三相同步开断过电压明显减少，甚至不发生。

在前面截流过电压中已经叙及阻容过电压吸收器的作用，这里不在重复。

另外，阻容过电压吸收器回路在发生过电压时，由于X C急剧变小，而负荷中的X L急剧变大，使得阻容过电压吸收器变成一个非常好的吸收过电压回路。

做为抛砖引玉，顺便研讨一下阻容过电压吸收器能否保护大气（雷电）过电压问题。

迄今为止，保护大气过电压，通常都使用避雷器，那么阻容过电压吸收器是否能保护大气过电压？GB3983-83标准指出“具有中性点接地的并联电容器的相电容通常能够充分地降低雷电或操作冲击电压。

即使该冲击波起源于相当靠近电容器处”。

这就说明阻容过电压吸收器也同样能保护大气过电压。

众所周知，大气过电压和操作过电压本质上没有什么差别。

在GB311.1-1997的标准中，把前者称为“快波前过电压”，而把后者称为“缓波前过电压”。

两者差别仅在“快”和“缓”上，而没有本质上的不同，因此阻容过电压吸收器完全能保护大气过电压。

阻容过电压吸收器是接在开关的负荷侧与地之间，正常情况下（三相完全对称），中性点电位为零，对地没有电容电流，当中性点发生漂移时，特别是发生单相接地短路时，对地会有一定的电容电流。