電容器組真空斷路器電弧重燃過電壓分析與檢測(cè)

李家兵 皮志勇 羅軍 瞿輝

【摘要】根據(jù)真空斷路器投切電容器組產(chǎn)生涌流和多次重燃的現(xiàn)象，分析了電弧重燃的因素、降低重燃率的方法和對(duì)策，并提出了一種離線檢測(cè)電容器組投切試驗(yàn)的系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】電容器組 投切 電弧重燃 分析與檢測(cè)

真空斷路器具有體積小、滅弧性能好、壽命長、維護(hù)量小、使用安全等優(yōu)點(diǎn)，在中壓系統(tǒng)及配電電網(wǎng)中應(yīng)用日益廣泛。特別是由于其適合頻繁操作的特點(diǎn)，在并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置中基本采用真空斷路器來投切電容器組。

開斷電容器組等容性負(fù)載時(shí)，由于電容器存在殘余充電電荷，在斷路器斷口會(huì)出現(xiàn)含直流分量的較高恢復(fù)過電壓。真空斷路器投切電容器組的大量試驗(yàn)研究表明，真空斷路器存在弧后延時(shí)重?fù)舸┎⒛芨哳l熄弧的特殊現(xiàn)象，即重燃現(xiàn)象。一旦發(fā)生重燃，會(huì)產(chǎn)生高幅值的重燃過電壓，特別是多次重燃或多相重燃，其過電壓嚴(yán)重威脅并補(bǔ)裝置和系統(tǒng)安全。因此對(duì)于投切電容器組的真空斷路器要求無重燃或低重燃率，國家相應(yīng)制定有GB7675-87《交流高壓斷路器的開合電容器組試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，專門用于考核投切電容器組的斷路器性能（必須不發(fā)生重燃）。早期使用的真空斷路器由于性能不完善，在投切電容器組過程中，由于涌流和多次重燃的出現(xiàn)，產(chǎn)生了高的過電壓，給電力設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害。

1電弧重燃原因分析

1.1開斷后幾毫秒內(nèi)重燃原因分析

一般而言，開斷后5ms內(nèi)擊穿為復(fù)燃；5～10ms內(nèi)擊穿稱為重?fù)舸?，?0ms以上有的稱之為非自持性放電，在此統(tǒng)稱為重燃。在5ms內(nèi)重燃主要是真空電弧開斷后的介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度與恢復(fù)電壓對(duì)比，介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度一個(gè)是恢復(fù)時(shí)間，另外是響應(yīng)的上升幅值。在燃弧過程中電弧加熱觸頭，使其向真空間隙蒸發(fā)，這些金屬蒸氣不斷向間隙外擴(kuò)散，并在觸頭表面不是很熱的情況下有一部分重新凝結(jié)在觸頭表面上。同時(shí)在恢復(fù)電壓作用下電極會(huì)有一定量電子的發(fā)射，但這種發(fā)射不一定能導(dǎo)致間隙擊穿。使間隙擊穿的條件是發(fā)射電流達(dá)到一定值或間隙中有能使電子增生的物質(zhì)存在。真空電弧熄滅后間隙有金屬蒸氣存在，由于金屬蒸氣電離電位低，故很易被電離。介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)過程是非常復(fù)雜的過程，要精確分析介質(zhì)恢復(fù)過程應(yīng)從如下方面綜合分析：（1）電弧對(duì)電極的非均勻加熱。（2）準(zhǔn)確的電極加熱和散熱過程。（3）電極表面的熱狀態(tài)和電子發(fā)射。（4）金屬蒸氣擴(kuò)散的非自由和非平衡。（5）電子使金屬蒸氣原子電離的實(shí)際過程，相對(duì)接近實(shí)際的方法為試驗(yàn)法。

燃弧時(shí)間對(duì)介質(zhì)恢復(fù)過程也有影響，在同一電流下，燃弧時(shí)間越長則需要的恢復(fù)時(shí)間也越長。由于電極熱傳導(dǎo)的作用，如果電流越小且燃弧時(shí)間大于一定值時(shí)，再增加燃弧時(shí)間對(duì)恢復(fù)時(shí)間無明顯影響。此外，電弧熄滅后真空間隙承受正極或負(fù)極性電壓（相對(duì)電弧電壓的極性）的能力是不同的。對(duì)于低熔點(diǎn)金屬隔、鋁和銅，負(fù)極性擊穿電壓比正極性擊穿電壓高約10%～20%。實(shí)際上，在真空電弧燃弧期間陰極斑點(diǎn)使陰極表面變得粗糙，而陽極則由于加熱比較均勻（特別對(duì)較低熔點(diǎn)的觸頭材料）而顯得光滑。這樣，正極性電壓對(duì)應(yīng)著粗糙的陰級(jí)表面，電場(chǎng)增強(qiáng)系數(shù)由于陰極表面光滑而較小，故擊穿電壓有較大的提高。

1.2開斷后10ms以上重燃原因分析

開斷后的介質(zhì)恢復(fù)時(shí)間較短，一般小于1ms。開斷后10ms以上出現(xiàn)重燃的情況與觸頭表面的冷卻過程有關(guān)，這種變化是觸頭熱過程和冷過程對(duì)觸頭表面的破壞。對(duì)Ag-WC觸頭材料試驗(yàn)中獲得開斷后0ms、30ms、60ms時(shí)的觸頭表面變化情況，從拍攝圖中可見，觸頭表面微粒在開斷后60ms被觀察到，這可能就是電容器組開斷后幾十毫秒以上發(fā)生重燃的原因。

分閘速度對(duì)大電流開斷后的觸頭表面變化的影響很嚴(yán)重，因?yàn)樵谟|頭分離的小開距時(shí)電弧比較集中，這將損壞電極表面，在電極表面的熔橋?qū)⒚黠@上升，這一熔橋?qū)⒂|頭間連接起來，然后被汽化形成真空電弧。研究熔橋直徑與分閘速度的關(guān)系是十分重要的。對(duì)Ag-WC觸頭材料進(jìn)行分析，開斷電流為40kA（方均根植），直流分量為50%，開斷電流峰值為84kA，熔橋直徑隨開斷速度的增加而減小，熔橋?qū)﹄娀〖谐潭鹊挠绊戄^大。開斷速度較快時(shí)，電弧擴(kuò)散較快。

2減少電弧重燃措施分析

2.1改善斷路器機(jī)械特

雖然真空斷路器比其他種類斷路器具有較好的開斷容性負(fù)載的能力，但由于真空間隙耐壓強(qiáng)度不穩(wěn)定及直流耐壓水平較低，而開斷容性負(fù)載時(shí)恢復(fù)電壓較開斷其他負(fù)載高且存在較大直流分量，因此真空斷路器應(yīng)用于投切電容器組時(shí)在運(yùn)行早期表現(xiàn)為存在一定的重燃幾率。其重燃率同觸頭材料、觸頭表面的光潔度及清潔度、斷路器機(jī)械特性等諸多因素相關(guān)，分散性很大。真空斷路器主要由真空滅弧室和操動(dòng)機(jī)構(gòu)兩大部分組成，每一部分性能的優(yōu)劣都會(huì)影響到斷路器整機(jī)的性能。根據(jù)系統(tǒng)試驗(yàn)站長期來對(duì)真空斷路器投切電容器組抗重燃率考核試驗(yàn)及研究，認(rèn)為真空斷路器投切電容器組性能首先取決于真空滅弧室的制造質(zhì)量，其次同所配斷路器的機(jī)械特性也密切相關(guān)。因此要提高真空斷路器投切電容器組性能必須從提高真空滅弧室制造質(zhì)量及改善所配斷路器機(jī)械特性兩方面入手。

2.2老練工藝處理

首先明確電壓老練和電流老練的區(qū)別。電壓老練是真空器件的普遍工藝，極間加電壓后使極間和絕緣外殼表面產(chǎn)生閃絡(luò)，甚至擊穿。此時(shí)若電壓不再升高，閃絡(luò)消失，以后每升高一次，上述過程就重復(fù)一次，直到穩(wěn)定。高壓老練目的在于消除滅弧室內(nèi)部和外部的毛刺、金屬和非金屬微粒及各種污穢物等。電流老練工藝專為真空滅弧室設(shè)定，電流老練用持續(xù)的擴(kuò)散型電弧，在電極表面不斷運(yùn)動(dòng)，以盡可能徹底地清除電極表面的毛刺、金屬氧化物、金屬和非金屬微粒等有害物質(zhì)，并通過燃弧中產(chǎn)生的電極材料的吸氣作用，使滅弧室內(nèi)部保持良好的真空度。

老練后的滅弧室解剖觀察，除了表面光滑和雜質(zhì)（主要是Fe，Si等）減少外，還發(fā)現(xiàn)電弧作用過的陰極表面層材料的晶格結(jié)構(gòu)有明顯的變化，距表面10μm以內(nèi)材料晶粒細(xì)化，對(duì)深層材料和只經(jīng)過高壓火花老練過的電極表層晶相觀察，其晶格直徑約為幾微米，而經(jīng)過電流老練過的陰極表面層晶粒直徑在1μm以下。細(xì)化晶粒構(gòu)造的形成可能與電弧引起的局部熔化及快速冷卻有關(guān)。金屬凝固原理指出，液態(tài)合金的冷凝過程冷卻速度越大，晶核產(chǎn)生得越多，晶粒的粗化受到限制因而晶粒越細(xì)。這種均勻化的細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)于減少材料的成分不均勻（偏析），減少電極表面凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)，減少微料團(tuán)脫落是有利的，這些都對(duì)減少重燃起了重要作用。

3型式試驗(yàn)狀況分析

七十年代未就開始從事用于切合電容器組的真空斷路器試驗(yàn)研究，于90年開始從事斷路器投切電容器組型式質(zhì)檢試驗(yàn)。表1是近年來10kV真空斷路器開合電容器組型式試驗(yàn)一次性通過的情況，可以看出一次性通過率比較低，原因在于某些制造廠技術(shù)力量不夠，對(duì)真空斷路器切合電容器組的特殊性認(rèn)識(shí)不足，選用的真空滅弧室質(zhì)量不佳或機(jī)構(gòu)調(diào)整不良所致。（如表1）

可以看出，一次性通過率并不高，由于這一客觀現(xiàn)實(shí)的存在，所以各開關(guān)用戶在設(shè)備投運(yùn)時(shí)，往往在現(xiàn)場(chǎng)做投切試驗(yàn)。按試驗(yàn)規(guī)程要求新投電容器組真空斷路器連續(xù)進(jìn)行10次投切試驗(yàn)。

筆者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)該項(xiàng)目使用為8通道示波器，主要由試驗(yàn)人員跟蹤全過程，這樣有可能造成數(shù)據(jù)的丟失，不能有效的進(jìn)行分析。因此，與運(yùn)行人員、試驗(yàn)人員反復(fù)探討提出一種智能檢測(cè)系統(tǒng)。

4檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

建立在以上理論基礎(chǔ)上的電容器組真空斷路器電弧重燃離線檢測(cè)系統(tǒng)由主機(jī)（PC104）、采集板、液晶顯示屏、鼠標(biāo)鍵盤接口、打印機(jī)接口、USB接口等組成。采集板以CPU、CPLD、A/D、電壓傳感器、電流傳感器等組成。主要是以斷路器分合動(dòng)作時(shí)刻對(duì)電壓電流錄波來實(shí)現(xiàn)的。錄波參數(shù)有UA、UB、UC、U0、IA、IB、IC等電分量，這些被檢測(cè)電分量保證在同一時(shí)間坐標(biāo)軸上顯示，試驗(yàn)人員可有效的分析電弧的幅值和波形，觀察開關(guān)是否有重燃現(xiàn)象。

4.1總體設(shè)計(jì)思路及設(shè)計(jì)重點(diǎn)

檢測(cè)系統(tǒng)各信號(hào)及連接如圖1所示，三相電壓和中性點(diǎn)電位由阻容并聯(lián)分壓器獲得，三相電流由安裝于主回路電流互感器次級(jí)獲得。系統(tǒng)控制斷路器分合閘并兼作主回路各電壓電流的錄波啟動(dòng)信號(hào)。（如圖1）

4.2信號(hào)的抽取初步考慮

對(duì)于電容器電壓波形的監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員發(fā)表了大量的文章探討，其中不少是關(guān)于信號(hào)測(cè)量點(diǎn)選取。我們通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察，決定在電容器母線上安裝一個(gè)分壓器來提取電壓信號(hào)。如圖2所示，分壓器外殼采用合成絕緣子，分壓電容、電阻、隔離變等分立元件組成，采用環(huán)氧環(huán)脂澆注固定在絕緣子內(nèi)。上面為固定端，主要與母排固定，固定方法為：將分壓器由開口處掛在母排上，并擰緊上端固定螺釘，下端為一次接地端，檢測(cè)時(shí)與變電所系統(tǒng)大地可靠接觸。輸出信號(hào)用航空插座與檢測(cè)系統(tǒng)相連，為裝置提供電壓信號(hào)。因?yàn)橐酝默F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)曾有近6倍左右相電壓額定值的過電壓發(fā)生，所以分壓器的設(shè)計(jì)考慮在最高36000伏的作用電壓下，±5V的AD轉(zhuǎn)換器模塊能記錄下電壓變化全過程。估計(jì)高于50000伏的最高峰值可能會(huì)削掉一點(diǎn)，但那是極少有的情況，我們按絕大多數(shù)3-4倍過電壓測(cè)量準(zhǔn)確清晰為設(shè)計(jì)依據(jù)。這樣記錄的全過程對(duì)分析診斷有無重燃及事故的全過程可提供足夠的信息和數(shù)據(jù)。（如圖2）

5結(jié)語

本文在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，與運(yùn)行人員反復(fù)探討的基礎(chǔ)上，分析了電弧重燃的因素、降低重燃率的方法和對(duì)策，提出了一種實(shí)用性強(qiáng)、適應(yīng)性廣的檢測(cè)系統(tǒng)。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，已進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用階段。