真空斷路器投切電容器組的試驗過程分析及降低重擊穿的措施

李小格

（庫柏（寧波）電氣有限公司，浙江 寧波 315336）

0 引言

真空斷路器由于使用壽命長，開斷性能好，又能做到少（免）維護，且適用于頻繁操作，所以是投切電容器組比較理想的開關(guān)。然而在電容器組投入的瞬間，因為受電容器電壓與電流之間相位差（電流超前電壓90°）的影響，可能產(chǎn)生幅值很大的合閘涌流和過電壓，而在切除電容器組的時候又容易發(fā)生重擊穿。重擊穿可能導致在電容器組上產(chǎn)生數(shù)倍的過電壓，對電力系統(tǒng)中的電容器其它相關(guān)元件的造成嚴重的危害[1，2]。

我公司針對電容器投切這種殊的工況，經(jīng)過充分的市場調(diào)研后，在現(xiàn)有40.5 kV 高壓交流真空斷路器產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，通過設計改進、性能提升，開發(fā)出了解決40.5 kV 電容器投切的特種斷路器產(chǎn)品，該產(chǎn)品在蘇州電器科學研究院順利通過了400 A 背靠背電容器組的投切試驗，拿到了電容器組投切的全套C2 級型式試驗報告。

本文結(jié)合產(chǎn)品對真空斷路器切電容器組的試驗過程及開合過程進行分析，同時提出了幾點降低重擊穿的措施。

1 試驗樣機及型式試驗過程

1.1 試驗樣機及機械特性參數(shù)

本次投切電容器組試驗的樣機為40.5 kV 戶內(nèi)高壓交流真空斷路器，該款斷路器開距較大，剛分速度較快，剛合速度適中，分閘反彈極小，特別適合投切電容器組。

按照GB1980-2014 的要求：對C2 級斷路器的容性電流開合試驗應在斷路器完成預備試驗的試驗方式T60 后進行。在投切電容器組試驗開始前對斷路器進行了T60 試驗，以使得斷路器更符合容性電流開合試驗的要求，提高試驗的成功率[3，4]。

真空斷路器合理的機械特性參數(shù)是衡量產(chǎn)品性能優(yōu)良與否的標準之一，適中的機械特性參數(shù)能為容性電流開合試驗提供有效的保障。表1、表2 為容性電流開合試驗前后機械特性參數(shù)。

表1 三相電容器組開合試驗前參數(shù)

表2 三相電容器組開合試驗后參數(shù)

通過對比試驗前后的機械特性參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，相比較滿容量的開斷與關(guān)合試驗，由于投切電容器組試驗額定開斷電流較?。ㄗ畲?00 A），對滅弧室的燒蝕情況相對較好，所以試驗過程對機械特性的影響較小。

1.2 部分機械特性對試驗的影響

機械特性的優(yōu)劣對試驗的成敗起關(guān)鍵作用，尤其是剛分和剛合速度，對試驗的影響尤為重要。

1.2.1 合閘速度對試驗的影響

投切電容器組的真空斷路器對合閘速度的要求較高。合閘速度太大，不僅會影響真空滅弧室的壽命，而且會增加合閘功，造成斷路器合閘彈跳增大，進而使動靜觸頭持續(xù)受到電弧的侵蝕。合閘速度太小，會增加預斷路器的擊穿時間，加劇動靜觸頭的燒損[5]。

1.2.2 分閘速度對試驗的影響

由于試驗系統(tǒng)是三相交流系統(tǒng)，所以分閘過程就存在首開相和后開相區(qū)別。對首開相來說由于恢復電壓高，加上分離之初觸頭間隙小，金屬蒸汽密度相對較大，此時就需要非?？斓姆珠l速度將觸頭拉開，由于系統(tǒng)中性點不接地，后兩相在首開相開斷后5 ms 同時開斷，雖然兩個斷口分布承擔0.866 倍相電壓的一半，但由于燃弧時間延長，觸頭燒損會比較嚴重，而且后開相滅弧區(qū)進入分閘到底的機械震動區(qū)，若此時分閘速度過大，則一定會造成過大的分閘反彈，導致后開相開斷失敗。所以在分閘過程中首先要解決的問題是提高剛分速度，其次使反彈幅值減小或使后開相遠離分閘到底的機械震動區(qū)。另外，要使分閘過程最佳，緩沖器應具備對分閘過程的控制能力。在運動系統(tǒng)碰撞油緩沖的初始階段，由于運動系統(tǒng)的速度大，液壓阻力也大；而在分閘到底時由于運動部件的速度逐漸減小，阻力也跟著減小，但此時正需要一比較大的阻力來吸收過剩的能量，以達到減小反彈幅值的目的[5，6]。

1.3 試驗參數(shù)及合閘涌流

如表3 為投切電容器組試驗的試驗參數(shù)，通過試驗參數(shù)可以看出試驗的開斷電流較小，但是合閘涌流頻率及合閘涌流峰值極高。

表3 試驗參數(shù)

真空斷路器能可靠開合幾十千安的短路電流，但對電流不到一千安的容性電流并非能可靠開合。電容器在投入過程中會產(chǎn)生合閘涌流，而在斷開過程中會產(chǎn)生過電壓。這是由于觸頭關(guān)合過程中，高頻的涌流會導致觸頭起弧點熔化并且當熔化的觸頭壓在一起時會形成熔焊。在隨后的斷路器分閘操作中，熔焊區(qū)域被強行拉開，產(chǎn)生金屬須和金屬微粒，使得觸頭表面的場致增強系數(shù)增大，在恢復電壓的作用下，這些斷裂區(qū)不僅耐壓能力減弱，而且將變成電子的發(fā)射源。這就會破壞觸頭表面并降低觸頭間隙的的絕緣耐受能力[7]。

1.4 試驗結(jié)論及滅弧室觸頭研究

通過容性電流開合試驗檢測，樣品在所有的檢測項目及操作次數(shù)內(nèi)未出現(xiàn)NSDD 及重擊穿，符合GB1984-2014 容性電流開合試驗C2 級標準要求，順利獲得容性電流開合試驗全套型式試驗報告。

型式試驗后，為了研究及觀測容性電流開合對滅弧室動靜觸頭的燒蝕情況，對三相滅弧室進行了解剖，圖1 為解剖后的動靜觸頭照片。從圖中可以清楚的觀察到熔焊點以不規(guī)則的形式存在，觸頭的中心相較觸頭的邊緣熔焊點較少，同時燒蝕的不是太嚴重。三相觸頭表面燒蝕的情況也差異很大，這是由于開斷過程中各相的燃弧時間不同造成的。經(jīng)過對BC1 及BC2 試驗首開相次數(shù)的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，共計104次開合操作中A 相作為首開相出現(xiàn)了91 次，占總操作次數(shù)的87.5%，C 相作為首開相出現(xiàn)了13 次，占總操作次數(shù)的12.5%，B 相出現(xiàn)0 次。這也直觀的印證了圖2 中A 相燒蝕輕微，C 兩相燒蝕較嚴重，B 相燒蝕最嚴重的現(xiàn)象。所以在調(diào)整斷路器機械特性時注意三相同期的調(diào)整，避免由于三相不同期太大造成后開相滅弧室燃弧時間加長，觸頭表面過度燒蝕，降低滅弧室的開斷能力[5]。

圖1 試驗后三相觸頭表面燒損（依次A，B，C）

2 三相電容器組的開合過程分析

40.5kV 真空斷路器投切電容器組試驗為三相試驗，三相電容器組開斷時的恢復電壓和中性點是否接地有關(guān)，也與電容器組的連接方式有關(guān)。標準規(guī)定了三相電容器組進行試驗時，電源回路的中心點應該接地，至于電容器組的接線方式就按照實際試驗的中性點不接地的星形接法進行接線。其試驗電路圖如圖2 所示。

圖2 三相電容器組的開合驗電路圖

三相電容器組的開合過程分析的計算推導經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)形成相對可靠的結(jié)論公式，由已知文獻可得斷路器三相全部斷開后，各相觸頭恢復電壓的最大值及最大值出現(xiàn)的時刻分別是：

A 相：在ωt=180°時，恢復電壓最大值uaAm=2.5Um；

B 相：在ωt=300°時，恢復電壓最大值ubBm=1.87Um；

C 相：在ωt=240°時，恢復電壓最大值u cCm=-1.87Um；

以上分析僅針對斷路器各相均正常開斷的情況。通過對三相開斷后的恢復電壓分析，發(fā)現(xiàn)三相電容器開斷時的恢復電壓高，發(fā)生重擊穿的可能性更高，而切電容器組則越困難。所以減少影響重擊穿發(fā)生的各種因素，對提高切電容組的成功率有重要意義[8，9]。

3 真空斷路器投切電容器組時降低重擊穿的措施及方法

首先，真空滅弧室作為真空斷路器核心元件，對真空斷路器投切電容器組的成敗有決定性的作用。對用于投切電容器組的真空斷路器，應選用觸頭結(jié)構(gòu)合理、材料優(yōu)良，真空度高，且耐壓能力強，開距較大的真空滅弧室，將其裝配在斷路器整機進行老練，以提高滅弧室內(nèi)部的清潔度，降低投切電容器組時出現(xiàn)重擊穿的概率[6]。

其次，要選擇最佳的合閘速度。因為合閘涌流的作用，投入電容器組時可能會造成觸頭嚴重燒損。所以應盡可能選擇最佳的合閘速度，減小合閘過程中的總?cè)蓟r間，對降低觸頭熔焊，減小觸頭間重擊穿有重要的意義。

最后，要優(yōu)化分閘過程。在斷路器分閘過程中，盡量提高剛分速度，同時又不能使分閘速度太高，避免分閘后期速度過大造成分閘反彈幅值相應過大，同時選用阻尼適中的油緩沖，能有效發(fā)地減小分閘反彈的幅值。

機械振動及機械沖擊對重燃有很大的影響。機械振動波在電極表面上反射時會產(chǎn)生較大的縱向切力，會使大量的微粒及雜質(zhì)從滅弧室的屏蔽罩上掉下，造成引發(fā)沖擊傳的原因之一，特別觸頭表面有一些凹凸部位在電弧剛熄滅后尚處于液態(tài)，振動形成熔液噴發(fā)及表面不規(guī)則形狀，都有可能使重燃加劇。所以在試驗及實際運行中，應盡量減小機械振動及機械沖擊[5]。

4 結(jié)論

本文結(jié)合40.5 kV 真空斷路器投切電容器組型式試驗的過程，研究了機械特性及合閘涌流對真空斷路器器投切電容器組時重擊穿的影響。通過對比試驗前后的機械特性參數(shù)以及三相電容器組的開合過程分析發(fā)現(xiàn)，試驗過程本身對機械特性的影響不大，但機械特性對試驗的影響較大，所以投切電容器組的真空斷路器應選用清潔度好，耐壓能力強的真空滅弧室，同時選擇最佳的合閘速度，較高的分閘速度，較小的三相不同期，以及適中的緩沖器，盡量減小合分閘過程中的機械振動及機械沖擊，降低速度過大或過小對斷路器投切電容器組的影響。這對投切電容器組的真空斷路器設計研發(fā)有重要意義。