庫柏（寧波）電氣有限公司的研究人員楊和，在2019年第11期《電氣技術》雜志上撰文指出，真空開斷技術已廣泛應用于電力系統(tǒng)，但真空斷路器在電容器組應用中仍存在問題，無法滿足其投切要求，原因在于合閘涌流會破壞真空斷路器絕緣性能。

本文進行了在容性電流投切過程中合閘涌流影響真空滅弧室重擊穿特性的試驗研究。試驗過程中分別對7.2kV和40.5kV等級真空斷路器進行了電容器組投切試驗。試驗結果表明合閘涌流會直接影響觸頭表面狀態(tài)，進而影響重擊穿現(xiàn)象。

當涌流幅值從0上升到5kA，7.2kV等級真空滅弧室重擊穿概率會從5%上升到30%；當涌流幅值從4kA上升到5kA，40.5kV等級真空滅弧室重擊穿概率會從3%上升到20%；此外，合閘涌流也會影響重擊穿發(fā)生時間，隨合閘涌流幅值上升，重擊穿發(fā)生時間顯著提前。

電力系統(tǒng)運行過程中，因負載波動需頻繁投切電容器組來提高功率因數(shù)。國內外研究調查表明，60%電容器組每年投切操作可達300次左右，另外30%的電容器組每年投切操作可達700次左右。電容器組投切操作由電力開關設備來完成，這表明電力開關每日就有1～2次的頻繁合分操作。

真空斷路器以其適應頻繁操作、免維護、環(huán)境友好等優(yōu)良特性本應特別適用于無功補償系統(tǒng)，然而真空斷路器在投切過程中會產生較高的重擊穿概率，引發(fā)過電壓威脅電力系統(tǒng)安全運行，因此真空斷路器電容器組投切問題已經成為國內外研究的熱點。

目前真空斷路器投切電容器組領域已經有許多的研究成果。

• 在觸頭材料方面，Kamikawaji和Yokokura等人對CuW、CuTeSe、CuBi以及CuCr等材料進行研究，發(fā)現(xiàn)CuW的電容器組開斷性能較為優(yōu)秀；
• Dullni和K?rner等人對預擊穿和重擊穿之間的關系進行了研究，同時他們發(fā)現(xiàn)觸頭開距和結構也是影響開斷性能的重要因素；
• Niayesh和Smeets等人對延時重擊穿和NSDD現(xiàn)象進行了深入研究；
• Delachaux等人發(fā)現(xiàn)真空斷路器合閘速度較高對電容器投切會帶來較好的效果；
• 真空斷路器容性電流開斷弧后場致電流特性上也有許多的研究。同時也有研究提出了用同步技術來投切電容器組的方案。

基于上述研究，真空斷路器電容器組投切性能已經有較大的改善，但在40.5kV等級電容器組投切應用中，電力系統(tǒng)用戶仍采用SF6斷路器進行投切。本文將開展真空斷路器在容性電流投切過程中，合閘涌流影響真空滅弧室重擊穿特性的試驗研究。

1 試驗設置

試驗過程中對9只7.2kV等級和4只40.5kV等級真空滅弧室進行了電容器組投切試驗。7.2kV試驗回路采用LC振蕩回路與變壓器相組合的合成試驗回路，如圖1所示。

試驗操作如下：當涌流源電容C2充到一定值后，先后順序關合涌流源隔離開關SWinrush和試品真空斷路器SWtest，試品將承受關合高頻涌流Iinrush，其典型波形如圖2所示；然后關合電壓源隔離開關SWvoltage，工頻電流Iv通過試品；最后打開試品真空斷路器SWtest，試品將承受容性恢復電壓，其典型波形如圖3所示。

圖1 7.2kV等級電容器投切合成試驗回路

受電源容量限制，40.5kV試驗回路均采用LC振蕩回路組合的合成試驗回路，如圖4所示。其涌流源與圖1一致，試驗操作也與上述類似，當試品真空斷路器SWtest通過涌流后，關合電壓源隔離開關SWv和SWc，工頻電流Is2通過試品；最后打開試品真空斷路器SWtest，試品將承受等效直流容性恢復電壓，如圖5所示。

圖2 合閘高頻涌流典型波形

圖3 7.2kV等級合成回路容性電流開斷典型波形

圖4 40.5kV等級電容器投切合成試驗回路

圖5 40.5kV等級合成回路容性電流開斷典型波形

7.2kV真空滅弧室具體試驗信息見表1。試驗設置了0、2kA和5kA共3種不同幅值的高頻涌流，其頻率均為3800Hz。根據不同合閘涌流幅值，試驗分為A、B和C共3個試驗系列，每個試驗系列采用3只真空滅弧室試品，每個試品需進行80次合分操作。

由于真空斷路器在開斷百安培量級的工頻電流時具有老煉效應，為了防止老煉效應對研究目標的影響，本試驗在工頻開斷電流有效值小于1A，燃弧時間接近0的苛刻條件下進行。

表1 7.2kV試驗設置信息

表2 40.5kV試驗設置信息

40.5kV真空滅弧室具體試驗信息見表2。試驗設置了4kA和5kA兩種不同幅值的高頻涌流，其頻率均為4250Hz。試驗分為E和F兩個試驗系列，每個試驗系列采用2只真空滅弧室試品，每個試品需進行30次合分操作。

2 試驗結果

2.1 合閘涌流對重擊穿概率的影響

試驗結果顯示真空斷路器投切電容器組出現(xiàn)的重擊穿概率與合閘涌流密切相關，其重擊穿概率會隨高頻涌流幅值的增加而顯著上升，表3統(tǒng)計了不同高頻涌流幅值作用下試品真空斷路器的重擊穿概率，具體如下：

1）7.2kV電壓等級合成試驗：

• ①在試驗系列A中，沒有合閘涌流的燒蝕破壞（合閘高頻涌流幅值為0），3只試品真空斷路器（VI_A1、VI_A2和VI_A3）重擊穿概率分別為4%、3%和8%，其重擊穿概率的平均值為5%；

• ②在試驗系列B中，合閘涌流開始考核試品真空斷路器（合閘涌流幅值為2kA），3只試品真空斷路器（VI_B1、VI_B2和VI_B3）重擊穿概率分別上升為14%、20%和20%，其重擊穿概率的平均值達到18%，為試驗系列A的3.9倍；
• ③在試驗系列C中，合閘涌流幅值增加到5kA，3只試品真空斷路器（VI_C1、VI_C2和VI_C3）重擊穿概率進一步上升，分別為41%、29%和21%，其重擊穿概率的平均值達到30%，為試驗系列B的1.7倍。

2）40.5kV電壓等級合成試驗：

• ①在試驗系列E中，合閘涌流幅值為4kA，兩只試品真空斷路器（VI_ E1和VI_E2）重擊穿概率分別為3%和3%，其重擊穿概率的平均值為3%；
• ②在試驗系列F中，合閘涌流幅值增加了1kA，兩只試品真空斷路器（VI_F1和VI_F2）重擊穿概率就隨之上升，分別為27%和13%，其重擊穿概率的平均值為20%，為試驗系列E的6.1倍。

表3 重擊穿概率統(tǒng)計

2.2 合閘涌流對重擊穿發(fā)生時間的影響

真空斷路器開斷電容器組操作過程中，因恢復電壓會持續(xù)施加于斷口兩端，這使弧后重擊穿現(xiàn)象不僅會發(fā)生于恢復電壓初始上升階段，甚至會發(fā)生于百毫秒以后。圖6給出真空斷路器重擊穿發(fā)生時間的分布規(guī)律，橫坐標“0”表示容性電流被開斷后恢復電壓剛開始施加于試品真空斷路器的瞬時時刻，T表示恢復電壓的一個周期，即20ms。此外復燃為恢復電壓1/4T內發(fā)生的擊穿，重擊穿為恢復電壓1/4T以后發(fā)生的擊穿。

圖6 真空斷路器重擊穿發(fā)生時間分布（T=20ms恢復電壓一個周期）

當高頻涌流幅值為0，試品真空斷路器重擊穿發(fā)生時間基本分布于5T=100ms以后，僅有約18%的重擊穿現(xiàn)象發(fā)生于1/2T=10ms到5T=100ms之間。此外還出現(xiàn)了1個復燃現(xiàn)象。

當高頻涌流幅值為2kA，從圖6中可以看出約79%的重擊穿發(fā)生時間分布于100ms以后，約19%的重擊穿時間分布于10～100ms之間。相比試驗系列A，無論發(fā)生于100ms以后的重擊穿，或者發(fā)生于10～100ms的重擊穿，其重擊穿數(shù)量顯著增加，這與重擊穿概率是相對應的。此外還有1個重擊穿發(fā)生于恢復電壓初始上升階段，即1/4T到1/2T之間（5～10ms）。

當高頻涌流幅值為5kA，重擊穿發(fā)生時間開始明顯提前，僅有約18%的重擊穿發(fā)生時間分布于100ms以后。另外有約27%的重擊穿發(fā)生時間分布于10～100ms間。重擊穿發(fā)生時間主要分布于恢復電壓初始上升階段5～10ms，其數(shù)量占有55%左右。此外復燃現(xiàn)象也開始頻繁出現(xiàn)。由此可知，隨合閘高頻涌流幅值的上升，重擊穿發(fā)生時間也將顯著提前。

2.3 觸頭表面分析

在試驗系列A中，涌流幅值為0，這相當于空載關合的情況，因此觸頭表面無電燒蝕痕跡，僅有合閘機械磨損痕跡。

在試驗系列B（涌流幅值為2kA）中，每個試品真空斷路器的其中一個觸頭表面上會出現(xiàn)一個金屬突起，并且在另一個觸頭表面上相對應的區(qū)域有一個凹陷的金屬坑，如圖7（a）所示。

這個現(xiàn)象說明試品真空斷路器在關合高頻涌流過程中，預擊穿電弧僅在表面特定的區(qū)域內局部性地燒蝕觸頭表面，而這些被電弧燒蝕的區(qū)域會升溫熔化，在動靜觸頭關合時會形成熔焊；同時在兩個觸頭再次打開時，熔焊區(qū)域被拉開后并發(fā)生破裂，一個觸頭表面出現(xiàn)了突起，另一個觸頭表面就留下了與之相對應的凹坑。

在試驗系列C中，高頻涌流幅值上升為5kA，可對比發(fā)現(xiàn)金屬突起在高度和寬度上要明顯大于在試驗系列B中的金屬突起；同時，與之對應的金屬凹坑在深度和面積上也要明顯大于在試驗系列B中的觸頭表面金屬凹坑，如圖7（b）所示。

圖7 真空斷路器觸頭表面圖

3 討論分析

真空斷路器關合電容器過程中，當施加于動靜觸頭之間電場強度高于絕緣耐壓強度時，合閘預擊穿現(xiàn)象就會發(fā)生，一個高頻涌流將通過真空斷路器。其預擊穿電弧會建立于動靜觸頭表面之上，并局部性燒蝕觸頭表面，燒蝕區(qū)域將驟然升溫并發(fā)生熔化，當動靜觸頭閉合時，觸頭表面熔融區(qū)將發(fā)生熔焊。

在緊接著的真空斷路器開斷背靠背電容器過程中，觸頭表面熔焊區(qū)域將被拉開并發(fā)生破裂，遭受破壞的觸頭表面會嚴重影響真空斷路器內部絕緣性能，同時真空斷路器觸頭表面狀況會隨著合閘高頻涌流施加次數(shù)的增加不斷發(fā)生惡化。

當合閘涌流幅值增加時，合閘預擊穿過程中預擊穿電弧能量也隨之上升，預擊穿開距較大。這意味著合閘預擊穿過程持續(xù)時間更長，直接注入觸頭表面的預擊穿電弧能量也越大。因此高幅值的合閘高頻涌流將給真空斷路器帶來更嚴重的熔焊，從而給觸頭表面帶來更大的破壞。

另外觸頭熔焊區(qū)域的破裂可能會產生一定的金屬微粒。由此，高幅值的合閘涌流作用下，觸頭表面會產生更大的破壞，這將直接影響觸頭間的絕緣耐壓能力，從而引發(fā)更多的重擊穿現(xiàn)象。

真空斷路器觸頭間的電場強度是由◆U/d來決定的，其中U為施加于真空斷路器觸頭兩端的電壓、d為觸頭開距以及為觸頭表面場致增強系數(shù)。場致增強系數(shù)是微觀場致增強系數(shù)和宏觀場致增強系數(shù)的乘積。

研究發(fā)現(xiàn)觸頭表面在合閘預擊穿過程中會受到高頻涌流的燒蝕破壞，產生金屬突起和凹坑，具體如圖7所示。這些宏觀的燒蝕破壞作用將直接增大觸頭表面宏觀場致增強系數(shù)βg，從而使得真空斷路器觸頭間電場強度增大。

研究發(fā)現(xiàn)不同幅值的合閘高頻涌流會影響真空斷路器開斷容性電流后的場致發(fā)射電流大小，并且高幅值的合閘涌流會使得場致發(fā)生電流增大。這與真空斷路器觸頭表面狀況是密切相關的，因為高幅值的合閘涌流會給觸頭表面帶來更嚴重的破壞，如更大尺度的金屬突起和凹坑。

此外，研究發(fā)現(xiàn)真空斷路器開斷容性電流后場致發(fā)射電流是不斷變化的，在一些較高的場致發(fā)射電流值后面可能會發(fā)生重擊穿現(xiàn)象，或者重擊穿現(xiàn)象會在場致發(fā)射電流不斷增加到某個數(shù)值后產生。這說明重擊穿的發(fā)生與場致發(fā)射電流有著一定聯(lián)系。

當合閘高頻涌流幅值為0時，觸頭表面沒有受到破壞影響，觸頭表面的場致發(fā)射電流值相對較低，重擊穿發(fā)生時間基本大于100ms，這些重擊穿現(xiàn)象可能主要由真空斷路器內部微粒引發(fā)。

當合閘高頻涌流幅值為2kA時，觸頭表面開始受到高頻涌流的破壞作用，場致發(fā)射電流還是增加，重擊穿數(shù)量也顯著增加，重擊穿開始發(fā)生于10ms與100ms之間。當合閘高頻涌流幅值增大到5kA時，觸頭表面受到更為嚴重的破壞，即產生更大尺度的金屬突起和凹坑，因此觸頭表面場致增強系數(shù)會相對明顯上升，從而會引發(fā)更大的場致發(fā)射電流，這使得重擊穿發(fā)生時間明顯提前，并且復燃現(xiàn)象也開始頻繁出現(xiàn)。

結論

本文基于真空斷路器投切電容器組合成試驗回路平臺，研究了高頻涌流幅值對真空斷路器投切電容器過程中預重擊穿特性的影響。

研究結果如下：合閘涌流會局部性熔焊破壞觸頭表面，影響真空滅弧室絕緣耐壓性能，隨涌流幅值提升，破壞程度會加劇；當涌流幅值從0上升到5kA，7.2kV等級重擊穿概率會從5%上升到30%；當涌流幅值從4kA上升到5kA，40.5kV等級重擊穿概率會從3%上升到20%；合閘涌流也會影響重擊穿發(fā)生時間，隨合閘涌流幅值上升，重擊穿發(fā)生時間顯著提前，復燃現(xiàn)象也將頻繁出現(xiàn)。