真空开关投切电容器组重燃问题的分析与对策
[摘要]通过归纳真空开关在投切电容器组时发生重燃现象的特点，从不同的角度分析投切电容器组时发生重燃的原因，提出了真空开关在投切电容器组时发生重燃的根本原因是分闸操作中的机械振动引起灭弧室内的微粒释放所造成的，并用微粒击穿理论对真空开关在投切电容器组试验过程中发生的各种现象进行了解释，最后提出了提高真空开关投切电容器组可靠性应采取的措施。对国产真空开关和真空灭弧室降低投切电容器组时的重燃率，早日达到用户的需要，有一定的指导意义。
1 问题的提出
在供电系统中，由于电能损耗等多种原因使供电电压不正常。为了维持电压与功率因数，减少功率损耗，常需要采用无功补偿的方法来维持电网的正常工作电压，保证供电质量。而在12kV-40.5kV的系统中，进行无功功率补偿最实用、最经济的方法就是安装余弦电容器组。
在电力系统中，对余弦电容器组进行控制最早采用的是少油断路器，然而少油断路器对频繁操作的投切电容器组来说并不能完全满足其使用要求。近年来真空断路器以其使用寿命长，可频繁开断、无油、少维护等优点，在电力系统中得到了广泛的应用，因此电力系统也希望用真空断路器来取代少油断路器投切电容器组。众所周知，真空开关在投切电容器组的过程中会产生各种复杂的操作过电压，如果真空断路器的性能不够完善，容易出现重燃，会产生高的过电压，给电力设备带来严重的危害，限制了真空断路器在这一方面的应用。而近年来随着真空开关在中压领域占领了绝对优势的市场份额，使这一需求显得更加突出和紧迫。根据绍兴试验站的资料显示，在10kV领域，国产真空开关近年来投切电容器组的重燃率一直在1%左右的水平。这样的数据还达不到用户的期望水平，与国外同类产品的试验统计数据也有一定的差距。因此如何提高真空断路器投切电容器组的能力，这是真空开关设备研制和生产单位不得不面临的一个课题。
真空灭弧室作为真空断路器的“心脏”，它对控制真空电弧完成导体和绝缘体之间的开关作用的转换起着极其重要的作用，对于能否成功投切电容器组也起着重要的作用。那么如何提高真空开关投切电容器组的能力，也是我们灭弧室生产厂家需要认真研究的问题。
2 真空开关投切电容器组时发生重燃现象的特点
真空开关在切合电容器组时引起重燃的原因究竟是什么?这需要从真空开关在切合电容器组时出现的重燃现象的特点来进行分析。我们发现，在真空开关切合电容器组时，发生的重燃现象主要表现出以下特点：
2.1 重燃现象的出现有很大的偶然性和随机性;
多次观察到的重燃现象表明，无论是重燃发生的时间，还是开断次数、开断电流的大小、重燃发生在哪一相，都毫无规律性，无法预测重燃会在哪次开断时发生、发生在哪一相，在电弧熄灭后什么时间发生。重燃的发生表现出很大的偶然性和随机性，只具有一定的概率性，这就给人们研究真空开关在切合电容器组时的重燃现象增加了难度。
2.2 重燃现象往往出现在电流开断后40~100多ms之间;
真空开关在切合电容器组时，从电压波形图上可以看出，电压的重击穿现象与一般的短路电流开断过程中的重燃现象出现的时间有很大的不同，短路电流开断过程中的重燃现象一般出现在电弧熄灭后几毫秒，最多也不会超过一个周波，而在切合电容器组时的重燃现象往往出现在电弧熄灭后40~100多毫秒之间，有时甚至时间更长。因此可以断定，真空开关在切合电容器组时的重燃与其在短路电流开断过程中的重燃在机理上是不同的。
3 从传统的影响真空灭弧室性能的方面来分析原因
既然真空开关在切合电容器组时发生的重燃现象有以上特点，那么我们尝试从传统的可能影响真空灭弧室性能的几个方面来分析其原因：
3.1 真空度
众所周知，真空灭弧室将真空作为绝缘介质，使其具有灭弧能力强，介质强度恢复速度快，绝缘强度高的优点，因此保持真空灭弧室内必要的真空度就很重要。
当真空灭弧室内真空度太低时，在开断过程中会出现电弧不能熄灭或重燃的现象。但真空度低所造成的重燃应该是连续的，且有近似的重复性，而在真空开关切合电容器组时发生的重燃是非连续性的，具有偶然性;而且用于进行切合电容器的真空灭弧室即使在试验前对其真空度进行测量，甚至用特意制造并挑选过的真空度较高的灭弧室进行试验，仍然出现了重燃现象，在试验后对出现过重燃现象的灭弧室进行真空度检测，发现真空度良好。因此由于真空度低的原因造成开关重燃的观点显然是不能成立的。
3.2 灭弧室的结构设计
如果灭弧室的结构设计不够合理，使灭弧室内部的电场分布不够均匀或者对电弧的控制能力不够，使得灭弧室的灭弧性能较差，将会造成在开断过程中电弧不能熄灭或不能承受瞬态恢复电压，使开断失败。但是这种原因所致的开断失败主要表现在极限短路电流的开断试验中，这时短路电流一般达几十千安，开断失败的特征是电弧只有短时熄灭，又迅速重燃，同时伴随有巨大的能量放出，甚至可以将开关或灭弧室烧毁。
用于切合电容器的真空开关或真空灭弧室型号一般都经过了包括短路电流开断的型式试验的验证，证明其具有额定短路电流的开断能力，而在切合电容器组时的开断电流往往不超过几百安培，真空灭弧室开断这个等级的电流不存在任何困难，因此灭弧室的结构设计与开关在切合电容器组时发生的重燃现象没有直接的因果关系。
3.3 触头材料
在其他条件不变的情况下，真空灭弧室的触头材料对击穿电压有很大的影响。早期生产的灭弧室使用的触头材料多为铜铋铈、铜铋铝等，这些材料由于含有低熔点的金属(铋)，其击穿电压比较低，容易出现电压击穿。但自从使用综合性能比较优良的铜铬材料后，产品的耐压能力得到了提高，使灭弧室可以在更小的开距下开断更大的电流。我们现在的断路器用灭弧室的触头材料都是铜铬材料，可以保证灭弧室具有良好的耐压性能。而且由于触头材料的原因导致的击穿将会在电弧熄灭后几毫秒内表现出来，这也与开关在切合电容器组时的重燃特征不同。由此可见，触头材料的性能或选择并不是造成国产灭弧室重燃率高的根本原因。
4 从投切电容器组的过程来分析发生重燃的原因
我们再从投切电容器组的过程来分析发生重燃的原因：电容器组在投切前已经被充电，自身具有一定的电压，开关接到分闸指令后断开，电弧熄灭，外部线路为随着时间而不断变化极性的交流电压，因此开关断开后将受反向的电压，使开关断口最大需要承受2倍的正常线路电压，这是比一般的开断过程要严酷的地方;而且切合电容器组时的电流一般较小，不超过数百安培，电流开断过程本身并不存在困难，因此切合电容器组时发生重燃主要是电压击穿的过程。
电压击穿主要有两种方式：场致发射和微粒击穿。我们都知道，在真空中场致发射导致的击穿时间非常短，一般不超过几毫秒，这与在切合电容器组时观察到的延时几十毫秒才击穿的现象不符，因此可以排除由于场致发射导致重燃的可能。那么由于微粒击穿而导致重燃的可能性又怎么样呢?我们都知道，真空灭弧室在制造过程中要保证灭弧室内部的真空度，必须保证灭弧室内的清洁，但不可避免灭弧室内部总会有各种微粒，电极表面总会粘附有一些小质点，零件总会有一些毛刺，灭弧室在装配过程中总会带进一些油污、汗渍、棉纱纤维，这些微粒在电场的作用下会附着电荷，并可能在开关的动作过程中被释放而产生运动，具有一定的动能，如果电场足够强，微粒的直径和质量又合适，在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身蒸发变成蒸汽扩散，使局部的粒子密度迅速变大，这些粒子又与场致发射的电子产生碰撞游离，最终导致间隙的放电击穿。
活动性微粒的存在与管子的真空度、管子的结构、触头材料的性能是没有直接关系的，它的掉落具有偶然性，引起放电的时间也是短暂的。因此可以确定，真空开关在投切电容器组时的重燃现象是分闸操作中的机械振动引起灭弧室内的微粒释放所造成的击穿所致，重燃概率的高低仅与管内存在微粒的多少有关，且随着系统电压的增加，投切电容器组时发生重燃的可能性会明显增加。灭弧室投切电容器组的性能与其短路开断性能之间没有直接的关系，其性能与灭弧室的设计参数、零件表面光洁度、灭弧室的清洁度及其制造工艺密切相关。
5 用微粒击穿理论对真空开关在投切电容器组试验过程中各种现象的解释
按照微粒击穿理论，真空开关在投切电容器组的试验过程中发生的许多现象都可以得到很好的解释，也可以分析出对试验结果产生影响的因素有哪些：
(1)从大量的试验统计资料来看，不同生产厂家生产的真空灭弧室发生重燃的概率不同，有时甚至有较大的差距，这是由于真空开关的重燃率与真空灭弧室的生产厂家或工艺有一定的关系，不同的生产厂家其生产工艺过程存在一定的差异，在生产过程中的工艺控制也有所不同，因此也造成带进灭弧室内的微粒数量有较大的差异，这必然对试验的统计结果产生明显的影响。
(2)在试验中也曾经发现这样的现象，用同批的灭弧室装配在断路器上进行切电容试验，结果其中的一台反复发生重燃击穿，甚至将在别的断路器上已经通过试验的灭弧室调换过来也不行，最后发现装配时灭弧室的导电杆不很正，经调整装配使导电杆对正后，最终顺利通过了试验。因此断路器的装配质量对重燃率的大小有很大的影响。当导电杆装配的不正时，开关在合闸过程中，必然造成能量的集中释放，使触头发生剧烈的弹跳，这时灭弧室内原来粘附的微粒就会变成运动性的，在分闸过程中就容易引发重燃;而且导电杆装配不正时，必然造成触头与屏蔽筒的距离发生变化，有可能造成局部高压电场的畸变，因此而导致灭弧室击穿。
(3)在大量的试验中也发现断路器的分合闸速度对试验结果有影响，因为分闸速度太大将会产生较大的分闸弹振，合闸速度太大将会产生较大的合闸弹跳，这些操作都将会使灭弧室内的微粒由粘附性的变成运动性的，将导致在试验过程中的重击穿发生。
(4)在试验中发现重击穿概率随着投切次数的增加而减少，在投切初始的几次，出现重击穿的概率较大，随着投切次数的增加重击穿的概率明显减少。这是管子内部可活动性的杂质微粒被烧掉，微粒数目逐步减少之缘故。
(5)广东省电力试验研究所为了寻找真空断路器投切电容器组时发生重燃甚至电容器组发生爆炸的原因，把5组不同批号的普通型或高洁净度型的真空灭弧室作为样品，按先后次序安装于同一组真空断路器上进行投切同一组电容器组试验，并每次更换灭弧室后均保证真空断路器机械特性参数前后一致，结果证明真空灭弧室内部洁净度是影响真空断路器投切电容器组重击穿率的重要因素，结果如表1所示。(试验所用的真空灭弧室为BD401)
广东电力运行部门根据试验验证提供的技术依据，为防止电容器组爆炸等类似事故发生，把原普通型的真空灭弧室全部更换为高洁净度的真空灭弧室，更换后运行多年，无事故发生。这也为微粒击穿理论提供了有力的实践支持。
6 减少重燃率应采取的措施和对策
既然我们已经基本确定了重燃的机理，并分析清楚了影响重燃的因素，那么我们就可以有针对性的采取措施来提高真空开关投切电容器组时的可靠性，减少发生重燃的几率：
(1)完善和控制灭弧室生产过程，从零部件制造和生产工艺方面减少管内微粒的数量。
1)在金属零件的加工过程中，尽量避免和祛除干净零件的毛刺;提高零件表面质量，保证零件的表面光洁度。
2)在整管装配前坚持对部件进行有效的超声波清洗，可以取得明显的效果;不断改进清洗工艺，使灭弧室内的微粒通过清洗尽量祛除干净。
3)在生产过程中，保持良好的真空卫生和工作习惯，有效控制操作间内的空气湿度和空气中悬浮微粒的数量。
4)科学组织生产，使灭弧室的部件或触头加工出来后尽量减少存放时间，及时装配进炉，减少零部件氧化、污染的几率。
5)对用于投切电容器组的真空灭弧室适当提高电压进行工频电压老炼，并进行雷电冲击耐压老炼，可以减少灭弧室内的击穿弱点，提高其电压耐受能力，增加投切电容器组时的可靠性。
6)对灭弧室进行小电流老炼，可以利用电弧的高温祛除电极表面的一薄层材料，烧掉电极表面的毛刺，并使电极表面的气体、氧化物和杂质同时除去，起到清洁电极表面的作用，对灭弧室的电气性能有一定的提高。因此灭弧室在出厂前应进行适当的电流老练。
7)对灭弧室进行并联电容老炼，可以迅速明显提高产品的耐压能力。
(2) 提高断路器的设计质量和装配质量，控制其机械运动特性参数在合理的范围内。
1) 断路器的设计应该合理，能够保证灭弧室动导电杆安装对正垂直，并易于对其进行调整。
2) 断路器的装配质量应该得到可靠的测量和良好的控制，操动机构的合闸输出功与分闸输出功比较合适，其分、合闸速度应该调整在合理的范围内，使分闸弹振和合闸弹跳尽可能小。
3) 有时候虽然断路器已经定型，操动机构的输出功率也一定，其它装配状态良好，但偶然也会出现分闸弹振或合闸弹跳大，无法调下来的情况，这时可能与缓冲系统的油压或油的黏度有关，也可能与断路器框架的整体形位公差的控制失控有关。因此对断路器的零件或配件的质量控制就显得非常重要，必须将断路器各项参数都调整到理想状态才可以投入使用或进行试验。
(3) 真空开关在装配完成后进行一定次数的空载操作，可以稳定开关的机械参数;并对开关整体进行适当的电压和电流老练，可以减少灭弧室内新产生的毛刺，降低真空断路器投切电容器组的重燃率。
参考文献：
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编辑：admin 最后修改时间：2017-09-05
