真空開關(guān)投切電容器組重燃問題的分析與對策
[摘要]通過歸納真空開關(guān)在投切電容器組時發(fā)生重燃現(xiàn)象的特點，從不同的角度分析投切電容器組時發(fā)生重燃的原因，提出了真空開關(guān)在投切電容器組時發(fā)生重燃的根本原因是分閘操作中的機(jī)械振動引起滅弧室內(nèi)的微粒釋放所造成的，并用微粒擊穿理論對真空開關(guān)在投切電容器組試驗過程中發(fā)生的各種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋，最后提出了提高真空開關(guān)投切電容器組可靠性應(yīng)采取的措施。對國產(chǎn)真空開關(guān)和真空滅弧室降低投切電容器組時的重燃率，早日達(dá)到用戶的需要，有一定的指導(dǎo)意義。
1 問題的提出
在供電系統(tǒng)中，由于電能損耗等多種原因使供電電壓不正常。為了維持電壓與功率因數(shù)，減少功率損耗，常需要采用無功補(bǔ)償?shù)姆椒▉砭S持電網(wǎng)的正常工作電壓，保證供電質(zhì)量。而在12kV-40.5kV的系統(tǒng)中，進(jìn)行無功功率補(bǔ)償最實用、最經(jīng)濟(jì)的方法就是安裝余弦電容器組。
在電力系統(tǒng)中，對余弦電容器組進(jìn)行控制最早采用的是少油斷路器，然而少油斷路器對頻繁操作的投切電容器組來說并不能完全滿足其使用要求。近年來真空斷路器以其使用壽命長，可頻繁開斷、無油、少維護(hù)等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此電力系統(tǒng)也希望用真空斷路器來取代少油斷路器投切電容器組。眾所周知，真空開關(guān)在投切電容器組的過程中會產(chǎn)生各種復(fù)雜的操作過電壓，如果真空斷路器的性能不夠完善，容易出現(xiàn)重燃，會產(chǎn)生高的過電壓，給電力設(shè)備帶來嚴(yán)重的危害，限制了真空斷路器在這一方面的應(yīng)用。而近年來隨著真空開關(guān)在中壓領(lǐng)域占領(lǐng)了絕對優(yōu)勢的市場份額，使這一需求顯得更加突出和緊迫。根據(jù)紹興試驗站的資料顯示，在10kV領(lǐng)域，國產(chǎn)真空開關(guān)近年來投切電容器組的重燃率一直在1%左右的水平。這樣的數(shù)據(jù)還達(dá)不到用戶的期望水平，與國外同類產(chǎn)品的試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)也有一定的差距。因此如何提高真空斷路器投切電容器組的能力，這是真空開關(guān)設(shè)備研制和生產(chǎn)單位不得不面臨的一個課題。
真空滅弧室作為真空斷路器的“心臟”，它對控制真空電弧完成導(dǎo)體和絕緣體之間的開關(guān)作用的轉(zhuǎn)換起著極其重要的作用，對于能否成功投切電容器組也起著重要的作用。那么如何提高真空開關(guān)投切電容器組的能力，也是我們滅弧室生產(chǎn)廠家需要認(rèn)真研究的問題。
2 真空開關(guān)投切電容器組時發(fā)生重燃現(xiàn)象的特點
真空開關(guān)在切合電容器組時引起重燃的原因究竟是什么?這需要從真空開關(guān)在切合電容器組時出現(xiàn)的重燃現(xiàn)象的特點來進(jìn)行分析。我們發(fā)現(xiàn)，在真空開關(guān)切合電容器組時，發(fā)生的重燃現(xiàn)象主要表現(xiàn)出以下特點：
2.1 重燃現(xiàn)象的出現(xiàn)有很大的偶然性和隨機(jī)性;
多次觀察到的重燃現(xiàn)象表明，無論是重燃發(fā)生的時間，還是開斷次數(shù)、開斷電流的大小、重燃發(fā)生在哪一相，都毫無規(guī)律性，無法預(yù)測重燃會在哪次開斷時發(fā)生、發(fā)生在哪一相，在電弧熄滅后什么時間發(fā)生。重燃的發(fā)生表現(xiàn)出很大的偶然性和隨機(jī)性，只具有一定的概率性，這就給人們研究真空開關(guān)在切合電容器組時的重燃現(xiàn)象增加了難度。
2.2 重燃現(xiàn)象往往出現(xiàn)在電流開斷后40~100多ms之間;
真空開關(guān)在切合電容器組時，從電壓波形圖上可以看出，電壓的重?fù)舸┈F(xiàn)象與一般的短路電流開斷過程中的重燃現(xiàn)象出現(xiàn)的時間有很大的不同，短路電流開斷過程中的重燃現(xiàn)象一般出現(xiàn)在電弧熄滅后幾毫秒，最多也不會超過一個周波，而在切合電容器組時的重燃現(xiàn)象往往出現(xiàn)在電弧熄滅后40~100多毫秒之間，有時甚至?xí)r間更長。因此可以斷定，真空開關(guān)在切合電容器組時的重燃與其在短路電流開斷過程中的重燃在機(jī)理上是不同的。
3 從傳統(tǒng)的影響真空滅弧室性能的方面來分析原因
既然真空開關(guān)在切合電容器組時發(fā)生的重燃現(xiàn)象有以上特點，那么我們嘗試從傳統(tǒng)的可能影響真空滅弧室性能的幾個方面來分析其原因：
3.1 真空度
眾所周知，真空滅弧室將真空作為絕緣介質(zhì)，使其具有滅弧能力強(qiáng)，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度快，絕緣強(qiáng)度高的優(yōu)點，因此保持真空滅弧室內(nèi)必要的真空度就很重要。
當(dāng)真空滅弧室內(nèi)真空度太低時，在開斷過程中會出現(xiàn)電弧不能熄滅或重燃的現(xiàn)象。但真空度低所造成的重燃應(yīng)該是連續(xù)的，且有近似的重復(fù)性，而在真空開關(guān)切合電容器組時發(fā)生的重燃是非連續(xù)性的，具有偶然性;而且用于進(jìn)行切合電容器的真空滅弧室即使在試驗前對其真空度進(jìn)行測量，甚至用特意制造并挑選過的真空度較高的滅弧室進(jìn)行試驗，仍然出現(xiàn)了重燃現(xiàn)象，在試驗后對出現(xiàn)過重燃現(xiàn)象的滅弧室進(jìn)行真空度檢測，發(fā)現(xiàn)真空度良好。因此由于真空度低的原因造成開關(guān)重燃的觀點顯然是不能成立的。
3.2 滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計
如果滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，使滅弧室內(nèi)部的電場分布不夠均勻或者對電弧的控制能力不夠，使得滅弧室的滅弧性能較差，將會造成在開斷過程中電弧不能熄滅或不能承受瞬態(tài)恢復(fù)電壓，使開斷失敗。但是這種原因所致的開斷失敗主要表現(xiàn)在極限短路電流的開斷試驗中，這時短路電流一般達(dá)幾十千安，開斷失敗的特征是電弧只有短時熄滅，又迅速重燃，同時伴隨有巨大的能量放出，甚至可以將開關(guān)或滅弧室燒毀。
用于切合電容器的真空開關(guān)或真空滅弧室型號一般都經(jīng)過了包括短路電流開斷的型式試驗的驗證，證明其具有額定短路電流的開斷能力，而在切合電容器組時的開斷電流往往不超過幾百安培，真空滅弧室開斷這個等級的電流不存在任何困難，因此滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計與開關(guān)在切合電容器組時發(fā)生的重燃現(xiàn)象沒有直接的因果關(guān)系。
3.3 觸頭材料
在其他條件不變的情況下，真空滅弧室的觸頭材料對擊穿電壓有很大的影響。早期生產(chǎn)的滅弧室使用的觸頭材料多為銅鉍鈰、銅鉍鋁等，這些材料由于含有低熔點的金屬(鉍)，其擊穿電壓比較低，容易出現(xiàn)電壓擊穿。但自從使用綜合性能比較優(yōu)良的銅鉻材料后，產(chǎn)品的耐壓能力得到了提高，使滅弧室可以在更小的開距下開斷更大的電流。我們現(xiàn)在的斷路器用滅弧室的觸頭材料都是銅鉻材料，可以保證滅弧室具有良好的耐壓性能。而且由于觸頭材料的原因?qū)е碌膿舸⿲陔娀∠绾髱缀撩雰?nèi)表現(xiàn)出來，這也與開關(guān)在切合電容器組時的重燃特征不同。由此可見，觸頭材料的性能或選擇并不是造成國產(chǎn)滅弧室重燃率高的根本原因。
4 從投切電容器組的過程來分析發(fā)生重燃的原因
我們再從投切電容器組的過程來分析發(fā)生重燃的原因：電容器組在投切前已經(jīng)被充電，自身具有一定的電壓，開關(guān)接到分閘指令后斷開，電弧熄滅，外部線路為隨著時間而不斷變化極性的交流電壓，因此開關(guān)斷開后將受反向的電壓，使開關(guān)斷口最大需要承受2倍的正常線路電壓，這是比一般的開斷過程要嚴(yán)酷的地方;而且切合電容器組時的電流一般較小，不超過數(shù)百安培，電流開斷過程本身并不存在困難，因此切合電容器組時發(fā)生重燃主要是電壓擊穿的過程。
電壓擊穿主要有兩種方式：場致發(fā)射和微粒擊穿。我們都知道，在真空中場致發(fā)射導(dǎo)致的擊穿時間非常短，一般不超過幾毫秒，這與在切合電容器組時觀察到的延時幾十毫秒才擊穿的現(xiàn)象不符，因此可以排除由于場致發(fā)射導(dǎo)致重燃的可能。那么由于微粒擊穿而導(dǎo)致重燃的可能性又怎么樣呢?我們都知道，真空滅弧室在制造過程中要保證滅弧室內(nèi)部的真空度，必須保證滅弧室內(nèi)的清潔，但不可避免滅弧室內(nèi)部總會有各種微粒，電極表面總會粘附有一些小質(zhì)點，零件總會有一些毛刺，滅弧室在裝配過程中總會帶進(jìn)一些油污、汗?jié)n、棉紗纖維，這些微粒在電場的作用下會附著電荷，并可能在開關(guān)的動作過程中被釋放而產(chǎn)生運(yùn)動，具有一定的動能，如果電場足夠強(qiáng)，微粒的直徑和質(zhì)量又合適，在穿過間隙到達(dá)另一電極時已經(jīng)具有很大的動能，在與另一電極碰撞時，動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮，使微粒本身蒸發(fā)變成蒸汽擴(kuò)散，使局部的粒子密度迅速變大，這些粒子又與場致發(fā)射的電子產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的放電擊穿。
活動性微粒的存在與管子的真空度、管子的結(jié)構(gòu)、觸頭材料的性能是沒有直接關(guān)系的，它的掉落具有偶然性，引起放電的時間也是短暫的。因此可以確定，真空開關(guān)在投切電容器組時的重燃現(xiàn)象是分閘操作中的機(jī)械振動引起滅弧室內(nèi)的微粒釋放所造成的擊穿所致，重燃概率的高低僅與管內(nèi)存在微粒的多少有關(guān)，且隨著系統(tǒng)電壓的增加，投切電容器組時發(fā)生重燃的可能性會明顯增加。滅弧室投切電容器組的性能與其短路開斷性能之間沒有直接的關(guān)系，其性能與滅弧室的設(shè)計參數(shù)、零件表面光潔度、滅弧室的清潔度及其制造工藝密切相關(guān)。
5 用微粒擊穿理論對真空開關(guān)在投切電容器組試驗過程中各種現(xiàn)象的解釋
按照微粒擊穿理論，真空開關(guān)在投切電容器組的試驗過程中發(fā)生的許多現(xiàn)象都可以得到很好的解釋，也可以分析出對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響的因素有哪些：
(1)從大量的試驗統(tǒng)計資料來看，不同生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的真空滅弧室發(fā)生重燃的概率不同，有時甚至有較大的差距，這是由于真空開關(guān)的重燃率與真空滅弧室的生產(chǎn)廠家或工藝有一定的關(guān)系，不同的生產(chǎn)廠家其生產(chǎn)工藝過程存在一定的差異，在生產(chǎn)過程中的工藝控制也有所不同，因此也造成帶進(jìn)滅弧室內(nèi)的微粒數(shù)量有較大的差異，這必然對試驗的統(tǒng)計結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。
(2)在試驗中也曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，用同批的滅弧室裝配在斷路器上進(jìn)行切電容試驗，結(jié)果其中的一臺反復(fù)發(fā)生重燃擊穿，甚至將在別的斷路器上已經(jīng)通過試驗的滅弧室調(diào)換過來也不行，最后發(fā)現(xiàn)裝配時滅弧室的導(dǎo)電桿不很正，經(jīng)調(diào)整裝配使導(dǎo)電桿對正后，最終順利通過了試驗。因此斷路器的裝配質(zhì)量對重燃率的大小有很大的影響。當(dāng)導(dǎo)電桿裝配的不正時，開關(guān)在合閘過程中，必然造成能量的集中釋放，使觸頭發(fā)生劇烈的彈跳，這時滅弧室內(nèi)原來粘附的微粒就會變成運(yùn)動性的，在分閘過程中就容易引發(fā)重燃;而且導(dǎo)電桿裝配不正時，必然造成觸頭與屏蔽筒的距離發(fā)生變化，有可能造成局部高壓電場的畸變，因此而導(dǎo)致滅弧室擊穿。
(3)在大量的試驗中也發(fā)現(xiàn)斷路器的分合閘速度對試驗結(jié)果有影響，因為分閘速度太大將會產(chǎn)生較大的分閘彈振，合閘速度太大將會產(chǎn)生較大的合閘彈跳，這些操作都將會使滅弧室內(nèi)的微粒由粘附性的變成運(yùn)動性的，將導(dǎo)致在試驗過程中的重?fù)舸┌l(fā)生。
(4)在試驗中發(fā)現(xiàn)重?fù)舸└怕孰S著投切次數(shù)的增加而減少，在投切初始的幾次，出現(xiàn)重?fù)舸┑母怕瘦^大，隨著投切次數(shù)的增加重?fù)舸┑母怕拭黠@減少。這是管子內(nèi)部可活動性的雜質(zhì)微粒被燒掉，微粒數(shù)目逐步減少之緣故。
(5)廣東省電力試驗研究所為了尋找真空斷路器投切電容器組時發(fā)生重燃甚至電容器組發(fā)生爆炸的原因，把5組不同批號的普通型或高潔凈度型的真空滅弧室作為樣品，按先后次序安裝于同一組真空斷路器上進(jìn)行投切同一組電容器組試驗，并每次更換滅弧室后均保證真空斷路器機(jī)械特性參數(shù)前后一致，結(jié)果證明真空滅弧室內(nèi)部潔凈度是影響真空斷路器投切電容器組重?fù)舸┞实闹匾蛩，結(jié)果如表1所示。(試驗所用的真空滅弧室為BD401)
廣東電力運(yùn)行部門根據(jù)試驗驗證提供的技術(shù)依據(jù)，為防止電容器組爆炸等類似事故發(fā)生，把原普通型的真空滅弧室全部更換為高潔凈度的真空滅弧室，更換后運(yùn)行多年，無事故發(fā)生。這也為微粒擊穿理論提供了有力的實踐支持。
6 減少重燃率應(yīng)采取的措施和對策
既然我們已經(jīng)基本確定了重燃的機(jī)理，并分析清楚了影響重燃的因素，那么我們就可以有針對性的采取措施來提高真空開關(guān)投切電容器組時的可靠性，減少發(fā)生重燃的幾率：
(1)完善和控制滅弧室生產(chǎn)過程，從零部件制造和生產(chǎn)工藝方面減少管內(nèi)微粒的數(shù)量。
1)在金屬零件的加工過程中，盡量避免和祛除干凈零件的毛刺;提高零件表面質(zhì)量，保證零件的表面光潔度。
2)在整管裝配前堅持對部件進(jìn)行有效的超聲波清洗，可以取得明顯的效果;不斷改進(jìn)清洗工藝，使滅弧室內(nèi)的微粒通過清洗盡量祛除干凈。
3)在生產(chǎn)過程中，保持良好的真空衛(wèi)生和工作習(xí)慣，有效控制操作間內(nèi)的空氣濕度和空氣中懸浮微粒的數(shù)量。
4)科學(xué)組織生產(chǎn)，使滅弧室的部件或觸頭加工出來后盡量減少存放時間，及時裝配進(jìn)爐，減少零部件氧化、污染的幾率。
5)對用于投切電容器組的真空滅弧室適當(dāng)提高電壓進(jìn)行工頻電壓老煉，并進(jìn)行雷電沖擊耐壓老煉，可以減少滅弧室內(nèi)的擊穿弱點，提高其電壓耐受能力，增加投切電容器組時的可靠性。
6)對滅弧室進(jìn)行小電流老煉，可以利用電弧的高溫祛除電極表面的一薄層材料，燒掉電極表面的毛刺，并使電極表面的氣體、氧化物和雜質(zhì)同時除去，起到清潔電極表面的作用，對滅弧室的電氣性能有一定的提高。因此滅弧室在出廠前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾娏骼暇殹?/p>
7)對滅弧室進(jìn)行并聯(lián)電容老煉，可以迅速明顯提高產(chǎn)品的耐壓能力。
(2) 提高斷路器的設(shè)計質(zhì)量和裝配質(zhì)量，控制其機(jī)械運(yùn)動特性參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。
1) 斷路器的設(shè)計應(yīng)該合理，能夠保證滅弧室動導(dǎo)電桿安裝對正垂直，并易于對其進(jìn)行調(diào)整。
2) 斷路器的裝配質(zhì)量應(yīng)該得到可靠的測量和良好的控制，操動機(jī)構(gòu)的合閘輸出功與分閘輸出功比較合適，其分、合閘速度應(yīng)該調(diào)整在合理的范圍內(nèi)，使分閘彈振和合閘彈跳盡可能小。
3) 有時候雖然斷路器已經(jīng)定型，操動機(jī)構(gòu)的輸出功率也一定，其它裝配狀態(tài)良好，但偶然也會出現(xiàn)分閘彈振或合閘彈跳大，無法調(diào)下來的情況，這時可能與緩沖系統(tǒng)的油壓或油的黏度有關(guān)，也可能與斷路器框架的整體形位公差的控制失控有關(guān)。因此對斷路器的零件或配件的質(zhì)量控制就顯得非常重要，必須將斷路器各項參數(shù)都調(diào)整到理想狀態(tài)才可以投入使用或進(jìn)行試驗。
(3) 真空開關(guān)在裝配完成后進(jìn)行一定次數(shù)的空載操作，可以穩(wěn)定開關(guān)的機(jī)械參數(shù);并對開關(guān)整體進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏骼暇，可以減少滅弧室內(nèi)新產(chǎn)生的毛刺，降低真空斷路器投切電容器組的重燃率。
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編輯：admin 最后修改時間：2017-09-05
