真空開關(guān)投切電容器組重燃問題的分析與對(duì)策
[摘要]通過歸納真空開關(guān)在投切電容器組時(shí)發(fā)生重燃現(xiàn)象的特點(diǎn)，從不同的角度分析投切電容器組時(shí)發(fā)生重燃的原因，提出了真空開關(guān)在投切電容器組時(shí)發(fā)生重燃的根本原因是分閘操作中的機(jī)械振動(dòng)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(duì)真空開關(guān)在投切電容器組試驗(yàn)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(duì)國(guó)產(chǎn)真空開關(guān)和真空滅弧室降低投切電容器組時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(zhǎng)，可頻繁開斷、無油、少維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，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(huì)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(huì)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(duì)優(yōu)勢(shì)的市場(chǎng)份額，使這一需求顯得更加突出和緊迫。根據(jù)紹興試驗(yàn)站的資料顯示，在10kV領(lǐng)域，國(guó)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(guó)外同類產(chǎn)品的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(gè)課題。
真空滅弧室作為真空斷路器的“心臟”，它對(duì)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(duì)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(shí)發(fā)生重燃現(xiàn)象的特點(diǎn)
真空開關(guān)在切合電容器組時(shí)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(shí)出現(xiàn)的重燃現(xiàn)象的特點(diǎn)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(shí)，發(fā)生的重燃現(xiàn)象主要表現(xiàn)出以下特點(diǎn)：
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(shí)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(cè)重燃會(huì)在哪次開斷時(shí)發(fā)生、發(fā)生在哪一相，在電弧熄滅后什么時(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)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(huì)超過一個(gè)周波，而在切合電容器組時(shí)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(shí)甚至?xí)r間更長(zhǎng)。因此可以斷定，真空開關(guān)在切合電容器組時(shí)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(shí)發(fā)生的重燃現(xiàn)象有以上特點(diǎn)，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(gè)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(diǎn)，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(shí)，在開斷過程中會(huì)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(shí)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(yàn)前對(duì)其真空度進(jìn)行測(cè)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(yàn)，仍然出現(xiàn)了重燃現(xiàn)象，在試驗(yàn)后對(duì)出現(xiàn)過重燃現(xiàn)象的滅弧室進(jìn)行真空度檢測(cè)，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(diǎn)顯然是不能成立的。
3.2 滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如果滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，使滅弧室內(nèi)部的電場(chǎng)分布不夠均勻或者對(duì)電弧的控制能力不夠，使得滅弧室的滅弧性能較差，將會(huì)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(yàn)中，這時(shí)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(shí)熄滅，又迅速重燃，同時(shí)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(hào)一般都經(jīng)過了包括短路電流開斷的型式試驗(yàn)的驗(yàn)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(shí)的開斷電流往往不超過幾百安培，真空滅弧室開斷這個(gè)等級(jí)的電流不存在任何困難，因此滅弧室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開關(guān)在切合電容器組時(shí)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(duì)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(diǎn)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⿲?huì)在電弧熄滅后幾毫秒內(nèi)表現(xiàn)出來，這也與開關(guān)在切合電容器組時(shí)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(guó)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?cè)購耐肚须娙萜鹘M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(shí)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(shí)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(shí)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(chǎng)致發(fā)射和微粒擊穿。我們都知道，在真空中場(chǎng)致發(fā)射導(dǎo)致的擊穿時(shí)間非常短，一般不超過幾毫秒，這與在切合電容器組時(shí)觀察到的延時(shí)幾十毫秒才擊穿的現(xiàn)象不符，因此可以排除由于場(chǎng)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(huì)有各種微粒，電極表面總會(huì)粘附有一些小質(zhì)點(diǎn)，零件總會(huì)有一些毛刺，滅弧室在裝配過程中總會(huì)帶進(jìn)一些油污、汗?jié)n、棉紗纖維，這些微粒在電場(chǎng)的作用下會(huì)附著電荷，并可能在開關(guān)的動(dòng)作過程中被釋放而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，具有一定的動(dòng)能，如果電場(chǎng)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(shí)已經(jīng)具有很大的動(dòng)能，在與另一電極碰撞時(shí)，動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(shí)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(shí)的重燃現(xiàn)象是分閘操作中的機(jī)械振動(dòng)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(shí)發(fā)生重燃的可能性會(huì)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(jì)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(duì)真空開關(guān)在投切電容器組試驗(yàn)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(yàn)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響的因素有哪些：
(1)從大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)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(shí)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(duì)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。
(2)在試驗(yàn)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(yàn)，結(jié)果其中的一臺(tái)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(yàn)的滅弧室調(diào)換過來也不行，最后發(fā)現(xiàn)裝配時(shí)滅弧室的導(dǎo)電桿不很正，經(jīng)調(diào)整裝配使導(dǎo)電桿對(duì)正后，最終順利通過了試驗(yàn)。因此斷路器的裝配質(zhì)量對(duì)重燃率的大小有很大的影響。當(dāng)導(dǎo)電桿裝配的不正時(shí)，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(shí)滅弧室內(nèi)原來粘附的微粒就會(huì)變成運(yùn)動(dòng)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(shí)，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(chǎng)的畸變，因此而導(dǎo)致滅弧室擊穿。
(3)在大量的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)斷路器的分合閘速度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有影響，因?yàn)榉珠l速度太大將會(huì)產(chǎn)生較大的分閘彈振，合閘速度太大將會(huì)產(chǎn)生較大的合閘彈跳，這些操作都將會(huì)使滅弧室內(nèi)的微粒由粘附性的變成運(yùn)動(dòng)性的，將導(dǎo)致在試驗(yàn)過程中的重?fù)舸┌l(fā)生。
(4)在試驗(yàn)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(dòng)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(yàn)研究所為了尋找真空斷路器投切電容器組時(shí)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(hào)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(yàn)，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(yàn)所用的真空滅弧室為BD401)
廣東電力運(yùn)行部門根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)踐支持。
6 減少重燃率應(yīng)采取的措施和對(duì)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(duì)性的采取措施來提高真空開關(guān)投切電容器組時(shí)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(jiān)持對(duì)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(shí)間，及時(shí)裝配進(jìn)爐，減少零部件氧化、污染的幾率。
5)對(duì)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(diǎn)，提高其電壓耐受能力，增加投切電容器組時(shí)的可靠性。
6)對(duì)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(shí)除去，起到清潔電極表面的作用，對(duì)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(duì)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(jì)質(zhì)量和裝配質(zhì)量，控制其機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)在合理的范圍內(nèi)。
1) 斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)該合理，能夠保證滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿安裝對(duì)正垂直，并易于對(duì)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(cè)量和良好的控制，操動(dòng)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(shí)候雖然斷路器已經(jīng)定型，操動(dòng)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(huì)出現(xiàn)分閘彈振或合閘彈跳大，無法調(diào)下來的情況，這時(shí)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(duì)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(xiàng)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(yàn)。
(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(duì)開關(guān)整體進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏骼暇殻梢詼p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(shí)間：2017-09-05
