真空開關開斷電容器組重燃原因的分析情況

1、真空開關開斷電容器組重燃原因的分析悄況摘 要 為揭示真空開關開斷容性負載時出現(xiàn)重燃的原因，分析了從觸頭開斷電容 器組時觸頭表面的變化情況，到真空開關開斷容性電流后的特殊性，其h的在于為解 決真空開關容性開斷重燃的問題提供依據(jù)。關鍵詞真空開關電容器組重燃刖 s早期使用的真空斷路器山于性能不完善，在投切電容器組過程屮,山于涌流和多 次垂燃的出現(xiàn)產(chǎn)生了高的過電壓，給電力設備帶來嚴重的危害。有些真空斷路器在 投切電容器組時,重燃率竟高達11%,限制了真空斷路器在這方面的應用。要對真 空斷路器全面考核就需大量的試驗研究，而在電容器組上進行直接試驗或?qū)膳_電 容器組進行背對背電容器組切合試驗所需費用較高。

2、鑒于此，容性開斷很久以來就 是一大難題，如何提高真空斷路器投切電容器的能力己是真空開關設備研制的重要 課題。本文通過對不同時間重燃現(xiàn)象產(chǎn)生原因的分析，為解決或減小重燃發(fā)生提供依 據(jù)。2開斷后兒毫秒內(nèi)重燃原因分析一般而言'開斷后5ms內(nèi)擊穿為復燃;510ms內(nèi)擊穿稱為重擊穿，在10ms 以上有的稱z為非自持性放電。在此統(tǒng)稱為重燃。在5ms內(nèi)重燃主要是真空電弧 開斷后的介質(zhì)恢復強度與恢復電壓對比，介質(zhì)恢復強度一個是恢復時間，另外是響 應的上升幅值。在燃弧過程中電弧加熱觸頭，使其向真空間隙蒸發(fā)，這些金屬蒸氣不 斷向間隙外擴散,并在觸頭表面不是很熱的情況下有一部分重新凝結(jié)在觸頭表面 ±

3、;o同時在恢復電壓作用下電極會有一定量電了的發(fā)射,但這種發(fā)射不一定能導致 間隙擊穿。使間隙擊穿的條件是發(fā)射電流達到一定值或間隙中有能使電子增生的物 質(zhì)存在。真空電弧熄滅后間隙冇金屬蒸氣存在由于金屬蒸氣電離電位低,故很易 被電離。介質(zhì)強度的恢復過程是非常復雜的過程廠要精確分析介質(zhì)恢復過程應從如下方面綜合分析:（1）電弧對電極的非均勻加熱。（2）準確的電極加熱和散熱過程。（3）電極表面的熱狀態(tài)和電子發(fā)射。（4）金屬蒸氣擴散的非自由和非平衡。（5）電子 使金屬蒸氣原子電離的實際過程，相對接近實際的方法為試驗法。燃弧時間對介質(zhì)恢復過程也有影響在同一電流下,燃弧時間越長則需要的恢復 時間也越長。由于電極

4、熱傳導的作用，如果電流越小且燃弧時間大于一定值時，再 增加燃弧時間對恢復時間無明顯影響。圖la、bl比較cucr和cubi在相同短燃弧時間下的介質(zhì)恢復強度,從圖中 可見,cucr比cubi觸頭材料的同樣恢復強度下恢復時間短。圖2為cucr和c ubi兩種觸頭材料短燃弧時間的介質(zhì)恢復強度。從圖中可見燃弧時間長相對介質(zhì)恢 復強度較低，且cucr比cubi材料介質(zhì)恢復強度高。100-<)0-吋何"xi or（名）時間（b ）圖1介質(zhì)恢復強度試驗結(jié)果（a）平均燃弧時間為700|jscucr觸頭間耐電壓情況（b）平均燃弧時間為700|jscubi觸頭間耐電壓情況1004<4出卻圖2

5、短燃弧時間的cucr和cubi兩種材料擊穿電壓對比此外，電弧熄滅斤真空間隙承受止極或負極性電壓（相對電弧電壓的極性）的能 力是不同的。對于低熔點金屬隔、鋁和銅，負極性擊穿電壓比正極性擊穿電壓高約 10%20%。實際上，在真空電弧燃弧期間陰極斑點使陰極表面變得粗糙，而陽極 則出于加熱比較均勻（特別對較低熔點的觸頭材料）而顯得光滑。這樣，正極性電壓 對應著粗糙的陰級表面的電場增強系數(shù)由于陰極表面光滑而較小，故擊穿電壓有較 大的捉高。3開斷后lonns以上重燃原因開斷后的介質(zhì)恢復時間較短，一般小于1ms。開斷后10ms以上出現(xiàn)重燃的 情況與觸頭表面的冷卻過程有關，這種變化是觸頭熱過程和冷過程對觸頭表

6、面的破 壞。文獻2對ag-wc觸頭材料試驗屮獲得開斷后0ms、30ms、60ms時的觸 頭表面變化情況，從拍攝圖中可見，觸頭表面微粒在開斷后60ms被觀察到,這可能 就是電容器組開斷后幾十毫秒以上發(fā)生重燃的原因。分閘速度對大電流開斷后的觸頭表面變化的影響很嚴重，因為在觸頭分離的小 開距時電弧比較集中，這將損壞屯極表面在電極表面的熔橋?qū)⒚黠@上升，這一熔橋 將他頭間連接起來,然后被汽化形成真空電弧。研究熔橋直徑與分閘速度的關系是 十分重要的。對ag-wc觸頭材料進行分析3,開斷電流為40ka（方均根植），直流 分量為50%,開斷電流峰值為84kaz試驗結(jié)果見圖3所示，熔橋直徑隨開斷速度的增加而減小

7、,熔橋?qū)﹄娀〖潭鹊挠绊戄^大。開斷速度較快時，電弧擴散較快。501.01cu0.0. 5ho5.010圖3分閘速度與溶橋育徑的關系曲線4老練工藝的意義首先明確電壓老練和電流老練的區(qū)別。電壓老練是真空器件的普遍工藝，極間 加電壓后使極間和絕緣外殼表面產(chǎn)生閃絡，茯至擊穿。此時若電壓不再升高，閃絡 消失，以后每升高一次,上述過程就重復一次，直到穩(wěn)定。高壓老練目的在于消除滅 弧室內(nèi)部和外部的毛刺、金屬和非金屬微粒及各種污穢物等。電流老練工藝專為真 空滅弧室設定，電流老練用持續(xù)的擴散型電弧,在電極表面不斷運動，以盡可能徹底 地淸除電極表面的毛刺、金屬氧化物、金屬和非金屬微粒等冇害物質(zhì)，并通過燃弧 屮產(chǎn)

8、牛的電極材料的吸氣作用,使滅弧室內(nèi)部保持良好的真空度。老練后的滅弧室解剖觀察,除了表面光滑和雜質(zhì)（主要是fe,si等）減少外，還發(fā) 現(xiàn)電弧作用過的陰極表面層材料的晶格結(jié)構(gòu)有明顯的變化,距表面lopnn以內(nèi)材 料晶粒細化，對深層材料和只經(jīng)過高壓火花老練過的電極表層晶相觀察，其晶格直徑 約為幾微米，而經(jīng)過電流老練過的陰極表面層晶粒也徑在lpm以下。細化晶粒構(gòu) 造的形成町能與電弧引起的局部熔化及快速冷卻有關。金屬凝固原理指出，液態(tài)合 金的冷凝過程冷卻速度越人，晶核產(chǎn)牛得越多，晶粒的粗化受到限制因而晶粒越細。 這種均勻化的細結(jié)構(gòu)對于減少材料的成分不均勻(偏析)，減少電極表面凸點結(jié)構(gòu)，減 少微料團脫落是

9、有利的,這些都對減少重燃起了重要作用。文獻4在用12kv真空開關操作并聯(lián)電容器組的試驗屮也得到類似的結(jié)論。 在多次開斷205a負載之后發(fā)現(xiàn)觸頭表血形成了細化的cucr晶粒結(jié)構(gòu)層,使開斷 后的重燃率下降廠其研究結(jié)果表明適當?shù)碾娏鏖_斷對重燃是有效的。作者單位：東北電力科學研究院110006參考文獻1 mietek glinkowakkizet al.capacitance switching with vacuumcircuit bre akersa comparative evaluation ieee trans.onpd,1991,6(3):10 882 janko,et al.a statistics vacuum circuit breaker model for simulation o f transient overvoltages.ieee trans.on pd,1995,10(1):2943 osmokrovic p influnce of switching operations on the cuum interrupter dielecric strength.ieee trans.on pd,8(1):1751814 kamikawa