真空斷路器投切電容器組的探討

1、真空斷路器投切電容器組的探討 電力系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償對于提高電網(wǎng)電力系統(tǒng)的無功功率補(bǔ)償對于提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低供、配電的線路損耗，具功率因數(shù)，降低供、配電的線路損耗，具有不可缺少的重要意義有不可缺少的重要意義 改善功率因素的幾種方法：改善功率因素的幾種方法： 發(fā)電機(jī)發(fā)無功發(fā)電機(jī)發(fā)無功 安裝同步補(bǔ)償機(jī)安裝同步補(bǔ)償機(jī) 安裝電容器組安裝電容器組一一 電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償 真空斷路器用于投切電容器組的優(yōu)勢真空斷路器用于投切電容器組的優(yōu)勢真空斷路器具有上萬次的機(jī)械動(dòng)作壽命；真空斷路器具有上萬次的機(jī)械動(dòng)作壽命；真空斷路器運(yùn)行過程中真空滅弧室觸頭無真空斷路器運(yùn)行過程中真空滅弧室觸頭無 需維

2、護(hù)；需維護(hù)；受環(huán)境影響小且對環(huán)境無任何污染；受環(huán)境影響小且對環(huán)境無任何污染；真空滅弧室內(nèi)部小開距能耐受高電壓。真空滅弧室內(nèi)部小開距能耐受高電壓。 二 真空斷路器投切電容器組的問題 投切電容器常見的投切電容器常見的3個(gè)問題個(gè)問題 1 合閘涌流合閘涌流 2 重燃重燃 3 非自持破壞性放電非自持破壞性放電 (NSDD) 1 合閘涌流 電容器組投入時(shí)的主要問題是涌流。涌流的頻率較高，可達(dá)幾百到幾千赫茲，幅值比電容器正常工作電流大幾倍至幾十倍，衰減很快且持續(xù)時(shí)間很短，小于20ms。涌流過大可能造成斷路器觸頭融焊、燒損，涌流產(chǎn)生的電動(dòng)力可能會(huì)使零件損壞。合閘涌流對NSDD有一定的影響。 1-1）單組電容器

3、投入時(shí)的涌流 下左圖是單組電容器的接線圖，G為電源，T為變壓器，電容器組C經(jīng)過斷路器CB3接在母線上。右圖是計(jì)算涌流的等值電路圖，LS為電源電感。mmmscccsPXIIIPXscocsPXfffPX(a)接線圖 (b)等值電路圖單組電容器接線圖XS為電源每相的短路感抗。 XC為電容器組每相的容抗 1-2）背靠背電容器組投入時(shí)的涌流）背靠背電容器組投入時(shí)的涌流 下左圖是n組電容器的接線圖，G為電源，T為變壓器，電容器組C經(jīng)過斷路器CB接在母線上。右圖是等效圖，LS電源電感，L電容組安裝電感。(a)接線圖 (b)等值電路圖 背靠背電容器組接線圖 1mmcUnInL C122oofLC涌流的峰值：

4、 涌流的頻率： 由于L遠(yuǎn)比單組電容器投入時(shí)的小，因此背靠背電容器組投入時(shí)的涌流比單組時(shí)大了很多，涌流的頻率也很高。 試驗(yàn)電壓KV電容電流A涌流最大涌流值KA涌流頻率KH12100（背）6.14.1400（背）12.22630(單)5.10.324160(單)2.61.7400(單)3.30.7540.5160(單)3.71.6630(單)4.33合閘涌流表2 開斷三相電容器組的恢復(fù)電壓開斷三相電容器組的恢復(fù)電壓 2-1三相電容器組(中性點(diǎn)接地)開斷時(shí)恢復(fù)電壓 (a)三相電容器組中性點(diǎn)接地接線 (b)開斷單相電容器組電路 開斷三相電容器組（中性點(diǎn)接地）圖中電源按正弦變化，C為電容器，L為斷路器C

5、B負(fù)載電感(連線電感或串聯(lián)電感)。 下圖是開斷單相電容性電路時(shí)的典型波形圖。 (a)開斷過程中電流、電壓的波形(b)斷路器恢復(fù)電壓波形 開斷三相電容器組(中性點(diǎn)接地) 恢復(fù)電壓波形圖 弧隙擊穿時(shí)刻電容器電流、電壓波形 2-2 三相電容器組(中性點(diǎn)不接地)開斷時(shí)恢復(fù)電壓 開斷三相電容器組（中性點(diǎn)不接地） 開斷三相電容器組(中性點(diǎn)不接地) 恢復(fù)電壓波形圖 斷路器各相觸頭的恢復(fù)電壓最大值UtrmA相：恢復(fù)電壓最大值UtrmA=2.5UmC相：恢復(fù)電壓最大值UtrmC=-1.87UmB相：恢復(fù)電壓最大值UtrmB=1.87Um3 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)及原因分析真空開關(guān)投切電容器組時(shí)

6、發(fā)生重燃現(xiàn)象的特點(diǎn)及原因分析 3-1 特點(diǎn)特點(diǎn) 1）重燃現(xiàn)象的出現(xiàn)有很大的偶然性和隨機(jī)性）重燃現(xiàn)象的出現(xiàn)有很大的偶然性和隨機(jī)性; 2）重燃現(xiàn)象往往出現(xiàn)在電流開斷后）重燃現(xiàn)象往往出現(xiàn)在電流開斷后40100多多ms之間之間 3-2重燃原因分析重燃原因分析 3-2-1真空開關(guān)滅弧后的電壓耐受能力真空開關(guān)滅弧后的電壓耐受能力 12KV -24.3KV(19.5) 24KV -48.6KV(39) 40.5KV -82.5KV(66) 1）真空滅弧室的電壓耐受能力）真空滅弧室的電壓耐受能力 2）真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)的適時(shí)性）真空開關(guān)分閘運(yùn)動(dòng)的適時(shí)性 3-2-2微粒擊穿微粒擊穿 由于制造的原因，在真空滅弧室內(nèi)

7、有各種微粒由于制造的原因，在真空滅弧室內(nèi)有各種微粒 ，如果電場足夠強(qiáng)，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(shí)已經(jīng)具有很大微粒的直徑和質(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)闊崮埽刮⒘１旧碚舭l(fā)變的動(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，這些粒子又與場致發(fā)射的成蒸汽擴(kuò)散，使局部的粒子密度迅速變大，這些粒子又與場致發(fā)射的電子電子產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的放電擊穿。產(chǎn)生碰撞游離，最終導(dǎo)致間隙的放電擊穿。 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)生從大量

8、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，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(yàn)的因此也造成帶進(jìn)滅弧室內(nèi)的微粒數(shù)量有較大的差異，這必然對試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響。 2)在大量的試

9、驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)斷路器的分合閘速度對試驗(yàn)結(jié)果有影響，在大量的試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)斷路器的分合閘速度對試驗(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)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。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。 3)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)舫跏?/p>

10、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，穿的概率明顯減少。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。微粒數(shù)目逐步減少之緣故。 4 ) 某電力試驗(yàn)研究所為了尋找真空斷路器投切電容器組時(shí)發(fā)生某電力試驗(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

11、弧室后均斷路器上進(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)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?。部潔凈度是影響真空斷路器投切電容器組重?fù)舸┞实闹匾蛩亍?4-2-3合閘涌流合閘涌流關(guān)合涌流所產(chǎn)生的預(yù)擊穿電弧能量的大小直接影響著關(guān)合涌流所產(chǎn)生的預(yù)擊穿電弧能量的大小直接影響著NSDD的的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。其原因是在關(guān)合電容器組尤其是背靠背電容器組時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻率，高其原因是在關(guān)合電容器組尤其是背靠背電容器組時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻率，高幅值的涌流，觸頭間的預(yù)擊穿電弧能量十分高，足以熔

12、化觸頭表面的幅值的涌流，觸頭間的預(yù)擊穿電弧能量十分高，足以熔化觸頭表面的部分材料。觸頭在閉合時(shí)就會(huì)發(fā)生熔焊，等到涌流過后熔焊區(qū)就會(huì)冷部分材料。觸頭在閉合時(shí)就會(huì)發(fā)生熔焊，等到涌流過后熔焊區(qū)就會(huì)冷卻，當(dāng)開斷電容器組，觸頭熔焊區(qū)就會(huì)破裂，從而高卻，當(dāng)開斷電容器組，觸頭熔焊區(qū)就會(huì)破裂，從而高的區(qū)域就會(huì)形成，的區(qū)域就會(huì)形成，這些區(qū)域就成了強(qiáng)電子發(fā)射點(diǎn)。由上述分析可得開斷電容器后，出現(xiàn)這些區(qū)域就成了強(qiáng)電子發(fā)射點(diǎn)。由上述分析可得開斷電容器后，出現(xiàn)的的NSDD現(xiàn)象主要由的主要原因可能是微放電或者微粒的作用。電子現(xiàn)象主要由的主要原因可能是微放電或者微粒的作用。電子發(fā)射造成的。發(fā)射造成的。3 NSDD非自持破壞性

13、放電非自持破壞性放電真空斷路器開斷電容器組后，觸頭兩端會(huì)承受一個(gè)恢復(fù)電壓的作用。在開斷電流過零后的幾十毫秒甚至于到數(shù)秒以后，觸頭間隙仍可能發(fā)生重?fù)舸┮灾码娏€路產(chǎn)生過電壓，這種延時(shí)重?fù)舸┚头Q為非自持破壞性放電現(xiàn)象，簡稱NSDD。導(dǎo)致觸頭間隙發(fā)生延時(shí)重?fù)舸┑闹饕蚩赡苁俏⒎烹娀蛘呶⒘５淖饔谩Ｔ贘uhsasz等人在開斷電容器組實(shí)驗(yàn)中觀察到真空斷路器觸頭間隙存在0.18mA 的發(fā)射電流。而且他們得出重?fù)舸┌l(fā)生的概率與關(guān)合電容器組產(chǎn)生的預(yù)擊穿電弧能量有很密切的關(guān)系。關(guān)合涌流所產(chǎn)生的預(yù)擊穿電弧能量的大小直接影響著NSDD現(xiàn)象。其原因是在關(guān)合電容器組尤其是背靠背電容器組時(shí)會(huì)產(chǎn)生高頻率，高幅值的涌流，觸頭

14、間的預(yù)擊穿電弧能量十分高，足以熔化觸頭表面的部分材料。觸頭在閉合時(shí)就會(huì)發(fā)生熔焊，等到涌流過后熔焊區(qū)就會(huì)冷卻，當(dāng)開斷電容器組，觸頭熔焊區(qū)就會(huì)破裂，從而高的區(qū)域就會(huì)形成，這些區(qū)域就成了強(qiáng)電子發(fā)射點(diǎn)。開斷電容器后，出現(xiàn)的NSDD現(xiàn)象主要是由電子發(fā)射造成的。三 提高真空斷路器投切電容器組的成功率 1 提高真空滅弧室的耐壓能力 真空滅弧室作為真空斷路器的“心臟”，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，是我們滅弧室生產(chǎn)廠家需要認(rèn)真研究的問題。 R觸頭（平面、凹凸、球面及球形）與其它觸頭比具有滅弧室動(dòng)、靜電極間電場分布均勻，耐電壓能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。2 控制滅弧室生產(chǎn)過

15、程 2-1)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;高零件表面質(zhì)量，保證零件的表面光潔度。 2-2)在整管裝配前堅(jiān)持對部件進(jìn)行有效的超聲波超聲波清洗，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。 2-3)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。 2-4)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。3 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)。 3-1) 斷路器的設(shè)計(jì)應(yīng)該合理，能夠保證滅弧室動(dòng)導(dǎo)電桿安裝對正垂直

16、，并易于對其進(jìn)行調(diào)整。 3-2) 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(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。 3-3) 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，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(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)。 3-4) 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。 3-5)真空開關(guān)在裝配完成后

17、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。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。 4 雙動(dòng)式真空斷路器 真空斷路器切電容時(shí)的真空斷口的電壓 真空斷路器開斷后到斷口承受2Um電壓的時(shí)間為13ms，斷口必須在此之前能達(dá)到安全的開距。 因此，對真空斷路器的分 閘速度有一個(gè)要求。 12kv 1.013=1310 24kv 1.113=14.3 12 40.5kv 1.413=18.2 20 雙動(dòng)式真空斷路器的原理如右圖示。常規(guī)的真空斷路器的分閘曲線如右下圖所示。由于動(dòng)觸頭在分閘的起

18、始時(shí)在靜止?fàn)顟B(tài)，在曲線的剛分階段1-3ms觸頭才運(yùn)動(dòng)了0.5mm，影響速度。雙動(dòng)式真空斷路器在動(dòng)、靜觸頭分離前，在釋放觸頭壓簧的作用下動(dòng)觸頭已獲得速度。因此分閘曲線的起始比較陡。雙動(dòng)式真空斷路器有以下優(yōu)點(diǎn)：4-1 提高了初分速度，容易保證在分閘后13ms內(nèi)斷口間的耐壓達(dá)到要求。試驗(yàn)證明沒有10ms內(nèi)的重燃。4-2 合閘彈跳小，40.5kV真空斷路器的彈跳很容易滿足2ms的要求。5 選相式真空斷路器在前面分析投切電容器組最大的問題是合閘涌流合分閘重燃。這兩個(gè)問題可分別通過真空斷路器選相投入和分閘切斷來解決。開關(guān)的合閘時(shí)間選在電壓過零點(diǎn)，此時(shí)可使合閘涌流不超過額定電流的1.5倍。開關(guān)的合閘時(shí)間選在

19、電流過零前大于5ms的地方。確保開關(guān)在斷口電壓到達(dá)最大值時(shí)，滅弧室的開距有足夠的具離。我公司在40.5kv合12kv兩個(gè)等級分別做了選相式投切電容器組的試驗(yàn)，有很好的效果。右圖是61095真空滅弧室在投切電容器組后的解剖照片。選相式真空斷路器投切電容中合閘涌流不附合目前標(biāo)準(zhǔn)。6 雙斷口真空斷路器真空斷口可以多斷口串聯(lián)使用，有研究提出了多斷口真空開關(guān)擊穿電壓增益的概念，理論推導(dǎo)得到了多斷口真空開關(guān)相對于單斷口真空開關(guān)的擊穿電壓增益倍數(shù)：)1 (glesinnUUKnn00.20.40.60.8112345單斷口雙斷口 下圖是真空雙斷口的靜態(tài)擊穿統(tǒng)計(jì)分布曲線 F 采用雙（多）斷口技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn) 1）靜態(tài)耐壓提高： 2）重?fù)舸└怕实玫胶艽蟾纳疲?3）開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的操作功不增加； 4）有利于真空滅弧室的小型化 雙（多）斷口技術(shù)要求斷口的機(jī)械特性一致性較高。 雙（多）斷口技術(shù)對真空斷路器應(yīng)用于高壓領(lǐng)域有較好的前景。 7 切電容真空斷路器的老煉切電容真空斷路器的老煉 真空滅弧室只造工藝中常用的高壓小電流、低壓大電真空滅弧室只造工