电容器组真空断路器电弧重燃过电压分析与检测
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【摘 要】 根据真空断路器投切电容器组产生涌流和多次重燃的现象，分析了电弧重燃的因素、降低重燃率的方法和对策，并提出了一种离线检测电容器组投切试验的系统。
【关键词】 电容器组 投切 电弧重燃 分析与检测
真空断路器具有体积小、灭弧性能好、寿命长、维护量小、使用安全等优点，在中压系统及配电电网中应用日益广泛。特别是由于其适合频繁操作的特点，在并联电容器补偿装置中基本采用真空断路器来投切电容器组。
开断电容器组等容性负载时，由于电容器存在残余充电电荷，在断路器断口会出现含直流分量的较高恢复过电压。真空断路器投切电容器组的大量试验研究表明，真空断路器存在弧后延时重击穿并能高频熄弧的特殊现象，即重燃现象。一旦发生重燃，会产生高幅值的重燃过电压，特别是多次重燃或多相重燃，其过电压严重威胁并补装置和系统安全。因此对于投切电容器组的真空断路器要求无重燃或低重燃率，国家相应制定有GB7675-87《交流高压断路器的开合电容器组试验》标准，专门用于考核投切电容器组的断路器性能（必须不发生重燃）。早期使用的真空断路器由于性能不完善，在投切电容器组过程中，由于涌流和多次重燃的出现，产生了高的过电压，给电力设备带来严重的危害。
1 电弧重燃原因分析
1.1 开断后几毫秒内重燃原因分析
一般而言，开断后5ms内击穿为复燃；5～10ms内击穿称为重击穿，在10ms以上有的称之为非自持性放电，在此统称为重燃。在5ms内重燃主要是真空电弧开断后的介质恢复强度与恢复电压对比，介质恢复强度一个是恢复时间，另外是响应的上升幅值。在燃弧过程中电弧加热触头，使其向真空间隙蒸发，这些金属蒸气不断向间隙外扩散，并在触头表面不是很热的情况下有一部分重新凝结在触头表面上。同时在恢复电压作用下电极会有一定量电子的发射，但这种发射不一定能导致间隙击穿。使间隙击穿的条件是发射电流达到一定值或间隙中有能使电子增生的物质存在。真空电弧熄灭后间隙有金属蒸气存在，由于金属蒸气 电离电位低，故很易被电离。介质强度的恢复过程是非常复杂的过程，要精确分析介质恢复过 程应从如下方面综合分析：（1）电弧对电极的非均匀加热。（2）准确的电极加热和散热过程。（3）电极表面的热状态和电子发射。（4）金属蒸气扩散的非自由和非平衡。（5）电子使金属蒸气 原子电离的实际过程，相对接近实际的方法为试验法。
燃弧时间对介质恢复过程也有影响，在同一电流下，燃弧时间越长则需要的恢复时间也越长。由于电极热传导的作用，如果电流越小且燃弧时间大于一定值时，再增加燃弧时间对恢复时间无明显影响。此外，电弧熄灭后真空间隙承受正极或负极性电压（相对电弧电压的极性）的能力是不同的。对于低熔点金属隔、铝和铜，负极性击穿电压比正极性击穿电压高约10%～20%。实际上，在真空电 弧燃弧期间阴极斑点使阴极表面变得粗糙，而阳极则由于加热比较均匀（特别对较低熔点的触头材料）而显得光滑。这样，正极性电压对应着粗糙的阴级表面，电场增强系数由于阴极表面光滑而较小，故击穿电压有较大的提高。
1.2 开断后10ms以上重燃原因分析
开断后的介质恢复时间较短，一般小于1ms。开断后10ms以上出现重燃的情况与触头表面的冷却过程有关，这种变化是触头热过程和冷过程对触头表面的破坏。对Ag-WC触头材料试验中获得开断后0ms、30ms、60ms时的触头表面变化情况，从拍摄图中可见，触头表面微粒在开断后60ms被观察到，这可能就是电容器组开断后几十毫秒以上发生重燃的原因。
分闸速度对大电流开断后的触头表面变化的影响很严重，因为在触头分离的小开距时电弧比较集中，这将损坏电极表面，在电极表面的熔桥将明显上升，这一熔桥将触头间连接起来，然后被汽化形成真空电弧。研究熔桥直径与分闸速度的关系是十分重要的。对Ag-WC触头材料进行分析，开断电流为40kA（方均根植），直流分量为50%，开断电流峰值为84kA，熔桥直径随开断速度的增加而减小，熔桥对电弧集中程度的影响较大。开断速度较快时，电弧扩散较快。
2 减少电弧重燃措施分析
2.1 改善断路器机械特
虽然真空断路器比其他种类断路器具有较好的开断容性负载的能力，但由于真空间隙耐压强度不稳定及直流耐压水平较低，而开断容性负载时恢复电压较开断其他负载高且存在较大直流分量，因此真空断路器应用于投切电容器组时在运行早期表现为存在一定的重燃几率。其重燃率同触头材料、触头表面的光洁度及清洁度、断路器机械特性等诸多因素相关，分散性很大。真空断路器主要由真空灭弧室和操动机构两大部分组成，每一部分性能的优劣都会影响到断路器整机的性能。根据系统试验站长期来对真空断路器投切电容器组抗重燃率考核试验及研究，认为真空断路器投切电容器组性能首先取决于真空灭弧室的制造质量，其次同所配断路器的机械特性也密切相关。因此要提高真空断路器投切电容器组性能必须从提高真空灭弧室制造质量及改善所配断路器机械特性两方面入手。
2.2 老练工艺处理
首先明确电压老练和电流老练的区别。电压老练是真空器件的普遍工艺，极间加电压后使极间和绝缘外壳表面产生闪络，甚至击穿。此时若电压不再升高，闪络消失，以后每升高一次，上述过程就重复一次，直到稳定。高压老练目的在于消除灭弧室内部和外部的毛刺、金属和非金属微粒及各种污秽物等。电流老练工艺专为真空灭弧室设定，电流老练用持续的扩散型电弧，在电极表面不断运动，以尽可能彻底地清除电极表面的毛刺、金属氧化物、金属和非金属微粒等有害物质，并通过燃弧中产生的电极材料的吸气作用，使灭弧室内部保持良好的真空度。
老练后的灭弧室解剖观察，除了表面光滑和杂质（主要是Fe，Si等）减少外，还发现电弧作用过的阴极表面层材料的晶格结构有明显的变化，距表面10μm以内材料晶粒细化，对深层材料和只经过高压火花老练过的电极表层晶相观察，其晶格直径约为几微米，而经过电流老练过的阴极表面层晶粒直径在1μm以下。细化晶粒构造的形成可能与电弧引起的局部熔化及快速冷却有关。金属凝固原理指出，液态合金的冷凝过程冷却速度越大，晶核产生得越多，晶粒的粗化受到限制因而晶粒越细。这种均匀化的细结构对于减少材料的成分不均匀（偏析），减少电极表面凸点结构，减少微料团脱落是有利的，这些都对减少重燃起了重要作用。
3 型式试验状况分析
七十年代未就开始从事用于切合电容器组的真空断路器试验研究，于90年开始从事断路器投切电容器组型式质检试验。表1是近年来10kV真空断路器开合电容器组型式试验一次性通过的情况，可以看出一次性通过率比较低，原因在于某些制造厂技术力量不够，对真空断路器切合电容器组的特殊性认识不足，选用的真空灭弧室质量不佳或机构调整不良所致。（如表1）
可以看出，一次性通过率并不高，由于这一客观现实的存在，所以各开关用户在设备投运时，往往在现场做投切试验。按试验规程要求新投电容器组真空断路器连续进行10次投切试验。
笔者通过现场试验发现，检测该项目使用为8通道示波器，主要由试验人员跟踪全过程，这样有可能造成数据的丢失，不能有效的进行分析。因此，与运行人员、试验人员反复探讨提出一种智能检测系统。
4 检测系统结构
建立在以上理论基础上的电容器组真空断路器电弧重燃离线检测系统由主机（PC104）、采集板、液晶显示屏、鼠标键盘接口、打印机接口、USB接口等组成。采集板以CPU、CPLD、A/D、电压传感器、电流传感器等组成。主要是以断路器分合动作时刻对电压电流录波来实现的。录波参数有UA、UB、UC、U0、IA、IB、IC等电分量，这些被检测电分量保证在同一时间坐标轴上显示，试验人员可有效的分析电弧的幅值和波形，观察开关是否有重燃现象。
4.1 总体设计思路及设计重点
检测系统各信号及连接如图1所示，三相电压和中性点电位由阻容并联分压器获得，三相电流由安装于主回路电流互感器次级获得。系统控制断路器分合闸并兼作主回路各电压电流的录波启动信号。（如图1）
4.2 信号的抽取初步考虑
对于电容器电压波形的监测，现场运行人员发表了大量的文章探讨，其中不少是关于信号测量点选取。我们通过现场的实地考察，决定在电容器母线上安装一个分压器来提取电压信号。如图2所示，分压器外壳采用合成绝缘子，分压电容、电阻、隔离变等分立元件组成，采用环氧环脂浇注固定在绝缘子内。上面为固定端，主要与母排固定，固定方法为：将分压器由开口处挂在母排上，并拧紧上端固定螺钉，下端为一次接地端，检测时与变电所系统大地可靠接触。输出信号用航空插座与检测系统相连，为装置提供电压信号。因为以往的现场检测曾有近6倍左右相电压额定值的过电压发生，所以分压器的设计考虑在最高36000伏的作用电压下，±5V的AD转换器模块能记录下电压变化全过程。估计高于50000伏的最高峰值可能会削掉一点，但那是极少有的情况，我们按绝大多数3-4倍过电压测量准确清晰为设计依据。这样记录的全过程对分析诊断有无重燃及事故的全过程可提供足够的信息和数据。（如图2）
5 结语
本文在现场实地考察，与运行人员反复探讨的基础上，分析了电弧重燃的因素、降低重燃率的方法和对策，提出了一种实用性强、适应性广的检测系统。目前，该系统已经完成实验室测试，已进入现场应用阶段。