蔡重凱，李電，洪金琪，陳曉宇，金百榮

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江紹興312000）

真空斷路器開合電容電流老煉試驗(yàn)

蔡重凱，李電，洪金琪，陳曉宇，金百榮

（國網(wǎng)浙江省電力公司紹興供電公司，浙江紹興312000）

根據(jù)多年來開展真空斷路器老煉試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，提出了老煉試驗(yàn)的一般方法和要求。根據(jù)對近5年來開展老煉試驗(yàn)的情況統(tǒng)計(jì)和分析，指出真空斷路器及滅弧室總體性能沒有質(zhì)的提升，現(xiàn)階段應(yīng)嚴(yán)格按照國家電網(wǎng)公司要求，必須在投運(yùn)前對真空斷路器進(jìn)行高壓大電流老煉試驗(yàn)。

真空斷路器；開合電容電流；老煉試驗(yàn)；重燃；合成試驗(yàn)

0 引言

在7.2～40.5 kV系統(tǒng)中大量使用的真空斷路器開合電容器組，如果其真空滅弧室內(nèi)有未被金屬屏蔽罩復(fù)合的帶電粒子、有金屬蒸汽殘余進(jìn)入觸頭之間，或觸頭表面存在加工殘留的金屬微粒、微觀突出物、附著物等，當(dāng)真空斷路器開斷電容器組時(shí)，若首開相斷口兩端達(dá)到2.5倍相電壓，這些微粒在強(qiáng)電場作用下將迅速向?qū)Ψ诫姌O運(yùn)動，轟擊電極表面而引起金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生電荷遷移，引起觸頭間絕緣擊穿。GB 1984-2003《高壓交流斷路器》規(guī)定，開斷電流熄弧后10 ms內(nèi)為重?fù)舸?0 ms以上為NSDD（非持續(xù)擊穿放電）[1-5]。

重?fù)舸┗騈SDD（以下對重?fù)舸┖蚇SDD不加區(qū)分，統(tǒng)稱重燃），特別是發(fā)生多相同時(shí)擊穿或多次擊穿，將在電容器等設(shè)備上產(chǎn)生很高的過電壓，實(shí)測對地過電壓可達(dá)5倍以上，電容器極間過電壓達(dá)2~3倍，對并聯(lián)補(bǔ)償裝置和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成很大的威脅[6-8]。

研究表明，重燃主要出現(xiàn)在真空斷路器滅弧室工作初期，一般在滅弧后幾十至幾百毫秒內(nèi)發(fā)生，并隨著操作次數(shù)的增加而急劇減少，最后穩(wěn)定在基本無擊穿工況。根據(jù)大量的實(shí)踐和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，12 kV和40.5 kV真空斷路器的早期重燃率一般約為1.0%和4.0%，通過老煉試驗(yàn)，能夠消除真空斷路器的早期重燃，有效降低真空斷路器實(shí)際運(yùn)行期間的重燃率[9，10]。

2012年，國家電網(wǎng)公司頒布的十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反措（修訂版）中規(guī)定，用于開合電容器組的真空斷路器投運(yùn)前必須進(jìn)行高壓大電流老煉試驗(yàn)。為方便制造廠、試驗(yàn)單位及用戶執(zhí)行，保障系統(tǒng)和設(shè)備安全，國網(wǎng)紹興供電公司系統(tǒng)試驗(yàn)站（以下簡稱試驗(yàn)站）承擔(dān)了老煉試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，對多年試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)進(jìn)行總結(jié)提煉，明確了試驗(yàn)的一般方法和要求[11]。

1 真空滅弧室的老煉機(jī)理

所謂老煉，就是通過一定的工藝處理，消除滅弧室內(nèi)部的毛刺、金屬和非金屬微粒及各種污穢物，改善觸頭的表面狀況，使真空間隙耐電強(qiáng)度大幅提高；還可改變觸頭表面的晶格結(jié)構(gòu)，降低冷焊力，增加材料的韌性，使觸頭材料更不容易產(chǎn)生脫落，大大降低真空滅弧室的重燃率[11-13]。

真空滅弧室老煉試驗(yàn)包括電流老煉和電壓老煉。電流老煉一般是用一百至數(shù)百安培的電流，通過真空滅弧室的觸頭間隙形成均勻的擴(kuò)散型真空電弧，利用電弧的高溫去除電極表面的薄層材料，同時(shí)消除電極表面層中的氣體、氧化物和雜質(zhì)，改善觸頭表面狀況。

電壓老煉試驗(yàn)是通過施加高電壓使真空電極放電，燒去觸頭表面的毛刺、雜質(zhì)，提高真空滅弧室的耐壓水平，有利于弧后絕緣的迅速恢復(fù)。

采用實(shí)際的電容器回路對真空斷路器進(jìn)行老煉操作，兼有上述2種方法的效應(yīng)。以數(shù)百安培的電流進(jìn)行電流老煉，同時(shí)又以高幅值的恢復(fù)電壓起到電壓老煉的作用，通過老煉初期的擊穿放電、合閘時(shí)的機(jī)械捶擊、涌流熱效應(yīng)以及分閘時(shí)的電弧燒灼，對觸頭表面進(jìn)行處理，能有效提升真空斷路器的抗重燃性能[14]。

2 老煉試驗(yàn)的一般方法和要求

真空斷路器開合電容電流老煉試驗(yàn)參照GB 1984-2003《高壓交流斷路器》進(jìn)行，根據(jù)試驗(yàn)方式的不同，分三相老煉試驗(yàn)、單相合成老煉試驗(yàn)和單相老煉試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方式

2.1.1 三相老煉試驗(yàn)

采用三相電源回路進(jìn)行老煉試驗(yàn)與斷路器實(shí)際運(yùn)行狀況基本一致，因此老煉試驗(yàn)優(yōu)選采用三相回路，如圖1所示，圖中：Um為母線對地電壓；Uf為試品極間恢復(fù)電壓；Uc為電容器側(cè)對地電壓；Uo為電容器組中性點(diǎn)對地電壓；I為回路電流；C為電容器組；TA為電流互感器；FD為放電線圈；SP為試品。

圖1 典型三相老煉試驗(yàn)接線

2.1.2 單相合成老煉試驗(yàn)

35 kV及以上真空斷路器一般采用單相合成回路老煉試驗(yàn)，典型接線如圖2所示，圖中：DL為試驗(yàn)回路斷路器；T1為電流回路變壓器；T2為電壓回路變壓器；T3為電壓回路調(diào)壓器；C1，C2為電流回路電容器組；C3，C4為電壓回路電容器組；L為調(diào)頻電抗器；K1為電壓回路閘刀；SP1為試品被試相；SP2，SP3為試品非被試相；TA為電流互感器；FYn為母線電壓測量分壓器；FYf為恢復(fù)電壓測量分壓器；MOA為避雷器；TV為電壓互感器。

單相合成回路的特點(diǎn)是用試品的非被試相作為電壓隔離開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電壓與電流同步；用電容C4、電抗器L組成重?fù)舸┓烹娭?，模擬實(shí)際重燃放電，提高老煉效果。采用單相合成回路進(jìn)行老煉試驗(yàn)，能有效降低投切過電壓，減小系統(tǒng)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.3 單相老煉試驗(yàn)

圖2 典型單相合成老煉試驗(yàn)接線

當(dāng)不具備三相試驗(yàn)條件時(shí)，還可采用單相老煉試驗(yàn)，試驗(yàn)接線如圖3所示，圖中：Um為母線對地電壓；Uf為試品極間恢復(fù)電壓；Uc為電容器側(cè)對地電壓；I為回路電流；SP為試品；C為電容器組；TA為電流互感器；FD為放電線圈。

圖3 典型單相老煉試驗(yàn)接線

2.2 試驗(yàn)電流

根據(jù)多種大小不同的電流對真空開關(guān)進(jìn)行的老煉和現(xiàn)場跟蹤測試，試驗(yàn)電流過小，不足以消除滅弧室內(nèi)雜質(zhì)，試驗(yàn)電流太大，則要求系統(tǒng)無功容量也較大，產(chǎn)生的電壓波動也大。當(dāng)老煉試驗(yàn)電流為350～400 A時(shí)，電弧呈圓錐形，沿電極表面不斷移動，電弧弧柱的電流密度約為105～106 A/cm2，具有很好的清洗和凈化效應(yīng)，也不會燒蝕電極觸頭表面。

老煉試驗(yàn)電流和時(shí)間的推薦值如表1所示。電流持續(xù)時(shí)間為0.3 s較為適宜，2次試驗(yàn)的間隔時(shí)間主要考慮斷路器的儲能、機(jī)構(gòu)動作后的穩(wěn)定、電弧熄滅后滅弧室內(nèi)微電物質(zhì)的穩(wěn)定等因素，同時(shí)要避免間隔時(shí)間過長，影響試驗(yàn)效率。

表1 老煉試驗(yàn)電流和時(shí)間推薦值

2.3 試驗(yàn)電壓

試驗(yàn)電壓在試品分閘瞬間測定，其相間電壓應(yīng)不小于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓，并盡可能靠近試品處。對于三相試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓用三相試驗(yàn)電壓的平均值表示，通過示波器或瞬態(tài)記錄儀等設(shè)備來確定，任何相間的試驗(yàn)電壓與平均試驗(yàn)電壓的偏差不應(yīng)超過10%。

2.4 電容回路

電容器回路包括所有必要的測量裝置，如分壓器等。其電弧最終熄滅后300 ms時(shí)斷路器斷口電壓的衰減不超過10%，并提供1 000 ms的恢復(fù)電壓。電容器組具有放電回路，關(guān)合操作之前，在容性回路上無明顯的剩余電荷。三相試驗(yàn)的回路中性點(diǎn)應(yīng)絕緣。

GB 1984-2003《高壓交流斷路器》要求恢復(fù)電壓時(shí)間不少于300 ms，但根據(jù)試驗(yàn)站開合容性電流試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，斷路器在電弧熄滅300 ms后發(fā)生重燃的次數(shù)約占總次數(shù)的15%，實(shí)測最大重燃時(shí)間為2 150 ms，故將恢復(fù)電壓時(shí)間延長至1 000 ms。

2.5 試驗(yàn)次數(shù)

老煉試驗(yàn)的連續(xù)無重燃次數(shù)及試驗(yàn)總次數(shù)限值如表2所示。當(dāng)三相和單相老煉試驗(yàn)連續(xù)30次、合成老煉試驗(yàn)連續(xù)60次無重燃后，再次發(fā)生重燃的幾率已遠(yuǎn)小于0.1%。如果三相和單相老煉試驗(yàn)總次數(shù)超過150次，合成老煉試驗(yàn)總次數(shù)超過500次后仍有重燃發(fā)生，則通過老煉試驗(yàn)的可能性比較小。

表2 連續(xù)無重燃次數(shù)及試驗(yàn)總次數(shù)限值

單相合成老煉試驗(yàn)可通過LC支路模擬重?fù)舸┓烹?，提高老煉效果，但總體上由于對重燃的電流進(jìn)行了限制，對滅弧室的清洗作用比較小，因此無重燃次數(shù)比直接試驗(yàn)要求多30次。

3 老煉試驗(yàn)與型式試驗(yàn)的區(qū)別

真空斷路器開合電容電流的型式試驗(yàn)和老煉試驗(yàn)均依據(jù)國標(biāo)GB 1984-2003《高壓交流斷路器》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，兩者區(qū)別如下：

（1）試驗(yàn)?zāi)康牟煌?。型式試?yàn)用于考核真空斷路器性能，對重?fù)舸┖蚇SDD次數(shù)有嚴(yán)格限制。老煉試驗(yàn)的目的是改善真空滅弧室性能，對重燃不進(jìn)行考核，只進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。但當(dāng)老煉試驗(yàn)中頻繁出現(xiàn)重?fù)舸┗騈SDD且沒有好轉(zhuǎn)趨勢，或試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到規(guī)定上限，表明該斷路器真空滅弧室制造質(zhì)量較差，或機(jī)械特性及參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，通過試驗(yàn)已無法對其性能進(jìn)行改善時(shí)，可以終止試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)對象不同。型式試驗(yàn)針對斷路器某個(gè)型號規(guī)格的樣品進(jìn)行，試驗(yàn)合格后允許批量生產(chǎn)。老煉試驗(yàn)則面向所有用于并聯(lián)補(bǔ)償裝置的真空斷路器，在投運(yùn)前必須進(jìn)行試驗(yàn)。

（3）試驗(yàn)方法和要求不同。型式試驗(yàn)時(shí)為考驗(yàn)觸頭材料、工藝及機(jī)構(gòu)配合，需要進(jìn)行背對背電容器組的涌流關(guān)合試驗(yàn)。老煉試驗(yàn)一般在單個(gè)電容器組下進(jìn)行，通常不會出現(xiàn)諸如觸頭熔焊、無法開斷等現(xiàn)象。此外，老煉試驗(yàn)對合閘角度、分閘燃弧時(shí)間等也沒有明確要求。

4 近5年來老煉試驗(yàn)情況

表3、表4給出了試驗(yàn)站近5年來12 kV及40.5 kV真空斷路器的老煉試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)。

4.1 試驗(yàn)總體情況

按國產(chǎn)斷路器配國產(chǎn)滅弧室、合資或獨(dú)資斷路器配國產(chǎn)滅弧室、國產(chǎn)斷路器配進(jìn)口滅弧室、合資或獨(dú)資斷路器配進(jìn)口滅弧室?guī)追N情況分類統(tǒng)計(jì)，12 kV的老煉試驗(yàn)重燃率分別為1.89%，0.83%， 0.86%和0.31%，總重燃率為0.99%；40.5 kV的老煉試驗(yàn)重燃率分別為4.59%，2.72%，0.48%和7.03%，總重燃率為4.79%。

4.2 試驗(yàn)情況分析

（1）除2012年外（因?yàn)橛卸嗯_設(shè)備未能通過試驗(yàn)而未納入統(tǒng)計(jì)），近5年來老煉試驗(yàn)重燃率保持上升勢頭，12 kV總重燃率接近1.0%，40.5 kV達(dá)到4.8%，斷路器及滅弧室總體性能未有較大改善，充分表明老煉試驗(yàn)的必要性。

（2）12 kV合資或獨(dú)資斷路器配進(jìn)口滅弧室的重燃率有所上升，由2008年的0.05%上升到2012年的0.55%，而2007年以前的重燃率都為零，其主要原因是現(xiàn)在不少合資或外資企業(yè)采用OEM（定點(diǎn)生產(chǎn)）方式生產(chǎn)以降低成本，造成產(chǎn)品質(zhì)量下滑。

12 kV國產(chǎn)真空斷路器重燃率起伏較大，與合資與獨(dú)資企業(yè)的產(chǎn)品相比，還存在一定差距。

（3）40.5 kV真空斷路器的總重燃率逐年上升，2011年達(dá)到8.50%。2012年有較大回落，而回落的主要原因則是有15臺斷路器（13臺國產(chǎn)，2臺合資斷路器）沒有通過老煉試驗(yàn)考核，不納入該表統(tǒng)計(jì)。

表3 12 kV真空斷路器近5年老煉情況統(tǒng)計(jì)

表4 40.5 kV真空斷路器近5年老煉情況統(tǒng)計(jì)

40.5 kV國產(chǎn)斷路器配國產(chǎn)滅弧室時(shí)重燃率依然居高不下，起伏波動也較大。合資或進(jìn)口斷路器配進(jìn)口滅弧室的重燃率逐步上升，已接近國產(chǎn)設(shè)備的水平。滅弧室對重燃起重要作用，但機(jī)構(gòu)的配合顯然也非常關(guān)鍵。

5 結(jié)語

本文闡述了真空斷路器開合電容電流老煉試驗(yàn)的機(jī)理，根據(jù)多年開展老煉試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，提出了老煉試驗(yàn)的試驗(yàn)方法，試驗(yàn)電流、電壓和電容回路的要求以及試驗(yàn)結(jié)果判據(jù)。

根據(jù)紹興試驗(yàn)站近年來老煉試驗(yàn)的情況統(tǒng)計(jì)和分析，真空斷路器及滅弧室的總體性能并沒有質(zhì)的提升。從電網(wǎng)運(yùn)行情況看，因開關(guān)重燃故障引發(fā)的電容器損壞等事故也時(shí)有發(fā)生。浙江電網(wǎng)均采用經(jīng)過老煉試驗(yàn)后的真空斷路器，多年來未發(fā)生由于真空斷路器重燃引起的重大事故。國家電網(wǎng)公司在新的十八項(xiàng)重大反措里明確要求高壓大電流的老煉試驗(yàn)，應(yīng)引起重視。

[1]王季梅．真空開關(guān)技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[2]IEEE Std C37.015-1993 IEEE Application Guide for SHUNT Reactor Switching[S]．

[3]IEC 62271-100：2008高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備—第100部分：交流斷路器[S]．

[4]IEC 62271-110：2009 Inductive load switching[S]．

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（本文編輯：龔皓）

Aging Test of Opening and Closing Capacitive Current of Vacuum Circuit Breaker

CAI Chongkai，LI Dian，HONG Jinqi，CHEN Xiaoyu，JIN Bairong
（State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China）

According to experience and technologies accumulated from aging tests of vacuum circuit breaker over the years，this paper presents general method and requirements for aging test.In the light of status statistic and analysis of aging tests in recent five years，this paper points out that the general performance of vacuum circuit breaker and arc extinguishing chamber has not experienced qualitative enhancement.At the present stage，requirements of State Grid Corporation should be abided by to conduct high voltage and large current aging test on vacuum circuit breaker before its operation.

vacuum circuit breaker；opening and closing capacitive current；aging test；restrike；synthetic test

TM506

：B

：1007-1881（2014）10-0006-05

2014-06-26

蔡重凱（1976-），男，浙江諸暨人，高級工程師，從事無功補(bǔ)償試驗(yàn)研究及電能質(zhì)量測試評估等相關(guān)工作。