趙施林，常占寧，張一平，余勇祥，程宏波

（1.中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司供電部，甘肅 蘭州 730000；2.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院， 江西 南昌 330013）

0 引言

真空滅弧室由于具有機(jī)械壽命長、環(huán)境友好等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償領(lǐng)域[1]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)[2]，電力系統(tǒng)中，60%用于無功補(bǔ)償?shù)碾娙萜鹘M平均每年會(huì)被投切300次左右，另外的30%每年被投切的次數(shù)能達(dá)到700次左右。其中，主要是利用電力開關(guān)設(shè)備來投切電容器組以完成無功補(bǔ)償任務(wù)，這表明電力開關(guān)平均每天就有1～2次的頻繁合分操作[3]。在我國夏季用電高峰期，每日投切電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償次數(shù)甚至高達(dá)6次[4]。

然而，投切容性負(fù)載時(shí)，在電流過零后的真空滅弧室中存在一定的重?fù)舸└怕?。重?fù)舸?huì)在電力系統(tǒng)中引起不同程度的過電壓，產(chǎn)生的過電壓會(huì)造成電力設(shè)備損壞，甚至?xí)l(fā)人員傷亡等重大事故，從而對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成了很大的威脅[5-6]。因此，如何降低真空斷路器無功補(bǔ)償重?fù)舸┌l(fā)生概率并提高真空斷路器電容器組投切性能一直以來都是國內(nèi)外真空開關(guān)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題。

一個(gè)完整的容性投切過程包括合閘和分閘操作[7]。在合閘過程中，在真空滅弧室觸頭接觸前會(huì)發(fā)生預(yù)擊穿現(xiàn)象，預(yù)擊穿過程中產(chǎn)生的高頻率高幅值涌流會(huì)造成滅弧室觸頭表面發(fā)生局部的燒蝕熔焊[8]。根據(jù)IEC背靠背電容器投切標(biāo)準(zhǔn)[9]，高頻涌流幅值為20 kA，頻率為4 250 Hz。涌流電弧會(huì)對(duì)觸頭表面造成嚴(yán)重?zé)g，觸頭閉合后會(huì)發(fā)生熔焊，分閘過程中熔焊區(qū)域破裂會(huì)在觸頭表面形成宏觀突起和凹坑，過程中同時(shí)伴隨著金屬微粒的產(chǎn)生。因此由涌流關(guān)合電弧燒蝕造成的觸頭表面突起或凹坑會(huì)導(dǎo)致真空滅弧室的絕緣性能發(fā)生顯著下降。

許多研究者已經(jīng)研究了前震與后震現(xiàn)象之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[10]的研究表明，重?fù)舸┈F(xiàn)象與預(yù)擊穿過程有直接的聯(lián)系。文獻(xiàn)[11]認(rèn)為真空斷路器投切容性負(fù)載重?fù)舸└怕逝c涌流關(guān)合電弧能量密切相關(guān)。文獻(xiàn)[12]觀察到高頻涌流幅值對(duì)場致發(fā)射電流有顯著影響。然而，上述場致發(fā)射電流測量均在恢復(fù)電壓階段進(jìn)行。在這個(gè)階段，恢復(fù)電壓是具有（1-cosωt）波形的直流特性。在雙極性電壓（例如工頻電壓）下，場致發(fā)射電流可能不同，同時(shí)測量得到的雙極性電壓下的場致發(fā)射電流可以反映涌流燒蝕后動(dòng)靜觸頭表面的狀況。因此，研究工頻電壓下涌流對(duì)真空滅弧室場致發(fā)射電流的影響十分必要。文中目標(biāo)為研究工頻電壓下高頻涌流對(duì)真空滅弧室場致發(fā)射電流的影響規(guī)律。研究了工頻電壓下涌流，包括操作次數(shù)和涌流幅值對(duì)真空滅弧室場致發(fā)射特性的影響。該研究對(duì)揭示由高頻涌流對(duì)真空滅弧室觸頭表面燒蝕所引起的重?fù)舸C(jī)理具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 涌流電路

圖1給出了用于實(shí)驗(yàn)的涌流回路。它是為測試真空滅弧室的容性電流投切性能而搭建的。通過LC振蕩方式，可以在回路中產(chǎn)生3 800 Hz頻率以及20 kA幅值的高頻涌流。

圖1 涌流電路原理圖

測試開始時(shí)，打開真空滅弧室SWtest，然后將涌流回路電容C1預(yù)充電至所需電壓Ur。關(guān)閉滅弧室SWtest后，電容C1通過電感L1和滅弧室SWtest放電。在實(shí)驗(yàn)真空滅弧室SWtest合閘操作過程中，涌流在預(yù)擊穿瞬間開始以一定間隙距離d流過真空電弧，導(dǎo)致電弧預(yù)擊穿，直至觸頭接觸。由于回路電阻的存在，涌流振蕩衰減至零。

通過改變電容C1、電感L1和充電電壓Ur可以調(diào)節(jié)涌流的頻率和幅值。圖2給出了幅值為6 kA、頻率為3 800 Hz的典型操作涌流波形圖。

圖2 典型的涌流波形圖

實(shí)驗(yàn)采用4個(gè)7.2 kV真空滅弧室來研究操作次數(shù)和涌流幅值對(duì)觸頭發(fā)射電流的影響。觸頭直徑為30 mm，觸頭材料為CuCr25（25%Cr）。接觸間隙調(diào)整為4 mm。

表1列出了實(shí)驗(yàn)條件。根據(jù)施加10 kA和20 kA涌流幅值的不同，將4個(gè)實(shí)驗(yàn)真空滅弧室分為A、B兩組。每個(gè)測試組使用2個(gè)真空滅弧室，分別標(biāo)記為1-2。實(shí)驗(yàn)操作由不同涌流幅值的合閘操作和后續(xù)工頻電壓下的場致發(fā)射電流測量（關(guān)合-測量操作）組成。工頻電壓以2 kVrms為步長從2 kVrms上升到30 kVrms。針對(duì)每個(gè)試品真空滅弧室，需進(jìn)行2次，每個(gè)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行2次關(guān)合-測量操作。為了保證4個(gè)試品真空滅弧室的條件相同，實(shí)驗(yàn)前分別對(duì)這4個(gè)試品真空滅弧室進(jìn)行工頻電壓老煉，以確保實(shí)驗(yàn)前都能具有相等的15 kVrms介電強(qiáng)度。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

1.2 工頻電壓下的場致發(fā)射電流測量

圖3所示為場致發(fā)射電流測量電路原理圖。實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)壓器和變壓器提供工頻電壓，待測試品設(shè)置為1 mm固定開距，回路中與無感電阻Rtest串聯(lián)，其中Rtest=100Ω。當(dāng)通過工頻源施加電壓，由于試品真空滅弧室觸頭間電場的作用，觸頭間真空間隙中便會(huì)有場致發(fā)射電流流過，通過測量Rtest上的壓降便可得到場致發(fā)射電流的強(qiáng)度。

圖3 場致發(fā)射電流測量電路原理圖

當(dāng)電壓大于觸頭間隙絕緣強(qiáng)度，真空滅弧室有可能會(huì)發(fā)生擊穿，瞬態(tài)擊穿電流流經(jīng)Rtest電阻產(chǎn)生的過電壓可能會(huì)危害測量設(shè)備的安全運(yùn)行，因此采用反向并聯(lián)的二極管來限制Rtest兩端壓降。反向并聯(lián)二極管的正向?qū)▔航翟O(shè)定為0.5 V，因此低于5 mA的場致發(fā)射電流將流經(jīng)無感電阻Rtest。此外，還通過并聯(lián)響應(yīng)速度更快的壓敏電阻和瞬態(tài)抑制二極管來限制暫態(tài)過程中過電壓的快速上升，沿從而來保護(hù)測量設(shè)備的安全。

針對(duì)每只試品真空滅弧室，分別施加2 kVrms到30 kVrms的工頻電壓，電壓變化步長為2 kVrms。通過控制隔離斷路器的合分閘時(shí)間，設(shè)定每次電壓施加時(shí)間為500 ms。期間分別測量觸頭間場致發(fā)射電流的大小。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中測得的工頻電壓下非對(duì)稱極性場致發(fā)射電流如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)波形為試品滅弧室A1經(jīng)2次10 kA幅值涌流燒蝕后，1 mm觸頭開距，施加14 kV有效值工頻電壓條件下的測量結(jié)果。從中可以看到在工頻電壓下，經(jīng)涌流燒蝕后的真空滅弧室場致發(fā)射電流呈現(xiàn)顯著的極性效應(yīng)。

圖4為實(shí)驗(yàn)波形局部放大圖。從圖中可以看出，場致發(fā)射電流在工頻電壓過零后并未立即增加，而是當(dāng)工頻電壓超過某一幅值后才開始顯著增加，因此，為探究場致發(fā)射電流和施加電壓間的關(guān)系，選取圖4（b）中正極性周期的波形結(jié)果，可以得到試品滅弧室在1 mm觸頭開距下正極性場致發(fā)射電流與施加電壓關(guān)系如圖5所示。

圖4 場致發(fā)射電流測量典型波形

圖5 場致發(fā)射電流與施加電壓關(guān)系

由于試品觸頭表面被嚴(yán)重破壞，耐壓特性會(huì)大大降低，實(shí)驗(yàn)過程中可能會(huì)出現(xiàn)真空擊穿現(xiàn)象。暫態(tài)擊穿電流會(huì)影響觸頭表面狀態(tài)，且影響結(jié)果不可控，因此為保證實(shí)驗(yàn)條件的一致性，實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)盡量減小擊穿過程的發(fā)生，因此施加電壓應(yīng)留有一定的裕量。同樣結(jié)合圖5所示結(jié)果，當(dāng)施加的工頻電壓幅值接近20 kV時(shí)，場致發(fā)射電流為5 mA左右，因此綜合考慮以上因素，場致發(fā)射電流測量的上限值被設(shè)定為5 mA。

圖6為測試樣品A1、A2、B1、B2在一極處的實(shí)測場致發(fā)射電流隨外加電壓的變化。可以看出，不僅涌流的幅值，而且施加在觸頭上的涌流的數(shù)量都對(duì)場致發(fā)射電流有顯著影響。由圖6可知，在工頻電壓下，涌流幅值越大，涌流施加次數(shù)越多，產(chǎn)生的場致發(fā)射電流越大。

圖6 正極性場致發(fā)射電流與關(guān)合涌流的關(guān)系

3 討論

在對(duì)試品真空滅弧室進(jìn)行關(guān)合涌流操作時(shí)，涌流流過觸頭，高頻高幅值的涌流預(yù)擊穿電弧會(huì)嚴(yán)重?zé)g觸頭表面，使觸頭表面局部熔化，在兩個(gè)觸頭閉合后可能導(dǎo)致觸頭發(fā)生熔焊。當(dāng)觸頭再次打開時(shí)，可在接觸面上產(chǎn)生宏觀突起和凹坑。這些表面損傷決定了真空滅弧室觸頭間隙的耐電強(qiáng)度。動(dòng)靜觸頭電極表面的這些損傷都不是對(duì)稱的：通常在接觸面上形成一個(gè)突起，同時(shí)在相反的接觸面上形成一個(gè)凹坑。因此，接觸面損傷的不對(duì)稱性導(dǎo)致了工頻電壓下測量場致發(fā)射電流的不對(duì)稱性。此外，更高和更多次的涌流應(yīng)用意味著更高的預(yù)擊穿電弧能量和更嚴(yán)重的觸頭損壞，這將導(dǎo)致更高的場致發(fā)射電流。

場致發(fā)射電場不是由U/d決定的（U是通過接觸間隙d施加的電壓），而是由βU/d給出[13]。在施加工頻電壓之前，觸頭表面熔焊斷裂區(qū)上突起的局部微觀場致發(fā)射點(diǎn)處于冷卻狀態(tài)，發(fā)射點(diǎn)尖端較為銳利。場致電流發(fā)射點(diǎn)銳利的尖端會(huì)增強(qiáng)局部電場，也意味著更大的場致增強(qiáng)系數(shù)β。在施加工頻電壓的正極性上升過程中，隨著電壓值的上升并超過場致發(fā)射電流臨界電壓值時(shí)，場致發(fā)射電流會(huì)明顯增大，因此會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱工頻電壓下的非對(duì)稱性的場致發(fā)射電流測量結(jié)果。

4 結(jié)語

文中研究了真空滅弧室容性投切過程中合閘涌流對(duì)工頻電壓下場致發(fā)射電流特性的影響規(guī)律。結(jié)論如下：

1）高頻涌流幅值越大、高頻涌流施加次數(shù)越多，真空滅弧室相應(yīng)產(chǎn)生的場致發(fā)射電流越大；

2）對(duì)稱工頻電壓下，1 mm定開距試品真空滅弧室場致發(fā)射電流測量結(jié)果呈現(xiàn)一定的極性效應(yīng)；

3）存在一個(gè)臨界電壓值，當(dāng)外加電壓超過該值時(shí)，可以使場致發(fā)射電流顯著增大；

4）分析認(rèn)為場致發(fā)射電流的極性效應(yīng)是由涌流對(duì)真空滅弧室觸頭表面破壞的不對(duì)稱性造成的。