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摘 要 为揭示真空开关开断容性负载时出现重燃的原因,分析了从触头开断电容器组时触头表面的变化情况,到真空开关开断容性电流后的特殊性,其目的在于为解决真空开关容性开断重燃的问题提供依据。
关键词 真空开关 电容器组 重燃
1 前 言
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。有些真空断路器在投切电容器组时,重燃率竟高达11%,限制了真空断路器在这方面的应用。要对真空断路器全面考核就需大量的试验研究,而在电容器组上进行直接试验或对两台电容器组进行背对背电容器组切合试验所需费用较高。鉴于此,容性开断很久以来就是一大难题,如何提高真空断路器投切电容器的能力已是真空开关设备研制的重要课题。
本文通过对不同时间重燃现象产生原因的分析,为解决或减小重燃发生提供依据。
2 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。
图1a、b[1]比较CuCr和CuBi在相同短燃弧时间下的介质恢复强度,从图中可见,CuCr 比CuBi触头材料的同样恢复强度下恢复时间短。图2为CuCr和C uBi两种触头材料短燃弧时间的介质恢复强度。从图中可见燃弧时间长相对介质恢复强度较 低,且CuCr比CuBi材料介质恢复强度高。
图1 介质恢复强度试验结果
(a)平均燃弧时间为700μmCuCr触头间耐电压情况
(b)平均燃弧时间为700μmCuBi触头间耐电压情况
图2 短燃弧时间的CuCr和CuBi两种材料击穿电压对比
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的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。
3 开断后10ms以上重燃原因
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。文献[2]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[3],开断电流为40kA(方均根植),直流分量为50%,开断电流峰值为84kA,试验结果见图3所示,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。
图3 分闸速度与溶桥直径的关系曲线
4 老练工艺的意义
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。
文献[4]在用12kV真空开关操作并联电容器组的试验中也得到类似的结论。在多次开断205A负载之后发现触头表面形成了细化的CuCr晶粒结构层,使开断后的重燃率下降,其研究结果表明适当的电流开断对重燃是有效的。
作者单位：东北电力科学研究院 110006
参考文献
[1] Mietek Glinkowakki,et al.Capacitance switching with vacuum circuit bre akers －－A comparative evaluation IEEE Trans.on PD,1991,6(3):10 88
[2] Janko,et al.A statistics vacuum circuit breaker model for simulation o f transient overvoltages.IEEE trans.on PD,1995,10(1):294
[3] Osmokrovic P. Influnce of switching operations on the cuum interrupter dielecric strength.IEEE Trans.on PD,8(1):175～181
[4] Kamikawaji T et al.An investigation into major factor I shunt capacito r switching performance bu VCB with CuCr contacts.IEEE Trans.on PD,1993,8(4):178 9～1801
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