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1 問題的提出

　　在供電系統中，由于電能損耗等多種原因使供電電壓不正常。為了維持電壓與功率因數，減少功率損耗，常需要采用無功補償的方法來維持電網的正常工作電壓，保證供電質量。而在12kV-40.5kV的系統中，進行無功功率補償最實用、最經濟的方法就是安裝余弦電容器組。 

　　在電力系統中，對余弦電容器組進行控制最早采用的是少油斷路器，然而少油斷路器對頻繁操作的投切電容器組來說并不能完全滿足其使用要求。近年來真空斷路器以其使用壽命長，可頻繁開斷、無油、少維護等優點，在電力系統中得到了廣泛的應用，因此電力系統也希望用真空斷路器來取代少油斷路器投切電容器組。眾所周知，真空開關在投切電容器組的過程中會產生各種復雜的操作過電壓，如果真空斷路器的性能不夠完善，容易出現重燃，會產生高的過電壓，給電力設備帶來嚴重的危害，限制了真空斷路器在這一方面的應用。而近年來隨著真空開關在中壓領域占領了絕對優勢的市場份額，使這一需求顯得更加突出和緊迫。根據紹興試驗站的資料顯示，在10kV領域，國產真空開關近年來投切電容器組的重燃率一直在1%左右的水平。這樣的數據還達不到用戶的期望水平，與國外同類產品的試驗統計數據也有一定的差距。因此如何提高真空斷路器投切電容器組的能力，這是真空開關設備研制和生產單位不得不面臨的一個課題。 

　　真空滅弧室作為真空斷路器的“心臟”，它對控制真空電弧完成導體和絕緣體之間的開關作用的轉換起著極其重要的作用，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投切電容器組的能力，也是我們滅弧室生產廠家需要認真研究的問題。 

2 真空開關投切電容器組時發生重燃現象的特點 

　　真空開關在切合電容器組時引起重燃的原因究竟是什么?這需要從真空開關在切合電容器組時出現的重燃現象的特點來進行分析。我們發現，在真空開關切合電容器組時，發生的重燃現象主要表現出以下特點： 

　　2.1 重燃現象的出現有很大的偶然性和隨機性; 

　　多次觀察到的重燃現象表明，無論是重燃發生的時間，還是開斷次數、開斷電流的大小、重燃發生在哪一相，都毫無規律性，無法預測重燃會在哪次開斷時發生、發生在哪一相，在電弧熄滅后什么時間發生。重燃的發生表現出很大的偶然性和隨機性，只具有一定的概率性，這就給人們研究真空開關在切合電容器組時的重燃現象增加了難度。 

　　2.2 重燃現象往往出現在電流開斷后40～100多ms之間; 

　　真空開關在切合電容器組時，從電壓波形圖上可以看出，電壓的重擊穿現象與一般的短路電流開斷過程中的重燃現象出現的時間有很大的不同，短路電流開斷過程中的重燃現象一般出現在電弧熄滅后幾毫秒，最多也不會超過一個周波，而在切合電容器組時的重燃現象往往出現在電弧熄滅后40～100多毫秒之間，有時甚至時間更長。因此可以斷定，真空開關在切合電容器組時的重燃與其在短路電流開斷過程中的重燃在機理上是不同的。 

3 從傳統的影響真空滅弧室性能的方面來分析原因 

　　既然真空開關在切合電容器組時發生的重燃現象有以上特點，那么我們嘗試從傳統的可能影響真空滅弧室性能的幾個方面來分析其原因： 

　　3.1 真空度 

　　眾所周知，真空滅弧室將真空作為絕緣介質，使其具有滅弧能力強，介質強度恢復速度快，絕緣強度高的優點，因此保持真空滅弧室內必要的真空度就很重要。 

　　當真空滅弧室內真空度太低時，在開斷過程中會出現電弧不能熄滅或重燃的現象。但真空度低所造成的重燃應該是連續的，且有近似的重復性，而在真空開關切合電容器組時發生的重燃是非連續性的，具有偶然性;而且用于進行切合電容器的真空滅弧室即使在試驗前對其真空度進行測量，甚至用特意制造并挑選過的真空度較高的滅弧室進行試驗，仍然出現了重燃現象，在試驗后對出現過重燃現象的滅弧室進行真空度檢測，發現真空度良好。因此由于真空度低的原因造成開關重燃的觀點顯然是不能成立的。 

　　3.2 滅弧室的結構設計 

　　如果滅弧室的結構設計不夠合理，使滅弧室內部的電場分布不夠均勻或者對電弧的控制能力不夠，使得滅弧室的滅弧性能較差，將會造成在開斷過程中電弧不能熄滅或不能承受瞬態恢復電壓，使開斷失敗。但是這種原因所致的開斷失敗主要表現在極限短路電流的開斷試驗中，這時短路電流一般達幾十千安，開斷失敗的特征是電弧只有短時熄滅，又迅速重燃，同時伴隨有巨大的能量放出，甚至可以將開關或滅弧室燒毀。 

　　用于切合電容器的真空開關或真空滅弧室型號一般都經過了包括短路電流開斷的型式試驗的驗證，證明其具有額定短路電流的開斷能力，而在切合電容器組時的開斷電流往往不超過幾百安培，真空滅弧室開斷這個等級的電流不存在任何困難，因此滅弧室的結構設計與開關在切合電容器組時發生的重燃現象沒有直接的因果關系。 

　　3.3 觸頭材料 

　　在其他條件不變的情況下，真空滅弧室的觸頭材料對擊穿電壓有很大的影響。早期生產的滅弧室使用的觸頭材料多為銅鉍鈰、銅鉍鋁等，這些材料由于含有低熔點的金屬（鉍），其擊穿電壓比較低，容易出現電壓擊穿。但自從使用綜合性能比較優良的銅鉻材料后，產品的耐壓能力得到了提高，使滅弧室可以在更小的開距下開斷更大的電流。我們現在的斷路器用滅弧室的觸頭材料都是銅鉻材料，可以保證滅弧室具有良好的耐壓性能。而且由于觸頭材料的原因導致的擊穿將會在電弧熄滅后幾毫秒內表現出來，這也與開關在切合電容器組時的重燃特征不同。由此可見，觸頭材料的性能或選擇并不是造成國產滅弧室重燃率高的根本原因。 

4 從投切電容器組的過程來分析發生重燃的原因 

　　我們再從投切電容器組的過程來分析發生重燃的原因：電容器組在投切前已經被充電，自身具有一定的電壓，開關接到分閘指令后斷開，電弧熄滅，外部線路為隨著時間而不斷變化極性的交流電壓，因此開關斷開后將受反向的電壓，使開關斷口最大需要承受2倍的正常線路電壓，這是比一般的開斷過程要嚴酷的地方;而且切合電容器組時的電流一般較小，不超過數百安培，電流開斷過程本身并不存在困難，因此切合電容器組時發生重燃主要是電壓擊穿的過程。 

　　電壓擊穿主要有兩種方式：場致發射和微粒擊穿。我們都知道，在真空中場致發射導致的擊穿時間非常短，一般不超過幾毫秒，這與在切合電容器組時觀察到的延時幾十毫秒才擊穿的現象不符，因此可以排除由于場致發射導致重燃的可能。那么由于微粒擊穿而導致重燃的可能性又怎么樣呢?我們都知道，真空滅弧室在制造過程中要保證滅弧室內部的真空度，必須保證滅弧室內的清潔，但不可避免滅弧室內部總會有各種微粒，電極表面總會粘附有一些小質點，零件總會有一些毛刺，滅弧室在裝配過程中總會帶進一些油污、汗漬、棉紗纖維，這些微粒在電場的作用下會附著電荷，并可能在開關的動作過程中被釋放而產生運動，具有一定的動能，如果電場足夠強，微粒的直徑和質量又合適，在穿過間隙到達另一電極時已經具有很大的動能，在與另一電極碰撞時，動能轉變為熱能，使微粒本身蒸發變成蒸汽擴散，使局部的粒子密度迅速變大，這些粒子又與場致發射的電子產生碰撞游離，最終導致間隙的放電擊穿。 

　　活動性微粒的存在與管子的真空度、管子的結構、觸頭材料的性能是沒有直接關系的，它的掉落具有偶然性，引起放電的時間也是短暫的。因此可以確定，真空開關在投切電容器組時的重燃現象是分閘操作中的機械振動引起滅弧室內的微粒釋放所造成的擊穿所致，重燃概率的高低僅與管內存在微粒的多少有關，且隨著系統電壓的增加，投切電容器組時發生重燃的可能性會明顯增加。滅弧室投切電容器組的性能與其短路開斷性能之間沒有直接的關系，其性能與滅弧室的設計參數、零件表面光潔度、滅弧室的清潔度及其制造工藝密切相關。 

5 用微粒擊穿理論對真空開關在投切電容器組試驗過程中各種現象的解釋 

　　按照微粒擊穿理論，真空開關在投切電容器組的試驗過程中發生的許多現象都可以得到很好的解釋，也可以分析出對試驗結果產生影響的因素有哪些：

　?。?）從大量的試驗統計資料來看，不同生產廠家生產的真空滅弧室發生重燃的概率不同，有時甚至有較大的差距，這是由于真空開關的重燃率與真空滅弧室的生產廠家或工藝有一定的關系，不同的生產廠家其生產工藝過程存在一定的差異，在生產過程中的工藝控制也有所不同，因此也造成帶進滅弧室內的微粒數量有較大的差異，這必然對試驗的統計結果產生明顯的影響。 

　?。?）在試驗中也曾經發現這樣的現象，用同批的滅弧室裝配在斷路器上進行切電容試驗，結果其中的一臺反復發生重燃擊穿，甚至將在別的斷路器上已經通過試驗的滅弧室調換過來也不行，最后發現裝配時滅弧室的導電桿不很正，經調整裝配使導電桿對正后，最終順利通過了試驗。因此斷路器的裝配質量對重燃率的大小有很大的影響。當導電桿裝配的不正時，開關在合閘過程中，必然造成能量的集中釋放，使觸頭發生劇烈的彈跳，這時滅弧室內原來粘附的微粒就會變成運動性的，在分閘過程中就容易引發重燃;而且導電桿裝配不正時，必然造成觸頭與屏蔽筒的距離發生變化，有可能造成局部高壓電場的畸變，因此而導致滅弧室擊穿。 

　?。?）在大量的試驗中也發現斷路器的分合閘速度對試驗結果有影響，因為分閘速度太大將會產生較大的分閘彈振，合閘速度太大將會產生較大的合閘彈跳，這些操作都將會使滅弧室內的微粒由粘附性的變成運動性的，將導致在試驗過程中的重擊穿發生。

　?。?）在試驗中發現重擊穿概率隨著投切次數的增加而減少，在投切初始的幾次，出現重擊穿的概率較大，隨著投切次數的增加重擊穿的概率明顯減少。這是管子內部可活動性的雜質微粒被燒掉，微粒數目逐步減少之緣故。

　　廣東電力運行部門根據試驗驗證提供的技術依據，為防止電容器組爆炸等類似事故發生，把原普通型的真空滅弧室全部更換為高潔凈度的真空滅弧室，更換后運行多年，無事故發生。這也為微粒擊穿理論提供了有力的實踐支持。 

6 減少重燃率應采取的措施和對策 

　　既然我們已經基本確定了重燃的機理，并分析清楚了影響重燃的因素，那么我們就可以有針對性的采取措施來提高真空開關投切電容器組時的可靠性，減少發生重燃的幾率： 

　　（1）完善和控制滅弧室生產過程，從零部件制造和生產工藝方面減少管內微粒的數量。 

　　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;提高零件表面質量，保證零件的表面光潔度。 

　　2）在整管裝配前堅持對部件進行有效的超聲波清洗，可以取得明顯的效果;不斷改進清洗工藝，使滅弧室內的微粒通過清洗盡量祛除干凈。 

　　3）在生產過程中，保持良好的真空衛生和工作習慣，有效控制操作間內的空氣濕度和空氣中懸浮微粒的數量。 

　　4）科學組織生產，使滅弧室的部件或觸頭加工出來后盡量減少存放時間，及時裝配進爐，減少零部件氧化、污染的幾率。 

　　5）對用于投切電容器組的真空滅弧室適當提高電壓進行工頻電壓老煉，并進行雷電沖擊耐壓老煉，可以減少滅弧室內的擊穿弱點，提高其電壓耐受能力，增加投切電容器組時的可靠性。 

　　6）對滅弧室進行小電流老煉，可以利用電弧的高溫祛除電極表面的一薄層材料，燒掉電極表面的毛刺，并使電極表面的氣體、氧化物和雜質同時除去，起到清潔電極表面的作用，對滅弧室的電氣性能有一定的提高。因此滅弧室在出廠前應進行適當的電流老練。 

　　7）對滅弧室進行并聯電容老煉，可以迅速明顯提高產品的耐壓能力。 

　?。?） 提高斷路器的設計質量和裝配質量，控制其機械運動特性參數在合理的范圍內。 

　　1） 斷路器的設計應該合理，能夠保證滅弧室動導電桿安裝對正垂直，并易于對其進行調整。 

　　2） 斷路器的裝配質量應該得到可靠的測量和良好的控制，操動機構的合閘輸出功與分閘輸出功比較合適，其分、合閘速度應該調整在合理的范圍內，使分閘彈振和合閘彈跳盡可能小。 

　　3） 有時候雖然斷路器已經定型，操動機構的輸出功率也一定，其它裝配狀態良好，但偶然也會出現分閘彈振或合閘彈跳大，無法調下來的情況，這時可能與緩沖系統的油壓或油的黏度有關，也可能與斷路器框架的整體形位公差的控制失控有關。因此對斷路器的零件或配件的質量控制就顯得非常重要，必須將斷路器各項參數都調整到理想狀態才可以投入使用或進行試驗。 

　　（3） 真空開關在裝配完成后進行一定次數的空載操作，可以穩定開關的機械參數;并對開關整體進行適當的電壓和電流老練，可以減少滅弧室內新產生的毛刺，降低真空斷路器投切電容器組的重燃率。 

　　參考文獻： 

　　1. 高壓斷路器原理和應用 徐國政，張節容，錢家驪，黃瑜瓏等 北京：清華大學出版社，2000. 

　　2. 真空斷路器投切電容器組性能的現狀與對策 李電 金百榮 洪金琪 秋勇 《高壓電器》 2003 NO.5 P44-P46 

　　3. 真空斷路器投切電容器組試驗驗證 陳錦清，李端姣 《廣東電力》 2002年 第15卷 第4期

　　4. 真空開關分合容性負載過程中重擊穿現象的研究 江文泉 西安交通大學 碩士學位論文 Y146293 

　　5. 真空滅弧室電壓老煉新技術研究 楊蘭均等 《高電壓工程》 1999 NO.1 P88-P90