高頻涌流對真空滅弧室場致發射電流的影響研究

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有限公司供電部，甘肅 蘭州 730000；2.華東交通大學電氣與自動化工程學院， 江西 南昌 330013）

0 引言

真空滅弧室由于具有機械壽命長、環境友好等特點，現已廣泛應用于電力系統無功補償領域[1]。根據統計[2]，電力系統中，60%用于無功補償的電容器組平均每年會被投切300次左右，另外的30%每年被投切的次數能達到700次左右。其中，主要是利用電力開關設備來投切電容器組以完成無功補償任務，這表明電力開關平均每天就有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行無功補償次數甚至高達6次[4]。

然而，投切容性負載時，在電流過零后的真空滅弧室中存在一定的重擊穿概率。重擊穿會在電力系統中引起不同程度的過電壓，產生的過電壓會造成電力設備損壞，甚至會引發人員傷亡等重大事故，從而對電網的安全穩定運行構成了很大的威脅[5-6]。因此，如何降低真空斷路器無功補償重擊穿發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外真空開關研究領域的熱點話題。

一個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發生預擊穿現象，預擊穿過程中產生的高頻率高幅值涌流會造成滅弧室觸頭表面發生局部的燒蝕熔焊[8]。根據IEC背靠背電容器投切標準[9]，高頻涌流幅值為20 kA，頻率為4 250 Hz。涌流電弧會對觸頭表面造成嚴重燒蝕，觸頭閉合后會發生熔焊，分閘過程中熔焊區域破裂會在觸頭表面形成宏觀突起和凹坑，過程中同時伴隨著金屬微粒的產生。因此由涌流關合電弧燒蝕造成的觸頭表面突起或凹坑會導致真空滅弧室的絕緣性能發生顯著下降。

許多研究者已經研究了前震與后震現象之間的關系。文獻[10]的研究表明，重擊穿現象與預擊穿過程有直接的聯系。文獻[11]認為真空斷路器投切容性負載重擊穿概率與涌流關合電弧能量密切相關。文獻[12]觀察到高頻涌流幅值對場致發射電流有顯著影響。然而，上述場致發射電流測量均在恢復電壓階段進行。在這個階段，恢復電壓是具有（1-cosωt）波形的直流特性。在雙極性電壓（例如工頻電壓）下，場致發射電流可能不同，同時測量得到的雙極性電壓下的場致發射電流可以反映涌流燒蝕后動靜觸頭表面的狀況。因此，研究工頻電壓下涌流對真空滅弧室場致發射電流的影響十分必要。文中目標為研究工頻電壓下高頻涌流對真空滅弧室場致發射電流的影響規律。研究了工頻電壓下涌流，包括操作次數和涌流幅值對真空滅弧室場致發射特性的影響。該研究對揭示由高頻涌流對真空滅弧室觸頭表面燒蝕所引起的重擊穿機理具有重要意義。

1 實驗設置

1.1 涌流電路

圖1給出了用于實驗的涌流回路。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，打開真空滅弧室SWtest，然后將涌流回路電容C1預充電至所需電壓Ur。關閉滅弧室SWtest后，電容C1通過電感L1和滅弧室SWtest放電。在實驗真空滅弧室SWtest合閘操作過程中，涌流在預擊穿瞬間開始以一定間隙距離d流過真空電弧，導致電弧預擊穿，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可以調節涌流的頻率和幅值。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

實驗采用4個7.2 kV真空滅弧室來研究操作次數和涌流幅值對觸頭發射電流的影響。觸頭直徑為30 mm，觸頭材料為CuCr25（25%Cr）。接觸間隙調整為4 mm。

表1列出了實驗條件。根據施加10 kA和20 kA涌流幅值的不同，將4個實驗真空滅弧室分為A、B兩組。每個測試組使用2個真空滅弧室，分別標記為1-2。實驗操作由不同涌流幅值的合閘操作和后續工頻電壓下的場致發射電流測量（關合-測量操作）組成。工頻電壓以2 kVrms為步長從2 kVrms上升到30 kVrms。針對每個試品真空滅弧室，需進行2次，每個實驗操作進行2次關合-測量操作。為了保證4個試品真空滅弧室的條件相同，實驗前分別對這4個試品真空滅弧室進行工頻電壓老煉，以確保實驗前都能具有相等的15 kVrms介電強度。

表1 實驗條件

1.2 工頻電壓下的場致發射電流測量

圖3所示為場致發射電流測量電路原理圖。實驗中通過調壓器和變壓器提供工頻電壓，待測試品設置為1 mm固定開距，回路中與無感電阻Rtest串聯，其中Rtest=100Ω。當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有場致發射電流流過，通過測量Rtest上的壓降便可得到場致發射電流的強度。

圖3 場致發射電流測量電路原理圖

當電壓大于觸頭間隙絕緣強度，真空滅弧室有可能會發生擊穿，瞬態擊穿電流流經Rtest電阻產生的過電壓可能會危害測量設備的安全運行，因此采用反向并聯的二極管來限制Rtest兩端壓降。反向并聯二極管的正向導通壓降設定為0.5 V，因此低于5 mA的場致發射電流將流經無感電阻Rtest。此外，還通過并聯響應速度更快的壓敏電阻和瞬態抑制二極管來限制暫態過程中過電壓的快速上升，沿從而來保護測量設備的安全。

針對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間，設定每次電壓施加時間為500 ms。期間分別測量觸頭間場致發射電流的大小。

2 實驗結果

實驗中測得的工頻電壓下非對稱極性場致發射電流如圖4所示。該實驗波形為試品滅弧室A1經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果。從中可以看到在工頻電壓下，經涌流燒蝕后的真空滅弧室場致發射電流呈現顯著的極性效應。

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

圖4 場致發射電流測量典型波形

圖5 場致發射電流與施加電壓關系

由于試品觸頭表面被嚴重破壞，耐壓特性會大大降低，實驗過程中可能會出現真空擊穿現象。暫態擊穿電流會影響觸頭表面狀態，且影響結果不可控，因此為保證實驗條件的一致性，實驗過程中應盡量減小擊穿過程的發生，因此施加電壓應留有一定的裕量。同樣結合圖5所示結果，當施加的工頻電壓幅值接近20 kV時，場致發射電流為5 mA左右，因此綜合考慮以上因素，場致發射電流測量的上限值被設定為5 mA。

圖6為測試樣品A1、A2、B1、B2在一極處的實測場致發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量都對場致發射電流有顯著影響。由圖6可知，在工頻電壓下，涌流幅值越大，涌流施加次數越多，產生的場致發射電流越大。

圖6 正極性場致發射電流與關合涌流的關系

3 討論

在對試品真空滅弧室進行關合涌流操作時，涌流流過觸頭，高頻高幅值的涌流預擊穿電弧會嚴重燒蝕觸頭表面，使觸頭表面局部熔化，在兩個觸頭閉合后可能導致觸頭發生熔焊。當觸頭再次打開時，可在接觸面上產生宏觀突起和凹坑。這些表面損傷決定了真空滅弧室觸頭間隙的耐電強度。動靜觸頭電極表面的這些損傷都不是對稱的：通常在接觸面上形成一個突起，同時在相反的接觸面上形成一個凹坑。因此，接觸面損傷的不對稱性導致了工頻電壓下測量場致發射電流的不對稱性。此外，更高和更多次的涌流應用意味著更高的預擊穿電弧能量和更嚴重的觸頭損壞，這將導致更高的場致發射電流。

場致發射電場不是由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上突起的局部微觀場致發射點處于冷卻狀態，發射點尖端較為銳利。場致電流發射點銳利的尖端會增強局部電場，也意味著更大的場致增強系數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射電流臨界電壓值時，場致發射電流會明顯增大，因此會出現對稱工頻電壓下的非對稱性的場致發射電流測量結果。

4 結語

文中研究了真空滅弧室容性投切過程中合閘涌流對工頻電壓下場致發射電流特性的影響規律。結論如下：

1）高頻涌流幅值越大、高頻涌流施加次數越多，真空滅弧室相應產生的場致發射電流越大；

2）對稱工頻電壓下，1 mm定開距試品真空滅弧室場致發射電流測量結果呈現一定的極性效應；

3）存在一個臨界電壓值，當外加電壓超過該值時，可以使場致發射電流顯著增大；

4）分析認為場致發射電流的極性效應是由涌流對真空滅弧室觸頭表面破壞的不對稱性造成的。