合闸涌流对真空断路器重击穿特性的影响
库柏（宁波）电气有限公司的研究人员杨和，在2019年第11期《电气技术》杂志上撰文指出，真空开断技术已广泛应用于电力系统，但真空断路器在电容器组应用中仍存在问题，无法满足其投切要求，原因在于合闸涌流会破坏真空断路器绝缘性能。
本文进行了在容性电流投切过程中合闸涌流影响真空灭弧室重击穿特性的试验研究。试验过程中分别对7.2kV和40.5kV等级真空断路器进行了电容器组投切试验。试验结果表明合闸涌流会直接影响触头表面状态，进而影响重击穿现象。
当涌流幅值从0上升到5kA，7.2kV等级真空灭弧室重击穿概率会从5%上升到30%；当涌流幅值从4kA上升到5kA，40.5kV等级真空灭弧室重击穿概率会从3%上升到20%；此外，合闸涌流也会影响重击穿发生时间，随合闸涌流幅值上升，重击穿发生时间显著提前。
电力系统运行过程中，因负载波动需频繁投切电容器组来提高功率因数。国内外研究调查表明，60%电容器组每年投切操作可达300次左右，另外30%的电容器组每年投切操作可达700次左右。电容器组投切操作由电力开关设备来完成，这表明电力开关每日就有1～2次的频繁合分操作。
真空断路器以其适应频繁操作、免维护、环境友好等优良特性本应特别适用于无功补偿系统，然而真空断路器在投切过程中会产生较高的重击穿概率，引发过电压威胁电力系统安全运行，因此真空断路器电容器组投切问题已经成为国内外研究的热点。
目前真空断路器投切电容器组领域已经有许多的研究成果。
在触头材料方面，Kamikawaji和Yokokura等人对CuW、CuTeSe、CuBi以及CuCr等材料进行研究，发现CuW的电容器组开断性能较为优秀；
Dullni和Körner等人对预击穿和重击穿之间的关系进行了研究，同时他们发现触头开距和结构也是影响开断性能的重要因素；
Niayesh和Smeets等人对延时重击穿和NSDD现象进行了深入研究；
Delachaux等人发现真空断路器合闸速度较高对电容器投切会带来较好的效果；
真空断路器容性电流开断弧后场致电流特性上也有许多的研究。同时也有研究提出了用同步技术来投切电容器组的方案。
基于上述研究，真空断路器电容器组投切性能已经有较大的改善，但在40.5kV等级电容器组投切应用中，电力系统用户仍采用SF6断路器进行投切。本文将开展真空断路器在容性电流投切过程中，合闸涌流影响真空灭弧室重击穿特性的试验研究。
1 试验设置
试验过程中对9只7.2kV等级和4只40.5kV等级真空灭弧室进行了电容器组投切试验。7.2kV试验回路采用LC振荡回路与变压器相组合的合成试验回路，如图1所示。
试验操作如下：当涌流源电容C2充到一定值后，先后顺序关合涌流源隔离开关SWinrush和试品真空断路器SWtest，试品将承受关合高频涌流Iinrush，其典型波形如图2所示；然后关合电压源隔离开关SWvoltage，工频电流Iv通过试品；最后打开试品真空断路器SWtest，试品将承受容性恢复电压，其典型波形如图3所示。
图1 7.2kV等级电容器投切合成试验回路
受电源容量限制，40.5kV试验回路均采用LC振荡回路组合的合成试验回路，如图4所示。其涌流源与图1一致，试验操作也与上述类似，当试品真空断路器SWtest通过涌流后，关合电压源隔离开关SWv和SWc，工频电流Is2通过试品；最后打开试品真空断路器SWtest，试品将承受等效直流容性恢复电压，如图5所示。
图2 合闸高频涌流典型波形
图3 7.2kV等级合成回路容性电流开断典型波形
图4 40.5kV等级电容器投切合成试验回路
图5 40.5kV等级合成回路容性电流开断典型波形
7.2kV真空灭弧室具体试验信息见表1。试验设置了0、2kA和5kA共3种不同幅值的高频涌流，其频率均为3800Hz。根据不同合闸涌流幅值，试验分为A、B和C共3个试验系列，每个试验系列采用3只真空灭弧室试品，每个试品需进行80次合分操作。
由于真空断路器在开断百安培量级的工频电流时具有老炼效应，为了防止老炼效应对研究目标的影响，本试验在工频开断电流有效值小于1A，燃弧时间接近0的苛刻条件下进行。
表1 7.2kV试验设置信息
表2 40.5kV试验设置信息
40.5kV真空灭弧室具体试验信息见表2。试验设置了4kA和5kA两种不同幅值的高频涌流，其频率均为4250Hz。试验分为E和F两个试验系列，每个试验系列采用2只真空灭弧室试品，每个试品需进行30次合分操作。
2 试验结果
2.1 合闸涌流对重击穿概率的影响
试验结果显示真空断路器投切电容器组出现的重击穿概率与合闸涌流密切相关，其重击穿概率会随高频涌流幅值的增加而显著上升，表3统计了不同高频涌流幅值作用下试品真空断路器的重击穿概率，具体如下：
1）7.2kV电压等级合成试验：
①在试验系列A中，没有合闸涌流的烧蚀破坏（合闸高频涌流幅值为0），3只试品真空断路器（VI_A1、VI_A2和VI_A3）重击穿概率分别为4%、3%和8%，其重击穿概率的平均值为5%；
②在试验系列B中，合闸涌流开始考核试品真空断路器（合闸涌流幅值为2kA），3只试品真空断路器（VI_B1、VI_B2和VI_B3）重击穿概率分别上升为14%、20%和20%，其重击穿概率的平均值达到18%，为试验系列A的3.9倍；
③在试验系列C中，合闸涌流幅值增加到5kA，3只试品真空断路器（VI_C1、VI_C2和VI_C3）重击穿概率进一步上升，分别为41%、29%和21%，其重击穿概率的平均值达到30%，为试验系列B的1.7倍。
2）40.5kV电压等级合成试验：
①在试验系列E中，合闸涌流幅值为4kA，两只试品真空断路器（VI_ E1和VI_E2）重击穿概率分别为3%和3%，其重击穿概率的平均值为3%；
②在试验系列F中，合闸涌流幅值增加了1kA，两只试品真空断路器（VI_F1和VI_F2）重击穿概率就随之上升，分别为27%和13%，其重击穿概率的平均值为20%，为试验系列E的6.1倍。
表3 重击穿概率统计
2.2 合闸涌流对重击穿发生时间的影响
真空断路器开断电容器组操作过程中，因恢复电压会持续施加于断口两端，这使弧后重击穿现象不仅会发生于恢复电压初始上升阶段，甚至会发生于百毫秒以后。图6给出真空断路器重击穿发生时间的分布规律，横坐标“0”表示容性电流被开断后恢复电压刚开始施加于试品真空断路器的瞬时时刻，T表示恢复电压的一个周期，即20ms。此外复燃为恢复电压1/4T内发生的击穿，重击穿为恢复电压1/4T以后发生的击穿。
图6 真空断路器重击穿发生时间分布（T=20ms恢复电压一个周期）
当高频涌流幅值为0，试品真空断路器重击穿发生时间基本分布于5T=100ms以后，仅有约18%的重击穿现象发生于1/2T=10ms到5T=100ms之间。此外还出现了1个复燃现象。
当高频涌流幅值为2kA，从图6中可以看出约79%的重击穿发生时间分布于100ms以后，约19%的重击穿时间分布于10～100ms之间。相比试验系列A，无论发生于100ms以后的重击穿，或者发生于10～100ms的重击穿，其重击穿数量显著增加，这与重击穿概率是相对应的。此外还有1个重击穿发生于恢复电压初始上升阶段，即1/4T到1/2T之间（5～10ms）。
当高频涌流幅值为5kA，重击穿发生时间开始明显提前，仅有约18%的重击穿发生时间分布于100ms以后。另外有约27%的重击穿发生时间分布于10～100ms间。重击穿发生时间主要分布于恢复电压初始上升阶段5～10ms，其数量占有55%左右。此外复燃现象也开始频繁出现。由此可知，随合闸高频涌流幅值的上升，重击穿发生时间也将显著提前。
2.3 触头表面分析
在试验系列A中，涌流幅值为0，这相当于空载关合的情况，因此触头表面无电烧蚀痕迹，仅有合闸机械磨损痕迹。
在试验系列B（涌流幅值为2kA）中，每个试品真空断路器的其中一个触头表面上会出现一个金属突起，并且在另一个触头表面上相对应的区域有一个凹陷的金属坑，如图7（a）所示。
这个现象说明试品真空断路器在关合高频涌流过程中，预击穿电弧仅在表面特定的区域内局部性地烧蚀触头表面，而这些被电弧烧蚀的区域会升温熔化，在动静触头关合时会形成熔焊；同时在两个触头再次打开时，熔焊区域被拉开后并发生破裂，一个触头表面出现了突起，另一个触头表面就留下了与之相对应的凹坑。
在试验系列C中，高频涌流幅值上升为5kA，可对比发现金属突起在高度和宽度上要明显大于在试验系列B中的金属突起；同时，与之对应的金属凹坑在深度和面积上也要明显大于在试验系列B中的触头表面金属凹坑，如图7（b）所示。
图7 真空断路器触头表面图
3 讨论分析
真空断路器关合电容器过程中，当施加于动静触头之间电场强度高于绝缘耐压强度时，合闸预击穿现象就会发生，一个高频涌流将通过真空断路器。其预击穿电弧会建立于动静触头表面之上，并局部性烧蚀触头表面，烧蚀区域将骤然升温并发生熔化，当动静触头闭合时，触头表面熔融区将发生熔焊。
在紧接着的真空断路器开断背靠背电容器过程中，触头表面熔焊区域将被拉开并发生破裂，遭受破坏的触头表面会严重影响真空断路器内部绝缘性能，同时真空断路器触头表面状况会随着合闸高频涌流施加次数的增加不断发生恶化。
当合闸涌流幅值增加时，合闸预击穿过程中预击穿电弧能量也随之上升，预击穿开距较大。这意味着合闸预击穿过程持续时间更长，直接注入触头表面的预击穿电弧能量也越大。因此高幅值的合闸高频涌流将给真空断路器带来更严重的熔焊，从而给触头表面带来更大的破坏。
另外触头熔焊区域的破裂可能会产生一定的金属微粒。由此，高幅值的合闸涌流作用下，触头表面会产生更大的破坏，这将直接影响触头间的绝缘耐压能力，从而引发更多的重击穿现象。
真空断路器触头间的电场强度是由U/d来决定的，其中U为施加于真空断路器触头两端的电压、d为触头开距以及为触头表面场致增强系数。场致增强系数是微观场致增强系数和宏观场致增强系数的乘积。
研究发现触头表面在合闸预击穿过程中会受到高频涌流的烧蚀破坏，产生金属突起和凹坑，具体如图7所示。这些宏观的烧蚀破坏作用将直接增大触头表面宏观场致增强系数βg，从而使得真空断路器触头间电场强度增大。
研究发现不同幅值的合闸高频涌流会影响真空断路器开断容性电流后的场致发射电流大小，并且高幅值的合闸涌流会使得场致发生电流增大。这与真空断路器触头表面状况是密切相关的，因为高幅值的合闸涌流会给触头表面带来更严重的破坏，如更大尺度的金属突起和凹坑。
此外，研究发现真空断路器开断容性电流后场致发射电流是不断变化的，在一些较高的场致发射电流值后面可能会发生重击穿现象，或者重击穿现象会在场致发射电流不断增加到某个数值后产生。这说明重击穿的发生与场致发射电流有着一定联系。
当合闸高频涌流幅值为0时，触头表面没有受到破坏影响，触头表面的场致发射电流值相对较低，重击穿发生时间基本大于100ms，这些重击穿现象可能主要由真空断路器内部微粒引发。
当合闸高频涌流幅值为2kA时，触头表面开始受到高频涌流的破坏作用，场致发射电流还是增加，重击穿数量也显著增加，重击穿开始发生于10ms与100ms之间。当合闸高频涌流幅值增大到5kA时，触头表面受到更为严重的破坏，即产生更大尺度的金属突起和凹坑，因此触头表面场致增强系数会相对明显上升，从而会引发更大的场致发射电流，这使得重击穿发生时间明显提前，并且复燃现象也开始频繁出现。
本文基于真空断路器投切电容器组合成试验回路平台，研究了高频涌流幅值对真空断路器投切电容器过程中预重击穿特性的影响。
研究结果如下：合闸涌流会局部性熔焊破坏触头表面，影响真空灭弧室绝缘耐压性能，随涌流幅值提升，破坏程度会加剧；当涌流幅值从0上升到5kA，7.2kV等级重击穿概率会从5%上升到30%；当涌流幅值从4kA上升到5kA，40.5kV等级重击穿概率会从3%上升到20%；合闸涌流也会影响重击穿发生时间，随合闸涌流幅值上升，重击穿发生时间显著提前，复燃现象也将频繁出现。