真空断路器投切电容器组的探讨

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1、真空断路器投切电容器组的探讨 电力系统的无功功率补偿对于提高电网电力系统的无功功率补偿对于提高电网功率因数，降低供、配电的线路损耗，具功率因数，降低供、配电的线路损耗，具有不可缺少的重要意义有不可缺少的重要意义 改善功率因素的几种方法：改善功率因素的几种方法： 发电机发无功发电机发无功 安装同步补偿机安装同步补偿机 安装电容器组安装电容器组一一 电力系统的无功补偿电力系统的无功补偿 真空断路器用于投切电容器组的优势真空断路器用于投切电容器组的优势真空断路器具有上万次的机械动作寿命；真空断路器具有上万次的机械动作寿命；真空断路器运行过程中真空灭弧室触头无真空断路器运行过程中真空灭弧室触头无 需维

2、护；需维护；受环境影响小且对环境无任何污染；受环境影响小且对环境无任何污染；真空灭弧室内部小开距能耐受高电压。真空灭弧室内部小开距能耐受高电压。 二 真空断路器投切电容器组的问题 投切电容器常见的投切电容器常见的3个问题个问题 1 合闸涌流合闸涌流 2 重燃重燃 3 非自持破坏性放电非自持破坏性放电 (NSDD) 1 合闸涌流 电容器组投入时的主要问题是涌流。涌流的频率较高，可达几百到几千赫兹，幅值比电容器正常工作电流大几倍至几十倍，衰减很快且持续时间很短，小于20ms。涌流过大可能造成断路器触头融焊、烧损，涌流产生的电动力可能会使零件损坏。合闸涌流对NSDD有一定的影响。 1-1）单组电容器

3、投入时的涌流 下左图是单组电容器的接线图，G为电源，T为变压器，电容器组C经过断路器CB3接在母线上。右图是计算涌流的等值电路图，LS为电源电感。mmmscccsPXIIIPXscocsPXfffPX(a)接线图 (b)等值电路图单组电容器接线图XS为电源每相的短路感抗。 XC为电容器组每相的容抗 1-2）背靠背电容器组投入时的涌流）背靠背电容器组投入时的涌流 下左图是n组电容器的接线图，G为电源，T为变压器，电容器组C经过断路器CB接在母线上。右图是等效图，LS电源电感，L电容组安装电感。(a)接线图 (b)等值电路图 背靠背电容器组接线图 1mmcUnInL C122oofLC涌流的峰值：

4、 涌流的频率： 由于L远比单组电容器投入时的小，因此背靠背电容器组投入时的涌流比单组时大了很多，涌流的频率也很高。 试验电压KV电容电流A涌流最大涌流值KA涌流频率KH12100（背）6.14.1400（背）12.22630(单)5.10.324160(单)2.61.7400(单)3.30.7540.5160(单)3.71.6630(单)4.33合闸涌流表2 开断三相电容器组的恢复电压开断三相电容器组的恢复电压 2-1三相电容器组(中性点接地)开断时恢复电压 (a)三相电容器组中性点接地接线 (b)开断单相电容器组电路 开断三相电容器组（中性点接地）图中电源按正弦变化，C为电容器，L为断路器C

5、B负载电感(连线电感或串联电感)。 下图是开断单相电容性电路时的典型波形图。 (a)开断过程中电流、电压的波形(b)断路器恢复电压波形 开断三相电容器组(中性点接地) 恢复电压波形图 弧隙击穿时刻电容器电流、电压波形 2-2 三相电容器组(中性点不接地)开断时恢复电压 开断三相电容器组（中性点不接地） 开断三相电容器组(中性点不接地) 恢复电压波形图 断路器各相触头的恢复电压最大值UtrmA相：恢复电压最大值UtrmA=2.5UmC相：恢复电压最大值UtrmC=-1.87UmB相：恢复电压最大值UtrmB=1.87Um3 真空开关投切电容器组时发生重燃现象的特点及原因分析真空开关投切电容器组时

6、发生重燃现象的特点及原因分析 3-1 特点特点 1）重燃现象的出现有很大的偶然性和随机性）重燃现象的出现有很大的偶然性和随机性; 2）重燃现象往往出现在电流开断后）重燃现象往往出现在电流开断后40100多多ms之间之间 3-2重燃原因分析重燃原因分析 3-2-1真空开关灭弧后的电压耐受能力真空开关灭弧后的电压耐受能力 12KV -24.3KV(19.5) 24KV -48.6KV(39) 40.5KV -82.5KV(66) 1）真空灭弧室的电压耐受能力）真空灭弧室的电压耐受能力 2）真空开关分闸运动的适时性）真空开关分闸运动的适时性 3-2-2微粒击穿微粒击穿 由于制造的原因，在真空灭弧室内

7、有各种微粒由于制造的原因，在真空灭弧室内有各种微粒 ，如果电场足够强，如果电场足够强，微粒的直径和质量又合适，在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大微粒的直径和质量又合适，在穿过间隙到达另一电极时已经具有很大的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身蒸发变的动能，在与另一电极碰撞时，动能转变为热能，使微粒本身蒸发变成蒸汽扩散，使局部的粒子密度迅速变大，这些粒子又与场致发射的成蒸汽扩散，使局部的粒子密度迅速变大，这些粒子又与场致发射的电子电子产生碰撞游离，最终导致间隙的放电击穿。产生碰撞游离，最终导致间隙的放电击穿。 1)从大量的试验统计资料来看，不同生产厂家生产的真空灭弧室发生从大量

8、的试验统计资料来看，不同生产厂家生产的真空灭弧室发生重燃的概率不同，有时甚至有较大的差距，这是由于真空开关的重燃重燃的概率不同，有时甚至有较大的差距，这是由于真空开关的重燃率与真空灭弧室的生产厂家或工艺有一定的关系，不同的生产厂家其率与真空灭弧室的生产厂家或工艺有一定的关系，不同的生产厂家其生产工艺过程存在一定的差异，在生产过程中的工艺控制也有所不同，生产工艺过程存在一定的差异，在生产过程中的工艺控制也有所不同，因此也造成带进灭弧室内的微粒数量有较大的差异，这必然对试验的因此也造成带进灭弧室内的微粒数量有较大的差异，这必然对试验的统计结果产生明显的影响。统计结果产生明显的影响。 2)在大量的试

9、验中也发现断路器的分合闸速度对试验结果有影响，在大量的试验中也发现断路器的分合闸速度对试验结果有影响，因为分闸速度太大将会产生较大的分闸弹振，合闸速度太大将会因为分闸速度太大将会产生较大的分闸弹振，合闸速度太大将会产生较大的合闸弹跳，这些操作都将会使灭弧室内的微粒由粘附产生较大的合闸弹跳，这些操作都将会使灭弧室内的微粒由粘附性的变成运动性的，将导致在试验过程中的重击穿发生。性的变成运动性的，将导致在试验过程中的重击穿发生。 3)在试验中发现重击穿概率随着投切次数的增加而减少，在投切在试验中发现重击穿概率随着投切次数的增加而减少，在投切初始的几次，出现重击穿的概率较大，随着投切次数的增加重击初始

10、的几次，出现重击穿的概率较大，随着投切次数的增加重击穿的概率明显减少。这是管子内部可活动性的杂质微粒被烧掉，穿的概率明显减少。这是管子内部可活动性的杂质微粒被烧掉，微粒数目逐步减少之缘故。微粒数目逐步减少之缘故。 4 ) 某电力试验研究所为了寻找真空断路器投切电容器组时发生某电力试验研究所为了寻找真空断路器投切电容器组时发生重燃甚至电容器组发生爆炸的原因，把重燃甚至电容器组发生爆炸的原因，把5组不同批号的普通型或高组不同批号的普通型或高洁净度型的真空灭弧室作为样品，按先后次序安装于同一组真空洁净度型的真空灭弧室作为样品，按先后次序安装于同一组真空断路器上进行投切同一组电容器组试验，并每次更换灭

11、弧室后均断路器上进行投切同一组电容器组试验，并每次更换灭弧室后均保证真空断路器机械特性参数前后一致，结果证明真空灭弧室内保证真空断路器机械特性参数前后一致，结果证明真空灭弧室内部洁净度是影响真空断路器投切电容器组重击穿率的重要因素。部洁净度是影响真空断路器投切电容器组重击穿率的重要因素。 4-2-3合闸涌流合闸涌流关合涌流所产生的预击穿电弧能量的大小直接影响着关合涌流所产生的预击穿电弧能量的大小直接影响着NSDD的的现象。现象。其原因是在关合电容器组尤其是背靠背电容器组时会产生高频率，高其原因是在关合电容器组尤其是背靠背电容器组时会产生高频率，高幅值的涌流，触头间的预击穿电弧能量十分高，足以熔

12、化触头表面的幅值的涌流，触头间的预击穿电弧能量十分高，足以熔化触头表面的部分材料。触头在闭合时就会发生熔焊，等到涌流过后熔焊区就会冷部分材料。触头在闭合时就会发生熔焊，等到涌流过后熔焊区就会冷却，当开断电容器组，触头熔焊区就会破裂，从而高却，当开断电容器组，触头熔焊区就会破裂，从而高的区域就会形成，的区域就会形成，这些区域就成了强电子发射点。由上述分析可得开断电容器后，出现这些区域就成了强电子发射点。由上述分析可得开断电容器后，出现的的NSDD现象主要由的主要原因可能是微放电或者微粒的作用。电子现象主要由的主要原因可能是微放电或者微粒的作用。电子发射造成的。发射造成的。3 NSDD非自持破坏性

13、放电非自持破坏性放电真空断路器开断电容器组后，触头两端会承受一个恢复电压的作用。在开断电流过零后的几十毫秒甚至于到数秒以后，触头间隙仍可能发生重击穿以致电力线路产生过电压，这种延时重击穿就称为非自持破坏性放电现象，简称NSDD。导致触头间隙发生延时重击穿的主要原因可能是微放电或者微粒的作用。在Juhsasz等人在开断电容器组实验中观察到真空断路器触头间隙存在0.18mA 的发射电流。而且他们得出重击穿发生的概率与关合电容器组产生的预击穿电弧能量有很密切的关系。关合涌流所产生的预击穿电弧能量的大小直接影响着NSDD现象。其原因是在关合电容器组尤其是背靠背电容器组时会产生高频率，高幅值的涌流，触头

14、间的预击穿电弧能量十分高，足以熔化触头表面的部分材料。触头在闭合时就会发生熔焊，等到涌流过后熔焊区就会冷却，当开断电容器组，触头熔焊区就会破裂，从而高的区域就会形成，这些区域就成了强电子发射点。开断电容器后，出现的NSDD现象主要是由电子发射造成的。三 提高真空断路器投切电容器组的成功率 1 提高真空灭弧室的耐压能力 真空灭弧室作为真空断路器的“心脏”，对于能否成功投切电容器组也起着重要的作用。那么如何提高真空开关投切电容器组的能力，是我们灭弧室生产厂家需要认真研究的问题。 R触头（平面、凹凸、球面及球形）与其它触头比具有灭弧室动、静电极间电场分布均匀，耐电压能力强的优点。2 控制灭弧室生产过

15、程 2-1)在金属零件的加工过程中，尽量避免和祛除干净零件的毛刺;高零件表面质量，保证零件的表面光洁度。 2-2)在整管装配前坚持对部件进行有效的超声波超声波清洗，可以取得明显的效果;不断改进清洗工艺，使灭弧室内的微粒通过清洗尽量祛除干净。 2-3)在生产过程中，保持良好的真空卫生和工作习惯，有效控制操作间内的空气湿度和空气中悬浮微粒的数量。 2-4)科学组织生产，使灭弧室的部件或触头加工出来后尽量减少存放时间，及时装配进炉，减少零部件氧化、污染的几率。3 提高断路器的设计质量和装配质量，控制其机械运动特性参数在合理的范围内。 3-1) 断路器的设计应该合理，能够保证灭弧室动导电杆安装对正垂直

16、，并易于对其进行调整。 3-2) 断路器的装配质量应该得到可靠的测量和良好的控制，操动机构的合闸输出功与分闸输出功比较合适，其分、合闸速度应该调整在合理的范围内，使分闸弹振和合闸弹跳尽可能小。 3-3) 有时候虽然断路器已经定型，操动机构的输出功率也一定，其它装配状态良好，因此对断路器的零件或配件的质量控制就显得非常重要，必须将断路器各项参数都调整到理想状态才可以投入使用或进行试验。 3-4) 真空开关在装配完成后进行一定次数的空载操作，可以稳定开关的机械参数;并对开关整体进行适当的电压和电流老练，可以减少灭弧室内新产生的毛刺，降低真空断路器投切电容器组的重燃率。 3-5)真空开关在装配完成后

17、进行一定次数的空载操作，可以稳定开 关的机械参数;并对开关整体进行适当的电压和电流老练，可以减少弧室内新产生的毛刺，降低真空断路器投切电容器组的重燃率。进行并联电容老炼，可以迅速明显提高产品的耐压能力。 4 双动式真空断路器 真空断路器切电容时的真空断口的电压 真空断路器开断后到断口承受2Um电压的时间为13ms，断口必须在此之前能达到安全的开距。 因此，对真空断路器的分 闸速度有一个要求。 12kv 1.013=1310 24kv 1.113=14.3 12 40.5kv 1.413=18.2 20 双动式真空断路器的原理如右图示。常规的真空断路器的分闸曲线如右下图所示。由于动触头在分闸的起

18、始时在静止状态，在曲线的刚分阶段1-3ms触头才运动了0.5mm，影响速度。双动式真空断路器在动、静触头分离前，在释放触头压簧的作用下动触头已获得速度。因此分闸曲线的起始比较陡。双动式真空断路器有以下优点：4-1 提高了初分速度，容易保证在分闸后13ms内断口间的耐压达到要求。试验证明没有10ms内的重燃。4-2 合闸弹跳小，40.5kV真空断路器的弹跳很容易满足2ms的要求。5 选相式真空断路器在前面分析投切电容器组最大的问题是合闸涌流合分闸重燃。这两个问题可分别通过真空断路器选相投入和分闸切断来解决。开关的合闸时间选在电压过零点，此时可使合闸涌流不超过额定电流的1.5倍。开关的合闸时间选在

19、电流过零前大于5ms的地方。确保开关在断口电压到达最大值时，灭弧室的开距有足够的具离。我公司在40.5kv合12kv两个等级分别做了选相式投切电容器组的试验，有很好的效果。右图是61095真空灭弧室在投切电容器组后的解剖照片。选相式真空断路器投切电容中合闸涌流不附合目前标准。6 双断口真空断路器真空断口可以多断口串联使用，有研究提出了多断口真空开关击穿电压增益的概念，理论推导得到了多断口真空开关相对于单断口真空开关的击穿电压增益倍数：)1 (glesinnUUKnn00.20.40.60.8112345单断口双断口 下图是真空双断口的静态击穿统计分布曲线 F 采用双（多）断口技术有以下优点 1

20、）静态耐压提高： 2）重击穿概率得到很大改善； 3）开关操动机构的操作功不增加； 4）有利于真空灭弧室的小型化 双（多）断口技术要求断口的机械特性一致性较高。 双（多）断口技术对真空断路器应用于高压领域有较好的前景。 7 切电容真空断路器的老炼切电容真空断路器的老炼 真空灭弧室只造工艺中常用的高压小电流、低压大电真空灭弧室只造工艺中常用的高压小电流、低压大电流、冲击电压等老炼方法来降低真空断路器切电容重燃流、冲击电压等老炼方法来降低真空断路器切电容重燃作用不明显。作用不明显。 采用高压大电流单相老炼法对提高真空断路器切电容采用高压大电流单相老炼法对提高真空断路器切电容组的性能有一定的作用同时还

21、考核了断路器投切电容器组的性能有一定的作用同时还考核了断路器投切电容器组的性能。组的性能。 目前常用合成回路试验法来老炼真空断路器的投切电目前常用合成回路试验法来老炼真空断路器的投切电容器组。容器组。图 含涌流回路且变压器直接提供电流的合成回路 图 含涌流合成回路的仿真时序 小结小结 在提高真空断路器投切电容器组的成功率过程中在提高真空断路器投切电容器组的成功率过程中 1）生产过程中的工艺控制是基础；是必要条件。要有深刻认识。）生产过程中的工艺控制是基础；是必要条件。要有深刻认识。 2）重燃和）重燃和NSDD在性质上有相近的地方，但在质量上有很大的差异。在性质上有相近的地方，但在质量上有很大的差异。 3）合闸涌流对切电容有重大的影响，不仅造成触头熔焊，还会对）合闸涌流对切电容有重大的影响，不仅造成触头熔焊，还会对 NSDD产生影响。产生影响。 4）R触头、双动真空断路器、选相真空断路器在投切电容器组中得触头、双动真空断路器、选相真空断路器在投切电容器组中得 到应用，今后要进一部找出它的必然性。到应用，今后要进一部找出它的必然性。 5）要关注多断口真空断路器的研究。）要关注多断口真空断路器的研究。 用心做好每一只灭弧室