[转贴]：真空断路器投切电容器组性能现状与对策

sudan2008

摘 要 根据真空断路器投切电容器组型式试验与老炼试验情况总结，分析了影响重燃的因素及重燃率上升原因，提出降低的方法和对策。
　　关键词 真空断路器 投切 电容器组 重燃
　　0 前言
　　 真空断路器具有体积小、灭弧性能好、寿命长、维护量小、使用安全等优点，在中压系统及配电电网中应用日益广泛。特别是由于其适合频繁操作的特点，在并联电容器补偿装置中基本采用真空断路器来投切电容器组。
　　众所周知，不同与其他负载，开断电容器组等容性负载时，由于电容器存在残余充电电荷，在断路器断口会出现含直流分量的较高恢复过电压。真空断路器投切电容器组的大量试验研究表明，真空断路器存在弧后延时重击穿并能高频熄弧的特殊现象，即重燃现象。一旦发生重燃，会产生高幅值的重燃过电压，特别是多次重燃或多相重燃，其过电压严重威胁并补装置和系统安全。因此对于投切电容器组的真空断路器要求无重燃或低重燃率，国家相应制定有GB7675-87《交流高压断路器的开合电容器组试验》标准，专门用于考核投切电容器组的断路器性能（必须不发生重燃）。系统试验站作为国电公司无功补偿成套装置质检中心，长期从事以真空断路器为主的开合电容器组质检试验、研究，积累了大量数据及丰富经验，通过分析近几年试验情况发现，真空断路器投切电容器组的性能近几年出现滑坡现象，应引起各方面的足够重视。
　　 1 性能现状
　　 我国从六十开始研究真空断路器, 到七十年正式提供产品在现场试运行, 于八十年代开始实用化，但在性能上与国外产品相差甚远。通过引进技术，加快了我国真空断路器的发展，至九十年代，制造技术日趋成熟,开始进入大规模生产阶段, 产品的种类开始增加, 技术指标不断提高, 可靠性基本得到保证。
　　10kV真空断路器及灭弧室的制造技术国内在九十年代初完全掌握，产品质量趋于稳定可靠，规格日益丰富、齐全，不但广泛应用于并联电容器组的投切，并已基本取代油断路器成为10kV配电网主力。目前国产10kV真空断路器投切电容器组重燃率基本稳定在1.0%左右，质量好的厂家可以做到0.5%以下，已基本满足投切电容器组的低重燃率要求，与国外产品0.1%左右的重燃率相比仍稍有差距，且近几年来进展不大，部分制造厂产品质量甚至出现下滑，重燃率明显上升。
　　35kV真空断路器由于工艺要求更高，制造难度更大，其发展速度及质量均落后于10kV断路器，进展较为困难。具体表现为重燃率很高，一般在5%以上，操作机构不可靠。进入九十年代后期，通过制造厂家的不断努力，产品质量逐渐提高，性能趋于稳定，操作机构可靠性也大大提高，重燃率下降，02年降至2.6%，进步明显。但与采用进口灭弧室1.0%左右重燃率相比，仍显不足，与投切电容器组的低重燃率要求差距仍较大。
　　随着市场的扩大及日益开放，进口及合资品牌的真空灭弧室、断路器大量增加，国内制造厂家面临日益严重的竞争与挑战。
　　 2 型式试验状况
　　 绍兴电力局系统试验站于七十年代未就开始从事用于切合电容器组的真空断路器试验研究，于90年开始从事断路器投切电容器组型式质检试验。表1是近年来10kV真空断路器开合电容器组型式试验一次性通过的情况，可以看出一次性通过率比较低，原因在于某些制造厂技术力量不够，对真空断路器切合电容器组的特殊性认识不足，选用的真空灭弧室质量不佳或机构调整不良所致。
　　表1 10kV真空断路器型式试验一次性通过的情况
　　 年 份 97 98 99 00 01 02
　　10kV 试验试品台数 10 13 5 16 6 7
　　一次性通过率 80% 76.9% 80% 75% 66.7% 57.1%
　　35kV 试验试品台数 3 3 4 9 4 3
　　一次性通过率 33.3% 33.3% 25% 44.4% 50% 33.3%
　　
　　注：试验中如出现重燃则判定为不合格，必须更换灭弧室及调整机构后才允许继续进行，该试品判为非一次性通过。
　　 3 老炼试验状况
　　 为了改善真空断路器投切电容器组的抗重燃性能，除了提高真空灭弧室、断路器制造质量外，对真空断路器进行老炼处理，是一项降低真空断路器早期重燃率高的有效措施[2]。表2是近年来真空断路器投切电容器组老炼试验结果汇总，试验情况更加全面真实地反映了用于投切电容器组的真空断路器性能状况。
　　表2 真空断路器历年老炼试验结果汇总
　　 年 份 00 01 02
　　10kV 试验试品台数 62 90 74
　　重 燃 率 0.39% 1.13% 1.91%
　　35kV 试验试品台数 11 24 17
　　重 燃 率 2.81%* 7.16% 2.60%
　　
　　注：1. 10kV真空断路器按前30次出现重燃次数统计。
　　2. 35kV真空断路器按前60次出现重燃次数统计。
　　* 该统计值中主要是进口灭弧室，国产灭弧室高达15.8％。
　　从表2可以看出，10kV真空断路器从01年来重燃率呈上升趋势，经分析认为原因不在于技术因素而在于成本、人为因素。主要是制造厂众多，竞争日益激烈，加上电力部门物资采购普遍采用招投标方式，为降低成本，压低报价，一些制造厂不惜采用质次价廉的部件，造成部分厂家的10kV真空断路器质量下降，重燃率明显上升，个别产品重燃率极高，甚至连续发生2相、3相多次重燃，无法通过老炼试验。有的产品在试验中出现绝缘拉杆、支撑件断裂，甚至在正常操作时外绝缘击穿等现象，至于出现机构故障或调整不良则屡见不鲜。有不少产品（灭弧室或断路器）从未进行过投切电容器组型式鉴定试验，其投切电容器组性能是无法得到保证的。
　　相对于10kV断路器，35kV真空断路器重燃率明显较高，主要原因在于核心部件真空灭弧室制造质量仍未取得突破，但近几年进步明显，操作机构可靠提高，重燃率下降，02年已降至2.6%，为历年来最好水平。
　　 4 原因及对策
　　 真空断路器发生重燃即真空绝缘破坏的机理主要是场致发射和微粒碰撞引起的击穿及真空度下降。真空灭弧室在加工、装配过程中，在其电极表面上一般存在毛刺、凸起、微粒及各种污物，由于触头间距较小，当极间恢复电压较大时，这些毛刺、凸起及微粒部分电场较强，引起强场放射，造成很大的电流密度，导致电极局部过热，金属气化破坏真空，导致间隙击穿。其次，在真空开关开断电流的动态过程中，在强烈的机械震动应力作用下，引起这些微粒脱离触头表面，被电场加速，轰击对面电极，使电极局部气化，导致真空击穿。
　　虽然真空断路器比其他种类断路器具有较好的开断容性负载的能力，但由于真空间隙耐压强度不稳定及直流耐压水平较低，而开断容性负载时恢复电压较开断其他负载高且存在较大直流分量，因此真空断路器应用于投切电容器组时在运行早期表现为存在一定的重燃几率。其重燃率同触头材料、触头表面的光洁度及清洁度、断路器机械特性等诸多因素相关，分散性很大。
　　真空断路器主要由真空灭弧室和操动机构两大部分组成，每一部分性能的优劣都会影响到断路器整机的性能。根据系统试验站长期来对真空断路器投切电容器组抗重燃率考核试验及研究，认为真空断路器投切电容器组性能首先取决于真空灭弧室的制造质量，其次同所配断路器的机械特性也密切相关。因此要提高真空断路器投切电容器组性能必须从提高真空灭弧室制造质量及改善所配断路器机械特性两方面入手。
　　4.1 真空灭弧室
　　真空灭弧室是真空断路器的关键部件, 对断路器的性能起着至关重要的作用。表3为系统试验站对采用国产及进口灭弧室的国产真空断路器老炼试验重燃情况比较统计，可以看出，同样的断路器制造技术，采用不同的灭弧室（进口及国产），重燃率存在明显的差距，这充分说明了真空灭弧室的制造质量对真空断路器投切电容器组性能起着决定性的作用。只有从根本上提高灭弧室制造质量，投切电容器组性能才能取得突破。
　　表3 1997至2001年10kV真空断路器采用国产及进口灭弧室老炼重燃率比较
　　灭弧室 试验台数（台） 重燃率（%）
　　进口 36 0.16
　　国产 805 1.05
　　
　　注：采用单相回路老炼法
　　影响真空灭弧室性能的主要因素包括触头表面的清洁度及光洁度、真空度、触头材料等，通过分析发现，同一制造厂生产的同型号灭弧室，不同时期产品其重燃率起伏较大，说明在现有制造技术水平条件下，提高灭弧室制造质量的关键在与对所用原材料质量的严格把关及对制造工艺流程的严格质量控制。
　　4.2 真空断路器机械特性
　　除真空灭弧室制造质量外，所配断路器的机械特性对投切电容器组时的重燃率同样有重大的影响。具体表现为，采用同一制造厂家生产的同型真空灭弧室，不同断路器制造厂生产的真空断路器，其重燃率有明显的差别，甚至采用同一制造厂提供的断路器配件进行组装，由于组装质量及对机构调整存在差别，其重燃率同样有明显差别。表3列出了采用相同灭弧室不同厂家生产的断路器老炼试验重燃率差别比较，从中可以看出，不同的制造厂家，虽然使用相同的灭弧室，但由于最终产品表现出的机械特性不同，其重燃率也表现出明显的不同，充分说明了断路器机械特性对重燃率的影响。
　　 表4 采用相同灭弧室不同厂家生产的断路器老炼试验重燃率比较
　　 试验台数（台） 重燃率（%）
　　制造厂A 4 0.00
　　制造厂B 9 0.58
　　制造厂C 5 0.62
　　制造厂D 256 1.23
　　制造厂E 8 1.34
　　制造厂F 35 1.73
　　
　　注：1.采用1997年宇光电工厂ZMD11-10/1250-31.5B型灭弧室，断路器型号均为ZN28A型
　　2.采用单相回路老炼法
　　其次，同一断路器制造厂同一批次的真空断路器，由于机构调整存在差别，其重燃率也有明显的差别，个别产品甚至连续重燃，无法通过老炼及抗重燃考核试验，通过对机构进行适当调整或更换合格的缓冲器等措施，重燃率大幅度降低并通过考核试验，这从另一方面也说明了断路器机械特性对重燃率的影响。
　　真空断路器的机械特性包括触头开距、接触行程（超行程）、分合闸速度、分合闸同期性、分闸缓冲、操作机构性能的稳定性等诸多方面，必须进行综合调整，才能使其机械特性与灭弧室保持最佳匹配。
　　真空断路器用于投切电容器组时，对分闸反弹极为敏感。由于其开距较小，分闸速度又相对较大,一旦引起分闸反弹，将使触头有效开距明显变小，由于切合电容器组时断口间的恢复电压又很高, 因此极易造成断路器重击穿，一般反弹超标的断路器重燃率均很高，很难通过抗重燃率考核。因此真空开关一般应设置良好的缓冲装置，以吸收剩余的机械能。对缓冲强度必须合理控制。制造厂及用户由于分闸缓冲影响不良造成对投切电容器组性能的影响认识不足，且对缓冲器的强度很难把握，从而影响了断路器性能。由于分闸反弹在工作现场难以测量，必须在出厂时保证调整良好，但即使是制造厂有相当一部分也不具备测试条件，其质量也相应难以保证。
　　4.3 老炼处理
　　由于真空断路器开断电容器组重击穿会产生严重的重燃过电压，严重影响并补装置及电网的安全可靠运行。如前所述，虽然各制造厂通过努力，使重击穿率有所降低，但从系统试验站近几年的试验情况来看仍不容乐观，各制造厂家产品质量参差不齐，个别产品重燃率达10％以上，特别是35kV断路器，重燃率仍保持在较高的水平。为使大幅度降低真空断路器投切电容器组时的重燃现象，使之在投入运行时就进入低重燃率或无重击穿的稳定工作状态，我们认为，对用于投切电容器组的真空断路器特别是35kV真空断路器在运行前进行“老炼”处理是必要的，浙江省通过系统试验站普遍对用于投切电容器组的真空断路器进行老炼处理，实践证明对保障浙江省并补装置的安全可靠运行起到了良好的效果。
　　制造部门根据自己行业的特点, 常采用高压小电流、低压大电流、直流老炼法等法对真空灭弧室进行预老炼，但效果不尽理想。系统试验站采用高电压、大电流同时作用下的单相回路老炼试验方法对10kV真空断路器进行老炼处理，对降低真空开关重燃率取得了显著的成效。
　　对于35kV真空开关，由于试验电压较高，采用单相合成回路技术进行老炼，并与高压大电流单相老炼法进行等价性对比试验，取得了满意的效果[1]。96年合成回路试验技术装置获得国家专利技术，并获96年度国家专利技术银奖。
　　为评价老炼效果，系统试验站对11台通过单相回路老炼的真空开关进行了现场试验验证，共进行了750相次操作，均未出现重燃现象。10多年来经单相回路老炼及抗重燃考核的真空断路器, 投入运行至今均未出现异常情况, 这充分表明单相老炼效果十分显著。
　　 5 结束语
　　 真空断路器在我国发展、应用迅速，但基础薄弱，特别是对投切电容器组性能重视、研究不够，与运行性能要求存在一定差距，其中尤以35kV产品差距较大，10kV产品近几年质量甚至出现滑坡，应引起真空灭弧室、断路器制造厂家及电力部门用户的足够重视。制造厂应加强质量意识，在吸收国外先进经验的同时，加强工艺流程质量控制，提高产品质量，以满足电网对真空断路器投切电容器组无重燃的要求。电力部门在选购产品时，在保证产品质量与降低采购成本之间应选取合理的平衡点。