陕西宝光真空电器股份有限公司 陕西宝鸡 721006
摘要：投切电容器组是真空开关面临的难点之一，这是由于在真空开关合闸过程中将产生涌流，涌流电流很大，频率也很高，会严重烧蚀触头，影响开关在分闸时电弧熄灭后耐受恢复电压的能力。本文分析了投切电容器组简化电路，分析了涌流的大小，结合最新的容性关合涌流研究成果，提出了提高真空开关投切电容器组成功率的建议。
关键词：真空开关，电容器，合闸涌流
0、引言
由于电路无功补偿的需要，电容器组需在合适的时机将投入电路或者从电路中切除。这是因为电容器组投入电路之后会产容性无功功率，将与电路中感性负载如电动机等产生的感性无功功率中和，从而提高电路整体的功率因数，有效低利用发电、变电及输电设备。由于真空开关具有绝缘性能好、开断能力强、环境友好、免维护等优点，真空开关在中压领域得到广泛应用，在投切电容器组场合也有很多应用。
然而，根据对大量真空断路器投切电容器组试验结果的统计分析表明：国内的 12 kV 真空断路器的重击穿概率为 1%~2%，而 40.5 kV 真空断路器的重击穿概率则达到 2.6%~6%[1] [2]。而在开断电容器组时，重击穿或重燃有可能会引起高达系统相电压5倍的过电压，可能会导致电容器爆炸，造成很大的事故[3]。因此，研究开发低重击穿概率的投切电容器组真空开关已经成为研究真空开关的研究热点和难点。本文详细分析了真空开关投切电容器组的暂态过程，并计算了开关合闸过程的涌流和分闸过程的瞬态恢复电压大小，结合最新的容性关合涌流研究成果，提出投切电容器组对于真空开关特别是真空灭弧室的要求。
1、投切电容器组电路暂态过程
1.1 单个电容器组
图1为简化的单个电容器组的情况，其中Ls为电源侧线路电感，Lc为电容侧线路电感，C为电容器组。开关合闸时，电路相当于一个简单的LC电路，流过开关的电流i与电容C和电感L=（Ls+Lc）相关。
开关合闸时，当触头间隙小到一定程度，触头间隙将发生击穿，电流将沿击穿通道流过触头间隙，此时电流的最大值等于零时刻的电容电流，称为涌流。涌流过大时将严重烧蚀触头，导致触头表面熔焊，分闸时将在触头熔焊处产生毛刺，降低触头间隙的耐压强度。
图3. 背靠背电容器组简化电路
关合背靠背电容器组时的等效电感L小于关合单个电容器组时的等效电感；关合背靠背电容器组时的等效电容C大于关合单个电容器组时的等效电容。从涌流峰值ipeak和涌流频率f0的表达式可以看出，关合背靠背电容器组时的涌流和频率将远大于关合单个电容器组时的对应值。
2、容性关合涌流的研究进展
2.1 容性关合涌流对场致发射电流的影响
德国达姆斯塔特大学的M. Koochack Zadeh等[5]研究了真空开关关合电容器组时的涌流对应真空开关开断的影响，并测量了关合涌流后场致发射电流的变化。
研究结果表明，涌流幅值对于场致发射电流有较大的影响，关合涌流较大将导致开断时出现较大的场致发射电流。同时，也研究了基于场致发射电流的重击穿现象，在商用真空灭弧室上没有发现重击穿现象，但是当场致发射电流大于500uA时在不合格的真空灭弧室上出现了重击穿。
可以看出，关合电容器组过程产生的涌流影响真空开关开断的成功率。
2.2 容性关合涌流对场致发射电流的影响
西安交通大学的余永祥和耿云等也研究[6][7][8]了合闸涌流对于容性开断过程中的场致发射电流的影响，并还对不同触头材料和不同电极结构的真空灭弧室的关合涌流特性进行了较为系统的研究。
研究结果表明，涌流幅值和涌流作用次数对于开断过程的场致发射电流影响明显，更高的涌流幅值和更多的作用次数对应更高的场致发射电流。此外，在工频电压下测得的场致发射电流是不对称的，这是由于合闸涌流对于触头表面的不对称破坏导致的。
比较了平板触头和杯状纵磁触头真空灭弧室的合闸涌流特性，杯状纵磁触头的涌流预击穿开距大于平板触头，这是由于触头表面开槽的影响。当涌流达到20kA时，杯状纵磁触头的熔焊力小于平板触头的熔焊力。此外，当涌流幅值较大时，电弧将在纵向磁场作用下从集聚态变为扩散态。相同的老炼条件下，采用WCu10材料触头的预击穿开距小于采用CuCr50材料触头。
3、结论
合闸涌流严重影响真空灭弧室触头表面状态，最终影响真空开关投切电容器组的成功率。为了有效提高真空开关投切电容器组的成功率，可以对真空开关采取下述改进措施：第一、采用抗熔焊的触头材料。抗熔焊的触头材料可以有效的减小合闸涌流的影响；第二、增大触头开距。增大开距能够有效降低触头间的电场强度，从而减小场致发射电流；第三、采用相控合分闸技术。真空开关在电源电压过零时合闸，则对应的合闸涌流处于最小值。
参考文献
[1] 李电，金百荣等. 真空断路器投切电容器组性能的现状与对策[J]．高压电器，2003，39（5）：44-46.
[2] 李电．35 kV真空断路器投切电容器组早期重击穿率的研究[J]．高电压技术，2002，28（9）：22-23.
[3] 田友元. 并联电容器的操作过电压问题. [J]电力电容器，1995（4）：28-34.
[4] 刘志远，杨和. 真空开关的电容器组投切. 2012输变电年会，2012，52-58.
[5] M. Koochack Zadeh，The Impact of Capacitor Bank Inrush Current on Field Emission Current in Vacuum. XXIVth Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，2010，210-213.
[6] 余勇祥. The Impact of Inrush Current on Field Emission Current of Vacuum Interrupters during Capacitive Current Switching，XXVI Int. Symp. on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，2014.
[7] 耿云，余勇祥. Inrush Current Arc Characteristics In Vacuum Interrupters With Axial Magnetic Field Contact And Butt-Type Contact，3rd International Conference on Electric Power Equipment - Switching Technology（ICEPE-ST），2015.
论文作者:冯卫刚,张亚丽,李宁
论文发表刊物:《电力技术》2016年第11期
论文发表时间:2017/3/2
标签：电容器论文; 触头论文; 电流论文; 真空开关论文; 熔焊论文; 电路论文; 真空论文; 《电力技术》2016年第11期论文;