試驗(yàn)結(jié)果顯示真空斷路器投切電容器組出現(xiàn)的重?fù)舸└怕逝c合閘涌流密切相關(guān)，其重?fù)舸└怕蕰?huì)隨高頻涌流幅值的增加而顯著上升，表3統(tǒng)計(jì)了不同高頻涌流幅值作用下試品真空斷路器的重?fù)舸└怕剩唧w如下：

1）7.2kV電壓等級(jí)合成試驗(yàn)：

• ①在試驗(yàn)系列A中，沒有合閘涌流的燒蝕破壞（合閘高頻涌流幅值為0），3只試品真空斷路器（VI_A1、VI_A2和VI_A3）重?fù)舸└怕史謩e為4%、3%和8%，其重?fù)舸└怕实钠骄禐?%；

• ②在試驗(yàn)系列B中，合閘涌流開始考核試品真空斷路器（合閘涌流幅值為2kA），3只試品真空斷路器（VI_B1、VI_B2和VI_B3）重?fù)舸└怕史謩e上升為14%、20%和20%，其重?fù)舸└怕实钠骄颠_(dá)到18%，為試驗(yàn)系列A的3.9倍；
• ③在試驗(yàn)系列C中，合閘涌流幅值增加到5kA，3只試品真空斷路器（VI_C1、VI_C2和VI_C3）重?fù)舸└怕蔬M(jìn)一步上升，分別為41%、29%和21%，其重?fù)舸└怕实钠骄颠_(dá)到30%，為試驗(yàn)系列B的1.7倍。

2）40.5kV電壓等級(jí)合成試驗(yàn)：

• ①在試驗(yàn)系列E中，合閘涌流幅值為4kA，兩只試品真空斷路器（VI_ E1和VI_E2）重?fù)舸└怕史謩e為3%和3%，其重?fù)舸└怕实钠骄禐?%；
• ②在試驗(yàn)系列F中，合閘涌流幅值增加了1kA，兩只試品真空斷路器（VI_F1和VI_F2）重?fù)舸└怕示碗S之上升，分別為27%和13%，其重?fù)舸└怕实钠骄禐?0%，為試驗(yàn)系列E的6.1倍。

表3 重?fù)舸└怕式y(tǒng)計(jì)

2.2 合閘涌流對(duì)重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間的影響

真空斷路器開斷電容器組操作過程中，因恢復(fù)電壓會(huì)持續(xù)施加于斷口兩端，這使弧后重?fù)舸┈F(xiàn)象不僅會(huì)發(fā)生于恢復(fù)電壓初始上升階段，甚至?xí)l(fā)生于百毫秒以后。圖6給出真空斷路器重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間的分布規(guī)律，橫坐標(biāo)“0”表示容性電流被開斷后恢復(fù)電壓剛開始施加于試品真空斷路器的瞬時(shí)時(shí)刻，T表示恢復(fù)電壓的一個(gè)周期，即20ms。此外復(fù)燃為恢復(fù)電壓1/4T內(nèi)發(fā)生的擊穿，重?fù)舸榛謴?fù)電壓1/4T以后發(fā)生的擊穿。

圖6 真空斷路器重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間分布（T=20ms恢復(fù)電壓一個(gè)周期）

當(dāng)高頻涌流幅值為0，試品真空斷路器重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間基本分布于5T=100ms以后，僅有約18%的重?fù)舸┈F(xiàn)象發(fā)生于1/2T=10ms到5T=100ms之間。此外還出現(xiàn)了1個(gè)復(fù)燃現(xiàn)象。

當(dāng)高頻涌流幅值為2kA，從圖6中可以看出約79%的重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間分布于100ms以后，約19%的重?fù)舸r(shí)間分布于10～100ms之間。相比試驗(yàn)系列A，無論發(fā)生于100ms以后的重?fù)舸蛘甙l(fā)生于10～100ms的重?fù)舸渲負(fù)舸?shù)量顯著增加，這與重?fù)舸└怕适窍鄬?duì)應(yīng)的。此外還有1個(gè)重?fù)舸┌l(fā)生于恢復(fù)電壓初始上升階段，即1/4T到1/2T之間（5～10ms）。

當(dāng)高頻涌流幅值為5kA，重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間開始明顯提前，僅有約18%的重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間分布于100ms以后。另外有約27%的重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間分布于10～100ms間。重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間主要分布于恢復(fù)電壓初始上升階段5～10ms，其數(shù)量占有55%左右。此外復(fù)燃現(xiàn)象也開始頻繁出現(xiàn)。由此可知，隨合閘高頻涌流幅值的上升，重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間也將顯著提前。

2.3 觸頭表面分析

在試驗(yàn)系列A中，涌流幅值為0，這相當(dāng)于空載關(guān)合的情況，因此觸頭表面無電燒蝕痕跡，僅有合閘機(jī)械磨損痕跡。

在試驗(yàn)系列B（涌流幅值為2kA）中，每個(gè)試品真空斷路器的其中一個(gè)觸頭表面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)金屬突起，并且在另一個(gè)觸頭表面上相對(duì)應(yīng)的區(qū)域有一個(gè)凹陷的金屬坑，如圖7（a）所示。

這個(gè)現(xiàn)象說明試品真空斷路器在關(guān)合高頻涌流過程中，預(yù)擊穿電弧僅在表面特定的區(qū)域內(nèi)局部性地?zé)g觸頭表面，而這些被電弧燒蝕的區(qū)域會(huì)升溫熔化，在動(dòng)靜觸頭關(guān)合時(shí)會(huì)形成熔焊；同時(shí)在兩個(gè)觸頭再次打開時(shí)，熔焊區(qū)域被拉開后并發(fā)生破裂，一個(gè)觸頭表面出現(xiàn)了突起，另一個(gè)觸頭表面就留下了與之相對(duì)應(yīng)的凹坑。

在試驗(yàn)系列C中，高頻涌流幅值上升為5kA，可對(duì)比發(fā)現(xiàn)金屬突起在高度和寬度上要明顯大于在試驗(yàn)系列B中的金屬突起；同時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的金屬凹坑在深度和面積上也要明顯大于在試驗(yàn)系列B中的觸頭表面金屬凹坑，如圖7（b）所示。

圖7 真空斷路器觸頭表面圖

3 討論分析

真空斷路器關(guān)合電容器過程中，當(dāng)施加于動(dòng)靜觸頭之間電場(chǎng)強(qiáng)度高于絕緣耐壓強(qiáng)度時(shí)，合閘預(yù)擊穿現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生，一個(gè)高頻涌流將通過真空斷路器。其預(yù)擊穿電弧會(huì)建立于動(dòng)靜觸頭表面之上，并局部性燒蝕觸頭表面，燒蝕區(qū)域?qū)ⅢE然升溫并發(fā)生熔化，當(dāng)動(dòng)靜觸頭閉合時(shí)，觸頭表面熔融區(qū)將發(fā)生熔焊。

在緊接著的真空斷路器開斷背靠背電容器過程中，觸頭表面熔焊區(qū)域?qū)⒈焕_并發(fā)生破裂，遭受破壞的觸頭表面會(huì)嚴(yán)重影響真空斷路器內(nèi)部絕緣性能，同時(shí)真空斷路器觸頭表面狀況會(huì)隨著合閘高頻涌流施加次數(shù)的增加不斷發(fā)生惡化。

當(dāng)合閘涌流幅值增加時(shí)，合閘預(yù)擊穿過程中預(yù)擊穿電弧能量也隨之上升，預(yù)擊穿開距較大。這意味著合閘預(yù)擊穿過程持續(xù)時(shí)間更長，直接注入觸頭表面的預(yù)擊穿電弧能量也越大。因此高幅值的合閘高頻涌流將給真空斷路器帶來更嚴(yán)重的熔焊，從而給觸頭表面帶來更大的破壞。

另外觸頭熔焊區(qū)域的破裂可能會(huì)產(chǎn)生一定的金屬微粒。由此，高幅值的合閘涌流作用下，觸頭表面會(huì)產(chǎn)生更大的破壞，這將直接影響觸頭間的絕緣耐壓能力，從而引發(fā)更多的重?fù)舸┈F(xiàn)象。

真空斷路器觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度是由◆U/d來決定的，其中U為施加于真空斷路器觸頭兩端的電壓、d為觸頭開距以及為觸頭表面場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)。場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)是微觀場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)和宏觀場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)的乘積。

研究發(fā)現(xiàn)觸頭表面在合閘預(yù)擊穿過程中會(huì)受到高頻涌流的燒蝕破壞，產(chǎn)生金屬突起和凹坑，具體如圖7所示。這些宏觀的燒蝕破壞作用將直接增大觸頭表面宏觀場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)βg，從而使得真空斷路器觸頭間電場(chǎng)強(qiáng)度增大。

研究發(fā)現(xiàn)不同幅值的合閘高頻涌流會(huì)影響真空斷路器開斷容性電流后的場(chǎng)致發(fā)射電流大小，并且高幅值的合閘涌流會(huì)使得場(chǎng)致發(fā)生電流增大。這與真空斷路器觸頭表面狀況是密切相關(guān)的，因?yàn)楦叻档暮祥l涌流會(huì)給觸頭表面帶來更嚴(yán)重的破壞，如更大尺度的金屬突起和凹坑。

此外，研究發(fā)現(xiàn)真空斷路器開斷容性電流后場(chǎng)致發(fā)射電流是不斷變化的，在一些較高的場(chǎng)致發(fā)射電流值后面可能會(huì)發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，或者重?fù)舸┈F(xiàn)象會(huì)在場(chǎng)致發(fā)射電流不斷增加到某個(gè)數(shù)值后產(chǎn)生。這說明重?fù)舸┑陌l(fā)生與場(chǎng)致發(fā)射電流有著一定聯(lián)系。

當(dāng)合閘高頻涌流幅值為0時(shí)，觸頭表面沒有受到破壞影響，觸頭表面的場(chǎng)致發(fā)射電流值相對(duì)較低，重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間基本大于100ms，這些重?fù)舸┈F(xiàn)象可能主要由真空斷路器內(nèi)部微粒引發(fā)。

當(dāng)合閘高頻涌流幅值為2kA時(shí)，觸頭表面開始受到高頻涌流的破壞作用，場(chǎng)致發(fā)射電流還是增加，重?fù)舸?shù)量也顯著增加，重?fù)舸╅_始發(fā)生于10ms與100ms之間。當(dāng)合閘高頻涌流幅值增大到5kA時(shí)，觸頭表面受到更為嚴(yán)重的破壞，即產(chǎn)生更大尺度的金屬突起和凹坑，因此觸頭表面場(chǎng)致增強(qiáng)系數(shù)會(huì)相對(duì)明顯上升，從而會(huì)引發(fā)更大的場(chǎng)致發(fā)射電流，這使得重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間明顯提前，并且復(fù)燃現(xiàn)象也開始頻繁出現(xiàn)。

結(jié)論

本文基于真空斷路器投切電容器組合成試驗(yàn)回路平臺(tái)，研究了高頻涌流幅值對(duì)真空斷路器投切電容器過程中預(yù)重?fù)舸┨匦缘挠绊憽?/p>

研究結(jié)果如下：合閘涌流會(huì)局部性熔焊破壞觸頭表面，影響真空滅弧室絕緣耐壓性能，隨涌流幅值提升，破壞程度會(huì)加劇；當(dāng)涌流幅值從0上升到5kA，7.2kV等級(jí)重?fù)舸└怕蕰?huì)從5%上升到30%；當(dāng)涌流幅值從4kA上升到5kA，40.5kV等級(jí)重?fù)舸└怕蕰?huì)從3%上升到20%；合閘涌流也會(huì)影響重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間，隨合閘涌流幅值上升，重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)間顯著提前，復(fù)燃現(xiàn)象也將頻繁出現(xiàn)。