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S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?，具體如下：

1）7.2kV電壓等級合成試驗(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)電壓會持續(xù)施加于斷口兩端，這使弧后重?fù)舸┈F(xiàn)象不僅會發(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?，或者發(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?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)觸頭表面上會出現(xiàn)一個(gè)金屬突起，并且在另一個(gè)觸頭表面上相對應(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)域會升溫熔化，在動(dòng)靜觸頭關(guān)合時(shí)會形成熔焊；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致增強(qiáng)系數(shù)。場致增強(qiáng)系數(shù)是微觀場致增強(qiáng)系數(shù)和宏觀場致增強(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致增強(qiáng)系數(shù)βg，從而使得真空斷路器觸頭間電場強(qiáng)度增大。

研究發(fā)現(xiàn)不同幅值的合閘高頻涌流會影響真空斷路器開斷容性電流后的場致發(fā)射電流大小，并且高幅值的合閘涌流會使得場致發(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致發(fā)射電流是不斷變化的，在一些較高的場致發(fā)射電流值后面可能會發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，或者重?fù)舸┈F(xiàn)象會在場致發(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，觸頭表面的場致發(fā)射電流值相對較低，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，因此觸頭表面場致增強(qiáng)系數(shù)會相對明顯上升，從而會引發(fā)更大的場致發(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，研究了高頻涌流幅值對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，破壞程度會加?。划?dāng)涌流幅值從0上升到5kA，7.2kV等級重?fù)舸└怕蕰?%上升到30%；當(dāng)涌流幅值從4kA上升到5kA，40.5kV等級重?fù)舸└怕蕰?%上升到20%；合閘涌流也會影響重?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)。