赵施林，常占宁，张一平，余勇祥，程宏波

（1.中国铁路兰州局集团有限公司供电部，甘肃 兰州 730000；2.华东交通大学电气与自动化工程学院， 江西 南昌 330013）

0 引言

真空灭弧室由于具有机械寿命长、环境友好等特点，现已广泛应用于电力系统无功补偿领域[1]。根据统计[2]，电力系统中，60%用于无功补偿的电容器组平均每年会被投切300次左右，另外的30%每年被投切的次数能达到700次左右。其中，主要是利用电力开关设备来投切电容器组以完成无功补偿任务，这表明电力开关平均每天就有1～2次的频繁合分操作[3]。在我国夏季用电高峰期，每日投切电容器组进行无功补偿次数甚至高达6次[4]。

然而，投切容性负载时，在电流过零后的真空灭弧室中存在一定的重击穿概率。重击穿会在电力系统中引起不同程度的过电压，产生的过电压会造成电力设备损坏，甚至会引发人员伤亡等重大事故，从而对电网的安全稳定运行构成了很大的威胁[5-6]。因此，如何降低真空断路器无功补偿重击穿发生概率并提高真空断路器电容器组投切性能一直以来都是国内外真空开关研究领域的热点话题。

一个完整的容性投切过程包括合闸和分闸操作[7]。在合闸过程中，在真空灭弧室触头接触前会发生预击穿现象，预击穿过程中产生的高频率高幅值涌流会造成灭弧室触头表面发生局部的烧蚀熔焊[8]。根据IEC背靠背电容器投切标准[9]，高频涌流幅值为20 kA，频率为4 250 Hz。涌流电弧会对触头表面造成严重烧蚀，触头闭合后会发生熔焊，分闸过程中熔焊区域破裂会在触头表面形成宏观突起和凹坑，过程中同时伴随着金属微粒的产生。因此由涌流关合电弧烧蚀造成的触头表面突起或凹坑会导致真空灭弧室的绝缘性能发生显著下降。

许多研究者已经研究了前震与后震现象之间的关系。文献[10]的研究表明，重击穿现象与预击穿过程有直接的联系。文献[11]认为真空断路器投切容性负载重击穿概率与涌流关合电弧能量密切相关。文献[12]观察到高频涌流幅值对场致发射电流有显著影响。然而，上述场致发射电流测量均在恢复电压阶段进行。在这个阶段，恢复电压是具有（1-cosωt）波形的直流特性。在双极性电压（例如工频电压）下，场致发射电流可能不同，同时测量得到的双极性电压下的场致发射电流可以反映涌流烧蚀后动静触头表面的状况。因此，研究工频电压下涌流对真空灭弧室场致发射电流的影响十分必要。文中目标为研究工频电压下高频涌流对真空灭弧室场致发射电流的影响规律。研究了工频电压下涌流，包括操作次数和涌流幅值对真空灭弧室场致发射特性的影响。该研究对揭示由高频涌流对真空灭弧室触头表面烧蚀所引起的重击穿机理具有重要意义。

1 实验设置

1.1 涌流电路

图1给出了用于实验的涌流回路。它是为测试真空灭弧室的容性电流投切性能而搭建的。通过LC振荡方式，可以在回路中产生3 800 Hz频率以及20 kA幅值的高频涌流。

图1 涌流电路原理图

测试开始时，打开真空灭弧室SWtest，然后将涌流回路电容C1预充电至所需电压Ur。关闭灭弧室SWtest后，电容C1通过电感L1和灭弧室SWtest放电。在实验真空灭弧室SWtest合闸操作过程中，涌流在预击穿瞬间开始以一定间隙距离d流过真空电弧，导致电弧预击穿，直至触头接触。由于回路电阻的存在，涌流振荡衰减至零。

通过改变电容C1、电感L1和充电电压Ur可以调节涌流的频率和幅值。图2给出了幅值为6 kA、频率为3 800 Hz的典型操作涌流波形图。

图2 典型的涌流波形图

实验采用4个7.2 kV真空灭弧室来研究操作次数和涌流幅值对触头发射电流的影响。触头直径为30 mm，触头材料为CuCr25（25%Cr）。接触间隙调整为4 mm。

表1列出了实验条件。根据施加10 kA和20 kA涌流幅值的不同，将4个实验真空灭弧室分为A、B两组。每个测试组使用2个真空灭弧室，分别标记为1-2。实验操作由不同涌流幅值的合闸操作和后续工频电压下的场致发射电流测量（关合-测量操作）组成。工频电压以2 kVrms为步长从2 kVrms上升到30 kVrms。针对每个试品真空灭弧室，需进行2次，每个实验操作进行2次关合-测量操作。为了保证4个试品真空灭弧室的条件相同，实验前分别对这4个试品真空灭弧室进行工频电压老炼，以确保实验前都能具有相等的15 kVrms介电强度。

表1 实验条件

1.2 工频电压下的场致发射电流测量

图3所示为场致发射电流测量电路原理图。实验中通过调压器和变压器提供工频电压，待测试品设置为1 mm固定开距，回路中与无感电阻Rtest串联，其中Rtest=100Ω。当通过工频源施加电压，由于试品真空灭弧室触头间电场的作用，触头间真空间隙中便会有场致发射电流流过，通过测量Rtest上的压降便可得到场致发射电流的强度。

图3 场致发射电流测量电路原理图

当电压大于触头间隙绝缘强度，真空灭弧室有可能会发生击穿，瞬态击穿电流流经Rtest电阻产生的过电压可能会危害测量设备的安全运行，因此采用反向并联的二极管来限制Rtest两端压降。反向并联二极管的正向导通压降设定为0.5 V，因此低于5 mA的场致发射电流将流经无感电阻Rtest。此外，还通过并联响应速度更快的压敏电阻和瞬态抑制二极管来限制暂态过程中过电压的快速上升，沿从而来保护测量设备的安全。

针对每只试品真空灭弧室，分别施加2 kVrms到30 kVrms的工频电压，电压变化步长为2 kVrms。通过控制隔离断路器的合分闸时间，设定每次电压施加时间为500 ms。期间分别测量触头间场致发射电流的大小。

2 实验结果

实验中测得的工频电压下非对称极性场致发射电流如图4所示。该实验波形为试品灭弧室A1经2次10 kA幅值涌流烧蚀后，1 mm触头开距，施加14 kV有效值工频电压条件下的测量结果。从中可以看到在工频电压下，经涌流烧蚀后的真空灭弧室场致发射电流呈现显著的极性效应。

图4为实验波形局部放大图。从图中可以看出，场致发射电流在工频电压过零后并未立即增加，而是当工频电压超过某一幅值后才开始显著增加，因此，为探究场致发射电流和施加电压间的关系，选取图4（b）中正极性周期的波形结果，可以得到试品灭弧室在1 mm触头开距下正极性场致发射电流与施加电压关系如图5所示。

图4 场致发射电流测量典型波形

图5 场致发射电流与施加电压关系

由于试品触头表面被严重破坏，耐压特性会大大降低，实验过程中可能会出现真空击穿现象。暂态击穿电流会影响触头表面状态，且影响结果不可控，因此为保证实验条件的一致性，实验过程中应尽量减小击穿过程的发生，因此施加电压应留有一定的裕量。同样结合图5所示结果，当施加的工频电压幅值接近20 kV时，场致发射电流为5 mA左右，因此综合考虑以上因素，场致发射电流测量的上限值被设定为5 mA。

图6为测试样品A1、A2、B1、B2在一极处的实测场致发射电流随外加电压的变化。可以看出，不仅涌流的幅值，而且施加在触头上的涌流的数量都对场致发射电流有显著影响。由图6可知，在工频电压下，涌流幅值越大，涌流施加次数越多，产生的场致发射电流越大。

图6 正极性场致发射电流与关合涌流的关系

3 讨论

在对试品真空灭弧室进行关合涌流操作时，涌流流过触头，高频高幅值的涌流预击穿电弧会严重烧蚀触头表面，使触头表面局部熔化，在两个触头闭合后可能导致触头发生熔焊。当触头再次打开时，可在接触面上产生宏观突起和凹坑。这些表面损伤决定了真空灭弧室触头间隙的耐电强度。动静触头电极表面的这些损伤都不是对称的：通常在接触面上形成一个突起，同时在相反的接触面上形成一个凹坑。因此，接触面损伤的不对称性导致了工频电压下测量场致发射电流的不对称性。此外，更高和更多次的涌流应用意味着更高的预击穿电弧能量和更严重的触头损坏，这将导致更高的场致发射电流。

场致发射电场不是由U/d决定的（U是通过接触间隙d施加的电压），而是由βU/d给出[13]。在施加工频电压之前，触头表面熔焊断裂区上突起的局部微观场致发射点处于冷却状态，发射点尖端较为锐利。场致电流发射点锐利的尖端会增强局部电场，也意味着更大的场致增强系数β。在施加工频电压的正极性上升过程中，随着电压值的上升并超过场致发射电流临界电压值时，场致发射电流会明显增大，因此会出现对称工频电压下的非对称性的场致发射电流测量结果。

4 结语

文中研究了真空灭弧室容性投切过程中合闸涌流对工频电压下场致发射电流特性的影响规律。结论如下：

1）高频涌流幅值越大、高频涌流施加次数越多，真空灭弧室相应产生的场致发射电流越大；

2）对称工频电压下，1 mm定开距试品真空灭弧室场致发射电流测量结果呈现一定的极性效应；

3）存在一个临界电压值，当外加电压超过该值时，可以使场致发射电流显著增大；

4）分析认为场致发射电流的极性效应是由涌流对真空灭弧室触头表面破坏的不对称性造成的。