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摘要：通过对安国铁路变电所206断路器天窗点停电时因电弧重燃引起操作过电压导致烧毁的原因进行分析，提出了防止电容回路真空断路器操作过电压和电弧重燃的方法及对策。
关键词：真空断路器 电弧重燃 过电压 防止
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)011-083-02
真空断路器具有良好的灭弧性能，且维护工作量小、断流容量大、适宜频繁操作等许多优点，在电力系统中得到了广泛的应用。在电气化铁路供电系统中，真空断路器主要用于27，5千伏侧，与继电保护装置配合迅速切断馈线侧的短路电流。在运行过程中，发现其在开断小电流故障时(尤其是在切断电容电流时)，有可能产生较高的过电压，同时，在断路器真空度降低的情况下，极易烧损断路器，造成设备故障。
1 断路器故障情况
2009年8月4日4时58分56秒，电力调度按照程控卡片进行安国铁路变电所天窗停电，按依次206、213、214、215的顺序进行停电。在人为不能分辨的时间内，同一母线上的动力变压器的缺相保护、动力变下级断路器的低压解列保护动作，几乎同一时刻204断路器的27，5千伏单相低压启动过电流保护动作，同时伴有较强的爆裂声。值班员随即进行设备巡视，发现27，5千伏B相电容器组有四台电容器的保险熔断，其中一台的电容器瓷柱断裂：高压室内206断路器放电烧伤严重，分、合闸绝缘拉杆折断且有烧伤痕迹。
2 故障时的跳闸数据
2.1 206保护动作数据
2.2 202保护动作数据
2009年8月4日4时58分57秒
101 Ims B相低压启动过电流保护出口
IA=14.82A IB=14.75A IC=29.50A IO=0.00A
la=0.07A
IB=26.26A(6302.40A) Ua=89.36V(24574V)UB=3.68V(1012V)
3 原因分析
3.1 206差压保护动作原因
该断路器主要用于交流电气化铁路，额定电压交流工频27.5kV，额定电流630A。206断路器为电容补偿回路断路器。该补偿装置是由6并4串的4组共计24个单体电容器构成。
从跳闸数据看，206保护动作始因是由于电容器故障导致差压保护动作，电容电流只有46A，说明当时断路器已处于分位或者在分闸过程中以及在电弧重燃但电弧没有达到稳定的一瞬间，总之，电容器没有断电。当时的系统电压为28880V，按照当时的电压，电容器两端要承受35.86kV的电压，按照这个电压，单体电容器当时已经超过了8.4千伏的额定电压，其中第三组比较薄弱的电容器开始损坏，内部出现击穿现象，容值开始增大，原先6并的电容器，电流开始不平衡。向电容器较大的一块电容器集中，当超过保险的容量后保险瞬间熔断，导致差压保护动作。按照当时差压保护动作的差压7806看，已有不低于1块电容器损坏。由于保护动作后，断路器灭弧室并没有断电，故障继续延续，差压值继续加大，说明当时继续有电容器损坏。电容器保险损坏后，第三组电容器容值减小，其分压瞬间加大，差压值进一步加大，又导致其它电容器的损坏。
3.2 206电流速断保护动作的原因
当电容器保险熔断后，电容器的总容值变为5.28微法，此时的容抗为603fl，电抗值为88，4I)，打破了正常的补偿度0.12～0.13的要求，XLIXC=88.4/603=0.146：由于真空灭弧室的电狐不熄灭，导致对电容器反复充电，使电容器组对地电压升高，在升高到一定限度时，断路器的绝缘拉杆被击穿，电流突然增大，致使电流速断保护动作。由于母线一直有电，对地电弧逐渐加大，使27.5千伏B相母线产生了对地放电的现象，致使母线对地电流瞬间增大，电压降低，202断路器低压启动过电流保护亦相继动作。
3.3 真空灭弧室电弧重燃的原因
(1)真空灭弧室内真空度降低导致不能正常灭弧是电弧多次重燃的主要原因，事后测试206断路器的工频耐压时，电压只能升至2千伏，绝缘也只有2兆欧，此现象与厂家的分析一致，属于密封不良，这与气体放电理论相一致。按气体放电理论，气体压力降低时，因发生碰撞游离的次数减少，故间隙的击穿电压提高，所以采用高真空可提高击穿电压。事实上真空中的击穿机理与常压下的并不相同，目前关于真空击穿有两种理论：厂致发射引发击穿和微粒引发击穿。前者认为，由于阴极表面不可避免地存在一些微观强电场区，导致电场发射并产生很大的发射电流密度，使阴极出现局部热点而引起材料气化，从而引发间隙击穿；后者认为，电极表面附着的微粒，在强电场作用下带着电荷离开电极表面，运动至对面电极时以很大的速度撞击电极，从而使电极材料溶化、气化，造成间隙击穿。
(2)另一层原因就是考虑分闸的时刻产生了截流过电压，分闸速度过快使电抗器产生了很高的自感电动势并与电容器电压叠加，足以使还没有完全恢复绝缘强度的真空灭弧室被重击穿，导致重燃。
(3)当真空断路器在电流过零前开断，触头的一侧是工频电网电源，一侧是高频振荡产生的过电压(跳闸记录中显示有很大的3次、7次谐波电流)，而触头间恢复电压为两者之合，在触头开距小、触头间耐压不充分的情况下发生第一次重燃。电源向回路中的电容充电，出现类似空载长线路合闸的震荡过程。回路的参数决定了重燃的高电流频率高达数千Hz。这使得重燃的振荡电压高于截流电压，这种震荡过程直至绝缘介质的恢复强度超过电压恢复速度才终止。
4 对策
4.1 提高真空灭弧室的生产工艺
完善和控制灭弧室生产过程，从零部件制造和生产工艺方面减少管内微粒的数量。如在金属零件的加工过程中，尽量避免和祛除干净零件的毛刺，提高零件表面质量，保证零件的表面光洁度；在整管装配前坚持对部件进行有效的超声波清洗，可以取得明显的效果。不断改进清洗工艺，使灭弧室内的微粒通过清洗尽量祛除干净：在生产过程中，保持良好的真空卫生和工作习惯，有效控制操作间内的空气湿度和空气中悬浮微粒的数量；科学组织生产，使灭弧室的部件或触头加工出来后尽量减少存放时间，及时装配进炉，减少零部件氧化、污染的几率；对用于投切电容器组的真空灭弧室适当提高电压进行工频电压老炼，并进行雷电冲击耐压老炼，可以减少灭弧室内的击穿弱点，提高其电压耐受能力，增加投切电容器组时的可靠性；对灭弧室进行小电流老炼，可以利用电弧的高温祛除电极表面的一薄层材料，烧掉电极表面的毛刺，并使电极表面的气体、氧化物和杂质同时除去，起到清洁电极表面的作用，对灭弧室的电气性能有一定的提高。因此灭弧室在出厂前应进行适当的电流老练；对灭弧室进行并联电容老炼，可以迅速明显提高产品的耐压能力。
4.2 提高断路器的整体装配质量
抛开安国206断路器的问题，在今年的预防性试验中发现，共有19台真空断路器的灭弧室出现问题，主变二次的断路器只有1台出现问题，其余均为长动的馈线和电容回路开关，可以看出，动作频繁的断路器出故障的几率较大。因此，提高断路器的设计质量和装配质量，控制其机械运动特性参数在合理的范围内，能够保证灭弧室动导电杆安装对正垂直，并易于对其进行调整；断路器的装配质量应该得到可靠的测量和良好的控制，操动机构的合闸输出功率与分闸输出功率要合适，其分、合闸速度应该调整在合理的范围内，使分闸弹振和合闸弹跳尽可能小。
4.3 选择合适的操动机构和开距较大的真空灭弧室
选择合适的分闸速度，有利于操作过电压的减小。比如，在分断小电感电流时，操作机构的分闸速度适当地慢一些，可以减少截流值；而分断电容电路时，分闸速度可以快一些，以增加触头断开距离，提高触头问的介质强度，减小重击穿发生。具体的方法就是加大断路器的超行程，增加触头间的压力，一方面可以通过撞击压力使触头上的毛刺消除，一方面可以提高分闸速度。
该进口型号的断路器的真空灭弧室开距较小，只有14毫米，而国产的灭弧室一般都在35毫米左右(如：沈阳高压开关厂的ZN-27.5型开关，触头开距46mm：天水、北京开关厂的断路器，开距在35mm)，国产的10千伏断路器亦有11毫米的开距，受国内运行环境和电能质量的影响，过小的开距将会导致灭弧室的场强加大，容易引起电弧重燃。因此，个人认为，国外有些产品在引进时，应针对国内运行条件，进行适应性改造。
5 结论
针对变电所电容回路发生的真空灭弧室电弧重燃导致过电压而使断路器烧毁的问题，除了对断路器进行有关改造外，另外建议在设计和设备选型中，采用具有防止过电压措施的设备，如选用带有旁路电阻可二次开断的真空断路器或选用带有均压电阻的电容器等，防止类似的事故重复发生。
关键词：真空断路器 电弧重燃 过电压 防止
中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1007-3973(2010)011-083-02
真空断路器具有良好的灭弧性能，且维护工作量小、断流容量大、适宜频繁操作等许多优点，在电力系统中得到了广泛的应用。在电气化铁路供电系统中，真空断路器主要用于27，5千伏侧，与继电保护装置配合迅速切断馈线侧的短路电流。在运行过程中，发现其在开断小电流故障时(尤其是在切断电容电流时)，有可能产生较高的过电压，同时，在断路器真空度降低的情况下，极易烧损断路器，造成设备故障。
1 断路器故障情况
2009年8月4日4时58分56秒，电力调度按照程控卡片进行安国铁路变电所天窗停电，按依次206、213、214、215的顺序进行停电。在人为不能分辨的时间内，同一母线上的动力变压器的缺相保护、动力变下级断路器的低压解列保护动作，几乎同一时刻204断路器的27，5千伏单相低压启动过电流保护动作，同时伴有较强的爆裂声。值班员随即进行设备巡视，发现27，5千伏B相电容器组有四台电容器的保险熔断，其中一台的电容器瓷柱断裂：高压室内206断路器放电烧伤严重，分、合闸绝缘拉杆折断且有烧伤痕迹。
2 故障时的跳闸数据
2.1 206保护动作数据
2.2 202保护动作数据
2009年8月4日4时58分57秒
101 Ims B相低压启动过电流保护出口
IA=14.82A IB=14.75A IC=29.50A IO=0.00A
la=0.07A
IB=26.26A(6302.40A) Ua=89.36V(24574V)UB=3.68V(1012V)
3 原因分析
3.1 206差压保护动作原因
该断路器主要用于交流电气化铁路，额定电压交流工频27.5kV，额定电流630A。206断路器为电容补偿回路断路器。该补偿装置是由6并4串的4组共计24个单体电容器构成。
从跳闸数据看，206保护动作始因是由于电容器故障导致差压保护动作，电容电流只有46A，说明当时断路器已处于分位或者在分闸过程中以及在电弧重燃但电弧没有达到稳定的一瞬间，总之，电容器没有断电。当时的系统电压为28880V，按照当时的电压，电容器两端要承受35.86kV的电压，按照这个电压，单体电容器当时已经超过了8.4千伏的额定电压，其中第三组比较薄弱的电容器开始损坏，内部出现击穿现象，容值开始增大，原先6并的电容器，电流开始不平衡。向电容器较大的一块电容器集中，当超过保险的容量后保险瞬间熔断，导致差压保护动作。按照当时差压保护动作的差压7806看，已有不低于1块电容器损坏。由于保护动作后，断路器灭弧室并没有断电，故障继续延续，差压值继续加大，说明当时继续有电容器损坏。电容器保险损坏后，第三组电容器容值减小，其分压瞬间加大，差压值进一步加大，又导致其它电容器的损坏。
3.2 206电流速断保护动作的原因
当电容器保险熔断后，电容器的总容值变为5.28微法，此时的容抗为603fl，电抗值为88，4I)，打破了正常的补偿度0.12～0.13的要求，XLIXC=88.4/603=0.146：由于真空灭弧室的电狐不熄灭，导致对电容器反复充电，使电容器组对地电压升高，在升高到一定限度时，断路器的绝缘拉杆被击穿，电流突然增大，致使电流速断保护动作。由于母线一直有电，对地电弧逐渐加大，使27.5千伏B相母线产生了对地放电的现象，致使母线对地电流瞬间增大，电压降低，202断路器低压启动过电流保护亦相继动作。
3.3 真空灭弧室电弧重燃的原因
(1)真空灭弧室内真空度降低导致不能正常灭弧是电弧多次重燃的主要原因，事后测试206断路器的工频耐压时，电压只能升至2千伏，绝缘也只有2兆欧，此现象与厂家的分析一致，属于密封不良，这与气体放电理论相一致。按气体放电理论，气体压力降低时，因发生碰撞游离的次数减少，故间隙的击穿电压提高，所以采用高真空可提高击穿电压。事实上真空中的击穿机理与常压下的并不相同，目前关于真空击穿有两种理论：厂致发射引发击穿和微粒引发击穿。前者认为，由于阴极表面不可避免地存在一些微观强电场区，导致电场发射并产生很大的发射电流密度，使阴极出现局部热点而引起材料气化，从而引发间隙击穿；后者认为，电极表面附着的微粒，在强电场作用下带着电荷离开电极表面，运动至对面电极时以很大的速度撞击电极，从而使电极材料溶化、气化，造成间隙击穿。
(2)另一层原因就是考虑分闸的时刻产生了截流过电压，分闸速度过快使电抗器产生了很高的自感电动势并与电容器电压叠加，足以使还没有完全恢复绝缘强度的真空灭弧室被重击穿，导致重燃。
(3)当真空断路器在电流过零前开断，触头的一侧是工频电网电源，一侧是高频振荡产生的过电压(跳闸记录中显示有很大的3次、7次谐波电流)，而触头间恢复电压为两者之合，在触头开距小、触头间耐压不充分的情况下发生第一次重燃。电源向回路中的电容充电，出现类似空载长线路合闸的震荡过程。回路的参数决定了重燃的高电流频率高达数千Hz。这使得重燃的振荡电压高于截流电压，这种震荡过程直至绝缘介质的恢复强度超过电压恢复速度才终止。
4 对策
4.1 提高真空灭弧室的生产工艺
完善和控制灭弧室生产过程，从零部件制造和生产工艺方面减少管内微粒的数量。如在金属零件的加工过程中，尽量避免和祛除干净零件的毛刺，提高零件表面质量，保证零件的表面光洁度；在整管装配前坚持对部件进行有效的超声波清洗，可以取得明显的效果。不断改进清洗工艺，使灭弧室内的微粒通过清洗尽量祛除干净：在生产过程中，保持良好的真空卫生和工作习惯，有效控制操作间内的空气湿度和空气中悬浮微粒的数量；科学组织生产，使灭弧室的部件或触头加工出来后尽量减少存放时间，及时装配进炉，减少零部件氧化、污染的几率；对用于投切电容器组的真空灭弧室适当提高电压进行工频电压老炼，并进行雷电冲击耐压老炼，可以减少灭弧室内的击穿弱点，提高其电压耐受能力，增加投切电容器组时的可靠性；对灭弧室进行小电流老炼，可以利用电弧的高温祛除电极表面的一薄层材料，烧掉电极表面的毛刺，并使电极表面的气体、氧化物和杂质同时除去，起到清洁电极表面的作用，对灭弧室的电气性能有一定的提高。因此灭弧室在出厂前应进行适当的电流老练；对灭弧室进行并联电容老炼，可以迅速明显提高产品的耐压能力。
4.2 提高断路器的整体装配质量
抛开安国206断路器的问题，在今年的预防性试验中发现，共有19台真空断路器的灭弧室出现问题，主变二次的断路器只有1台出现问题，其余均为长动的馈线和电容回路开关，可以看出，动作频繁的断路器出故障的几率较大。因此，提高断路器的设计质量和装配质量，控制其机械运动特性参数在合理的范围内，能够保证灭弧室动导电杆安装对正垂直，并易于对其进行调整；断路器的装配质量应该得到可靠的测量和良好的控制，操动机构的合闸输出功率与分闸输出功率要合适，其分、合闸速度应该调整在合理的范围内，使分闸弹振和合闸弹跳尽可能小。
4.3 选择合适的操动机构和开距较大的真空灭弧室
选择合适的分闸速度，有利于操作过电压的减小。比如，在分断小电感电流时，操作机构的分闸速度适当地慢一些，可以减少截流值；而分断电容电路时，分闸速度可以快一些，以增加触头断开距离，提高触头问的介质强度，减小重击穿发生。具体的方法就是加大断路器的超行程，增加触头间的压力，一方面可以通过撞击压力使触头上的毛刺消除，一方面可以提高分闸速度。
该进口型号的断路器的真空灭弧室开距较小，只有14毫米，而国产的灭弧室一般都在35毫米左右(如：沈阳高压开关厂的ZN-27.5型开关，触头开距46mm：天水、北京开关厂的断路器，开距在35mm)，国产的10千伏断路器亦有11毫米的开距，受国内运行环境和电能质量的影响，过小的开距将会导致灭弧室的场强加大，容易引起电弧重燃。因此，个人认为，国外有些产品在引进时，应针对国内运行条件，进行适应性改造。
5 结论
针对变电所电容回路发生的真空灭弧室电弧重燃导致过电压而使断路器烧毁的问题，除了对断路器进行有关改造外，另外建议在设计和设备选型中，采用具有防止过电压措施的设备，如选用带有旁路电阻可二次开断的真空断路器或选用带有均压电阻的电容器等，防止类似的事故重复发生。