真空灭弧室的绝缘问题分析

高华东

供用电

真空灭弧室的绝缘问题分析

高华东

（山钢集团莱钢永锋钢铁公司动力部，山东齐河251100）

通过对真空灭弧室的绝缘进行分析，找到绝缘损坏的原因，对真空断路器进行了优化调整，合理维护和使用，提高了真空断路器寿命。

真空灭弧室；绝缘；过电压

1 引言

真空断路器在钢铁冶炼业的10 kV及35 kV供配电系统中广泛使用，真空灭弧室作为真空断路器的主要元件，其绝缘能力对安全连续供电至关重要。

2 真空灭弧室的绝缘

真空灭弧室的绝缘分内部绝缘和外部绝缘，内部绝缘又分静态绝缘和动态绝缘。

2.1 真空灭弧室的静态绝缘

影响静态绝缘水平的因素有：触头开距、触头与屏蔽罩的材料及形状、有效击穿面积、老炼工艺等。触头有合理开距，保证了间隙的绝缘强度。过大的开距无助于提高绝缘强度，可能反而导致分断大电流过程中增大间隙的电弧能量，延长介质恢复时间。对纵向磁场结构的触头，间隙的大小对电弧电压影响不大，电弧电压随着分断电流的增大而增大，过大的开距使电弧电压随着开断电流增大，造成灭弧困难。触头材料的含气量影响开关的开断能力，材料的拉伸强度的二分之一次方与承受电压成正比。在屏蔽罩上设置半圆形裙边，可均匀电场分布。真空灭弧室在开断大电流后，也会出现绝缘劣化现象，尤其是耐压水平下降较明显。

静态绝缘劣化的主要原因：

（1）大电流电弧对触头表面的侵蚀，恶化了触头表面状况。

（2）开断大电流过程中，电弧使触头材料喷溅形成许多小金属液滴，附着在屏蔽罩上改变了电场分布，使外壳耐压水平降低。

2.2 真空灭弧室的动态绝缘

影响动态绝缘水平的因素是机械参数：

（1）合闸速度。主要表现在预击穿时间及关合瞬时的触头冲动量。合闸速度低，使预击穿时间增加，引起预击穿电弧对触头侵蚀加剧。合闸速度高，使触头弹跳时间延长，容易产生重燃，也会加剧触头侵蚀。合闸速度的快慢取决于合分闸弹簧的贮能大小，可增加分闸弹簧的贮能量或合闸弹簧的压缩量，使其保持一个合理的速度。

（2）触头压力。触头压力应力大于额定短路状态时触头斥力，以保证该状态下的完全闭合不受损伤。机械参数是真空灭弧室正常使用中绝缘能力的保证，直接影响灭弧室的使用寿命，参数不合理，将使灭弧室真空度降低速度加快。

2.3 真空灭弧室的外部绝缘

影响外部绝缘水平的因素是使用环境。在设计过程中，灭弧室的外壳有足够的电气距离和爬电距离，但钢铁企业的高粉尘环境或使用场合空气湿度大等原因，在灭弧室表面易形成闪络。因为沿面闪络电压要比空气间隙击穿电压低，在系统中出现过电压时，原有电气距离和爬电距离就不能满足绝缘要求。早期断路器产品带电部分和灭弧室都暴露在空气中，依靠玻璃或高氧化铝陶瓷外壳来实现电气绝缘。在真空灭弧室表面脏污吸附水份或存在微气隙的状态下，电场分布发生变化，过电压时形成闪络。后期断路器产品把真空灭弧室装在环氧树脂绝缘套筒内，有效阻断粉尘在真空灭弧室表面的积聚。而绝缘套筒也存在表面闪络问题，所以要通过加强清扫来克服恶劣环境中灭弧室的表面闪络。

3 灭弧室绝缘损伤的原因

3.1 过电压对灭弧室的损伤

真空断路器在分合操作时会在使用系统中产生过电压，系统中的过电压也会使灭弧室受到损伤，特别是电弧炉负载在分断时的截流过电压，幅值将达到额定值的5～6倍。截流值的大小具有分布性，与开断时间、开断电流、回路参数、触头材料等因素有关。灭弧室在开断电炉变压器产生截流过电压之后，电炉变压器侧的电压幅值和频率都很高，而灭弧室触头间距并不大，在高的恢复电压作用下触头有可能被击穿，电弧发生重燃。同时在断路器电源侧也会出现一个高频振荡过电压，电源中性点偏移。截流和重燃两种类型过电压往往相伴而生，有一个共同的特点就是幅值高、频率高，而能量并不大。通过对触头材料的改进，在开断感性小电流负载时的过电压现象已基本解决，但由于截流值的分布性和回路参数等因素作用，过电压并不能完全避免。因其能量较小，过电压保护装置动作困难。接入该系统的设备绝缘在积累效应的作用下，降低到一定程度后，将造成事故。永锋钢铁公司的LF精炼炉供电系统中多次发生电压互感器电流互感器因绝缘故障烧毁，故障点都是在设备的绝缘薄弱部位。为其供电的线路断路器在操作时也多次发生过电压放电现象，灭弧室也发现真空度降低。如果在过电压时发生灭弧室沿面闪络，易引起灭弧室的爆炸。

3.2 真空度降低将使灭弧室绝缘能力下降

真空灭弧室的制造技术已相当成熟，但各制造厂家的材料和封排工艺还存差距。产生真空度下降的原因：

（1）材料放气，材料中吸收的空气在真空状态下会释放出来。

（2）标准漏孔的慢漏。

（3）环境温度，温度本身对真空没有任何影响，但灭弧室的导向套材料与导电杆材料膨胀系数差别较大，在超过厂家规定的±40℃时会产生微观漏气。

4 真空灭弧室的绝缘测试

掌握灭弧室真空度的变化情况，就掌握了真空灭弧室的泄漏发展情况，使得对真空灭弧室的检测从定性上升到定量阶段，根据一定间隔时期内真空度的变化推算出真空灭弧室的使用寿命。因真空度测试仪的测试范围限制在(1×10-1Pa～l×10-5Pa)，超出测试范围，真空度测试仪所依赖的离子电流与残余气体密度即真空度近似成比例的关系有所变化，不能保证测试结果的准确性。特别是对于全漏(与大气相通)的“硬故障”，测试值刚好与真空度良好时的数值接近，容易引起错误判断。因此在现场真空灭弧室检测工作中不能省掉工频耐压试验。如果真空灭弧室通过工频耐压试验，可以保证真空灭弧室的真空度在真空度测试仪的测试范围之内，再进行真空度测试，就能保证真空度测试的准确性。真空度测试虽良好但工频耐压没通过的灭弧室必须更换，工频耐压通过但真空度不合格的灭弧室也必须更换。耐压通过，真空度合格，但真空度下降较快的要缩短检测周期。

5 结论

通过分析灭弧室的绝缘，能让使用者了解延长真空断路器寿命的方法。把真空断路器的机械特性调整到最佳状态，克服各种不利环境影响，提高真空灭弧室的外绝缘水平，是延长真空断路器寿命的根本办法。合理监测灭弧室的真空度，让寿命到期的灭弧室安全退出系统，保障企业供用电系统安全无故障。

[1]王季梅.真空灭弧室设计、制造及其应用[M].陕西：西安交通大学出版社，1993.

Analysis of Insulation Problems of Vacuum Interrupters

GAO Huadong
(Laiwu Yongfeng Iron and Steel Company of Shangang Group,Qihe,Shandong 251100,China)

Through analysis of insulation of vacuum interrupters,the causes of insulation damage were found out.Vacuum circuit breaker was adjusted,optimized and properly used and maintained,which has increased the service life of the circuit breaker.

vacuum interrupter;insulation;overvoltage

TM56

B

1006-6764(2015)01-0021-02

2014－04－21

高华东（1972-），男，电气工程师，技师，现从事电力系统调度运行工作。