真空隔离开关的可接受性

1、真空隔离开关的可接受性1引言由于SF6气体优良的绝缘性能可满足灭弧、绝缘、隔离三大功能.目前已广泛应用于中压开关设备。但SF6气体己公认为温室效应气体.应避免向大气内排放.因此可考虑用其它绝缘技术代替SF6气体，如真空或固体绝缘。最近，有人建议将真空灭弧室用于执行隔离功 能。本文的目的是评价真空灭弧室用于隔离功能的可行性。本文首先说明隔离开关定义的含义：其次集中说明真空绝缘特性及真空灭弧室提供触头间可靠隔离断口的可行性：然后评价各种方案.排除真空介质用作隔离功能的障碍：最后总结这些方案的可接受性。2隔离开关的定义、目的和要求国际电工术语就隔离开关给出了如下定义：1）隔离开关：在分闸位置时，能提

2、供规定要求的隔离断口的机械开关器件（IEV441 14-05）:2）隔离断口 ：符合对隔离开关所规定的安全要求的断口触头间的电气问隙（IEV441 17 35）;3）隔离负荷开关：在分闸位置能满足隔离开关规定的隔离要求的一种负荷开关（IEV441 1412 及 GB/T3804 2004 的 4.102）。隔离开关（或隔离负荷开关）功能“用于将电气装置与其它系统隔离”。这仅仅是在带电系统安全作业必须执行的操作顺序的第1步。仅有隔离是不足以确保安全的.但它不过是预期提供一个可靠的隔离，“隔离应采用可确保隔离部位不发生电气事故的空气间隙或等效绝 缘措施”。适用于高压隔离开关和隔离负荷开关的要求见下

3、列标准：IEC 62271 102：IEC 60694 ;IEC： 60265 1。这些要求总结如下：隔离开关提供的隔离断口间的绝缘水平应高于相间.相对地15 % （IEC标准）或10% （ANSI标准）；隔离开关的设计应使得从其一侧的端子到另一侧任一端子不会流过危险的泄漏电 流当运行中用可靠的接点连接将所有泄漏电流引入地下或所有的绝缘材料能有效防止污秽 时则这一要求应能满足。应能判定隔离开关处于分闸位置如能满足下列条件之一则该项条件巳满足：隔离断口或间隙明显可见；保证隔离断口或间隙的每一个动触头的位置由可靠、看得见的位置指示装置指示。对于隔离负荷开关的附加要求是在完成对负荷开关规定的开关与短

4、路关合试验后， 设备 应至少保持断口短时丁频耐压水平的80。值得注意的是，这一要求与对系统严重过电压情况下对隔离开关动作的普通理解与期望略有不同。 这种普通理解为： 为隔离开关隔离断口 规定了较高的绝缘水平， 分闸触头间不允许发生闪络 但可对地闪络。 这种说明标准中并未 阐明。断口耐压水平安全系数无需规定“自动配合” 其安全是通过被隔离导体安全接地米 保证的。因此 隔离开关隔离断口闪络的可能性一直成为人们关注的重点。 如果隔离开关的下端 口接地 隔离开关上端口对地闪络同样很危险。 因此 同一接地连接一般与隔离开关两端口 同时连接。 如果使用避雷器、 棒隙等保护装置以确保系统的绝缘配合 它们一般

5、将过电压限 制在隔离开关额定耐压水平以下 （ 即相对地额定冲击耐压以下。并可预期隔离间隙间击穿放 电的概率很小。按气体绝缘击穿可能性分布该概率为在额定绝缘水平时小于01。3 真空绝缘特性殛真空灭弧室用于隔离功能的适用性对于大多数负荷开关 （ 甚至断路器 ） 用真空灭弧室能否简单地满足上述隔离开关和负荷隔离 开关的标准要求 目前尚存疑问。 如果真空开关设备增加对地泄漏电流保护与污秽工况下的 真空灭弧室（W）外绝缘保护、 如果W配可靠的分合位置指示器.则真空开关用于隔离功能将毫无标准障碍。尽管如此，具有中压开关设备设计经验的人不可能想到用W作隔离开关。一般认为，绝缘与隔离只能选择 SF6空气或油；

6、而真空只能作为开关的灭弧介质。这主要由 于人们没有认识到真空可提供可靠的绝缘性能。 相反大家都知道， 真空在该领域表现的弱 点。如果开断介质是真空， 在重合器额定冲击耐压以下，处于分闸位置的W或真空间隙随机放电的概率约为 25。目前真空间隙的绝缘特性在开关柜中的应用非常有效。 气体绝缘介质的绝缘特性主要取决于间隙的几何形状和气体特性；而真空介质的绝缘特性主要取决于电极的微观表面状 况。真空灭弧室的本底压力在低于规定水平 （对于实用尺寸的灭弧室为 10-1Pa 级）时几乎 甚至完全不影响绝缘特性。 承受真空强电场的金属电极表现出的弱点是它能通过不同的机理引发击穿主要有场致发射电流和充电粒子的影响

7、。弱点主要有：粗糙：表面出现针状几何形状电场增强系数高：杂质与氧化物：电子易于脱离金属材料，降低绝缘性能；不同大小的粒子： 当充电并置于电场中时 其微观结构会变得松散 撞击相反极性电 极时会释放能量，可在气体释放区域导致击穿 ） 。尽管制造中有规定.新封装的W电极、屏蔽罩和触头表面看上去干净、光滑、无氧化.但在高倍显微镜下仍可显出其缺陷.这些缺陷可能降低W的绝缘水平。因此需要通过电压老炼方式提高W的绝缘水平。 电压老炼方式是通过步进式提高施加于处于分闸状态的真空触头间 的电压经过多次击穿. 改正甚至消除上述缺陷， 只保留不影响W绝缘水平的因素。这种老 炼方式可将新出炉灭弧室绝缘水平提高45倍可

8、使新出炉灭弧室满足额定耐压水平。但这一过程也有局部的反作用.即电极表面的反老炼可能产生局部的反作用.并导致老炼实际得到的绝缘水平低于预期绝缘水平。影响灭弧室触头表面并形成击穿缺陷的主要因素有：触头的接触、滑动与分离：虽然是空载.但真空条件下的干净金属表面的冷焊趋势致 使触头表面粗糙。击穿放电：击穿放电本来是通过破坏阴极发射点而发挥老炼效果.但它也能在其它部位建立发射点，最值得注意的是在阳极建立发射点. 当施加电压的极性反转时， 阳极发射将 发挥反老炼副作用。燃弧改变了触头表面状况并在周围表面形成沉淀物、微粒、飞末 对所谓的扩散式真空电弧和小电流燃弧 （开断负荷电流时 ） 有利于提高绝缘耐压水平

9、：但对于大电流 （ 断路器用 灭弧室 ）则不适用 。短路电流关合或接通电容器组.这是由于预击穿强烈的熔焊作用所致.尤其是触头其后在空载下开断更为严峻。上述有些因素在W的寿命中是不可避免的.并可能降低灭弧室的绝缘性能。 这就是在对W冲击试验时，往往在冲击序列开始时发生击穿放电的原因所在。这些放电实际上具有再老炼效果.可允许灭弧室耐受其后的电压冲击波。如果在15次冲击渡试验中击穿放电不超过2次，则视为成功通过试验。需要申明的是真空间隙的击穿概率分布不是一成不变的它 在每次老炼 -反老炼、甚至未发生放电的绝缘试验 f 施加电压足以改变电场发射源特性 1后 会发生变化。为了便于评价真空间隙击穿概率分布

10、需要达到老炼与反老炼的平衡稳定。熟悉了上述真空绝缘特性，便于理解真空断口在真空灭弧室寿命中反老炼因素存在的原 因。4 W用于隔离开关：建议方案有以下几个方案可用于解决W提供隔离功能时的问题：4.1方案1:将专用的W用于隔离功能这种隔离开关空载操作.可将触头反老炼作用降低到最低水平。这一方案是由东芝公司用于固体绝缘开关柜（SIS）.于2002年在汉诺威博览会上展出。该开关柜中隔离开关用W与断路器用W串联.另设空气绝缘接地开关。隔离开关W配置是一种标准型.类似于负荷开关W配置，必须设计具有高的耐受电压，以考虑了空载操作的反老炼影响，并在额定绝缘水平下击穿概率仍很低。据作者论述.W击穿概率分布可用三

11、参数 Weibull法则描述。对于一只 新老练结束时可得到一个稳定的概率分布，可描述为：形状参数丫： 10；截波值 Uo： 0.6U50靠 U99大约对应交流老炼电压峰值。本文认为空载操作对击穿概率的影响如下： Ua不变；形状参数为丫大约降低至6; Uo大约降低至0.4U50;如果以此为基础确定W的设计与老炼电压.可降低其断口的击穿概率。例如.如果要在24kV开关柜.125kV额定绝缘水平的基础上获得 0.1 %的击穿概率.隔离开关灭弧室应按 36kv 设计井老炼.以抵消空载操作的反老炼作用。这种方案的缺陷是必须以大代小.用体积大、 价格高的灭弧室起隔离开关功能。4.2方案2:对受操作影响的表

12、面加以有效屏蔽埘降低空载机械操作时的老炼作用（方案1的改进）当隔离开关完全分闸进入打开位置时，把触头抽至绝缘防护罩后.可实现这一方案。 这一方案彻底降低了施加于反老炼表面的电场：这一想法的实施是通用电气公司专利，施耐德电气集团对该设计的一种方案进行了测试（见图1） 并声明在作2300次无故障冲击耐压试验中.该灭弧室在125kV时击穿概率小于 0.1 % （置信度为90% ）。为防止老炼效果对击穿概率真实性的影响每次试验均在反老炼空载co操作后进行。这样可认为每次试验的击穿概率相同.可用Poisson定律对其值进行评价。如果触头直径小.周围的屏蔽甚至可以消除更为严酷的反老练因素如空载分闸后的短路

13、关合操作，因此也为这类灭弧室用于负荷开关、 隔离负荷开关打开了方便之门。例如在进行 100次630A负荷电流开断和25kA5次短路 关合后其断口耐压仍保持初始耐压水平的95 %这些操作次数是频繁操作负荷开关的整个寿命。3工位隔肉负倚开关用VI心区域的绝缘防护。 另外，大电流电弧可能对绝缘防护罩产生负面影响，相反对负荷开关开断时小电流扩散燃弧期间的阳极班点无害而有益。4.3方案3:双断口方案提高真空断口的绝缘可靠性的另一为人熟知的方案是采用串联双断口技术。这种方案可串联双断口在降用于较高的容性操作特性， 因为无重击穿操作要求W具有良好的绝缘性能。低击穿概率方面的有效作用详见东芝专利.阳2隔囁开X

14、JFVT但是专利原理的实现还有一定问题因为建议的电极布置方式图2隔离开关用W由于来自因空载操作而变粗糙和反老炼触头区的磁力线直接连至反向触头.因此可能发生直接闪络，且直接闪络的可能性大于通过第三个中间电极闪络。该原理的另用途在东芝专利中作了说明，详见图3。图3 %禽开关用VI在该专利建议的设计中，通过在分开的触头间插入第三电极而获得双断口结构：如果中间电极具有适当的形状.则可有效防止直接闪络。 如果中间电极处于漂游电位，则该结构相当于两只串联的切。双断口虽仍有击穿的可能性.但击穿可能性低于双断口结构。如果中间电极接地.如这个专利中所建议的. 它的安全性得到改善.因为完全防止了隔离间隙之间的击穿

15、。 由于在隔离开关打开触头间插入接地的隔板。闪络被转移到地面。这种配置类似于设置了常用于配真空负荷开关或真空断路器的二次配电开关柜（如RMU中的2位置选择开关。这种情况下将选择开关处于接地位置并将负荷开关或断路器处于打开位置.即可实现隔离位置（见图4）。井*AM擾埔ffl 4 2丄臣透操开黄魔遲闱应当注意，如果接地连接固定无法拆除（这种情况下电缆测试可直 接触及导体）则选择开关不一定是隔离开关.因为它是2个提供隔离功能的开关的组合 （隔离断口间的测试电压施加于2个串联断口），选择开关仅需具有与其它开关设备相同的额定绝缘水平。如果需要将真空绝缘用于选择开关，必须特别注意绝缘可靠性应与隔离断口等效

16、，这点将在下一节详细说明。4.4方案4:配置更加复杂的W为了将隔离功能与接地功能组合，需要配置更为复杂的W （用 3工位结构代替传统的 2 工位结构）。如ABB公司最近提出了三工位（合闸一一隔离一一接地）开关W的理念。为动触 头与静触头增设了第三个接地的电极.该电极以圆环形包围触头间隙，在触头完全分开的位置（接地位置）可与动触头连接。有关文献申明这种配置的优点是可以提供“自动配合”.即对地闪络的发生优先于隔离断口间的闪络。支持这种申明的论点基于宏观电场分析，没有考虑触头表面的反老炼影响。 基于与上述专利讨论同样的原因.它也不是一个完全令人信服的方案。但是这不是一个实际问题因为必须提醒注意标准没

17、有要求自动配合。这类灭弧室的主要问题是必须获得高于普通真空断口的相对地绝缘可靠性。尽管在隔离 断口保护的系统安全性中. 相对地击穿不是关键因素. 但若因此引起开关设备损坏将是一个严重的问题。即使真空绝缘是自恢复绝缘 （类似于气体绝缘），即所谓自清除绝缘. W可预期 开断后续电流。但如果W发生击穿， 对开关柜的损坏就无法避免。这种电流往往含有几半波的高频分量，但也能发展为工频故障电流（取决于回路参数与真空断口开断初始高频电流的能力）。如果闪络发生在触头间的适当位置断路器与重合器用W般可在第一次电流过零 时清除所有的故障电流值。如果后续电流值太大，如下列接地故障电流情况下.则认为负荷 开关用W无法

18、达到同样要求 （可考虑用作接地开关）：中性点直接接地系统;中性点不接地系统的双接地故障。在这类情况下.W对地闪络可能是破坏性的. 应采取与其它内绝缘相同的措施加以防止。 这就是绝缘配合的目的，它规定使用了统计配合系数Kes和安全系数Ks,以满足安全准则，即可接受的设备故障率藏系数的推荐值基于额定绝缘水平下击穿概率为10 %的自恢复气态或液态绝缘的绝缘特性（=U10）:可以保证在代表性过电压的最大值时击穿概率实际为0。对于等值U10。的普通真空绝缘，传统绝缘系数的偏差大于气态绝缘，其故障率不能再忽视。这就是需要为相一地和隔离断口提供改进真空绝缘的原因。 文献说明，如果对这种灭弧 室进行改进，保证

19、隔离位置的绝缘可靠性， 负荷开关的动作不对触头造成潜在损坏； 并且改 进使接地电极可以移开目前位置而接近触头间隙. 则这种类型的W进一步可用作三工位负荷开关（广泛应用于二次配电系统的组合电器）。这种改进适用于真空绝缘而不是用于气体绝缘，是因为电弧等离子体不仅仅局限于燃弧区域，而是扩散于整个W容积内。 如果接地电极附近的等离子体密度对于相对地电压来说太大，则沿电极外缘发生闪络， 将电弧等离子体从接地电极分离并将发生接地故障这种接地故障vl能否清除取决于接地故障电流与W的配置。即使能够开断接地故障电流和主要电流，这种接地故障并不是所期望的。因此，接地电极和触头应设置于不受操作电弧等离子体影响的远距离位置，如西门子专利所示三工位断路器见图5图5三工位斷路尉用VI通过这最后一例.我们可以找到多功能切的理念即组合了下述功能:开断 （ 负荷开关或断路器 ）；隔离：接地。多功能W是日立公司和三菱公司联合东京电力公司多年前开发出来的，他们在断路器用W的基础上增加了隔离与接地功能，用于24kV小型化开关柜（见图6）。该理念已在 TEPCO系统上取得了运行经验但似乎没有批量生产的商业价值。这也许表明：一个W同时获得高开断电流、隔离位