真空灭弧室电压老炼新技术研究

摘要　研究了并联电容器在真空灭弧室工频电压老炼中的作用，并与现有的电压老炼技术作了比较。通过在真空灭弧室的排气过程中的应用，证明了并联电容器后，不但可以使放电点非常均匀地覆盖整个触头表面，有助于触头材料表层的释气，而且迅速提高间隙耐电压强度，大大减小了工频电压老炼的时间。
　　关键词　真空灭弧室　老炼　并联电容器

　　0　引　言

　　真空间隙的绝缘性能不仅受触头材料性能的影响，而且还受触头表面状况的影响，如微凸起、附着金属微粒、氧化物和有机污染物以及表层含气量等。电压老炼可以有效提高真空灭弧室触头间的耐电压强度。文献［1］报道经过机械精细抛光的电极虽比电压老炼后的表面平滑得多，但耐电压强度仍不如老炼后的电极间隙。由于老炼能改善表面状况而使真空间隙耐电压强度大幅度提高，因而研究提高电压老炼效果的机理和因素有较大的实际意义。
　　对于新生产的真空灭弧室，工频下的火花老炼是最简单和最有效的提高真空间隙耐压的方法。电压老炼主要是利用间隙击穿的放电能量使电极表层局部熔化并再结晶，从而使真空间隙的耐压强度随着一次次击穿放电而逐步提高。因此，适当改变老炼时的放电能量可以有效加快老炼进程。本文研究了增加并联电容器对真空灭弧室工频电压老炼的影响，并与现有电压老炼方法进行了全面的比较。

　　1　试验线路与电路分析

　　工频电压下的火花老炼试验是在电压等级10kV、开断能力20kA、纵向磁场触头结构的玻璃外壳真空开关上进行的。施加工频高压进行老炼，试验线路及测试原理如图1所示。图中T为工频电源；限流电阻Rm为多级线绕电阻串联(50～300kΩ)组成，阻值可调；真空开关灭弧室VCB电容值约在10～20pF之间随开距的变化而变化；Cp为并联电容器；V为静电电压表，电流信号的测量由罗柯夫斯基线圈R.C来完成。罗柯夫斯基线圈可测量ns级的快速变化的大电流［2］，分辨率为1.8　V/kA。所测得的信号经过同轴双屏蔽电缆送入TDS220数字记忆存储示波器(C.R.O)。整个测量回路屏蔽良好，测量线为双层屏蔽线，示波器置于屏蔽车中，使用隔离滤波电源。
 

图1　火花老炼试验及测量原理图

　　2　试验波形与分析

　　工频电压下的火花老炼，可以通过击穿电流来反映放电能量的大小。实验记录了上千次的老炼放电电流。图2(Rm＝340kΩ，Ce＝20pF，f＝3MHz，开距d=3.5Mm)和图3(Rm＝340kΩ，Ce＝549pF，f＝3MHz，开距d=3.5Mm)是并联电容器前后的真空灭弧室击穿电流的典型波形。未并联电容器时就是现有电压老炼电路，真空灭弧室试品的等效电容主要包括：电极间隙电容、线路杂散电容和静电电压表电容，总电容量很小。击穿电流持续时间约为500ns。击穿电流的峰值约800A， 衰减很快， 不到1μs就降到零。电流波形振荡频率在15～25MHz之间。在并联电容器的试验中，真空灭弧室击穿电流波形持续时间约5～10μs， 峰值可达约1800A， 电流波形振荡频率在3～5MHz之间。并联电容器后放电电流的峰值和持续时间大大增加， 每次击穿后放电能量大大增大。
 

图2　未并联电容器时的真空灭弧室击穿电流波形

图3　并联电容器后的真空灭弧室击穿电流波形

　　现有的电压老炼，施加电压后观测到的火花放电次数很少，记录到的放电次数一般只有一次；而并联电容器后，可清楚地听到连续放电的声音，并发现示波器记录时间内发生多次击穿放电。从图4可见(开距d=3.5Mm，Ce＝549pF)，50Ms时间内发生多次击穿，而且大约每10Ms就有一次，与工频电压的峰值附近相对应，可以说明击穿的极性效应不明显。图5(d=3.5Mm，Ce＝549pF)是500Ms内记录到的击穿时刻在时间轴上的分布，多次击穿电流并不彼此相连，击穿时刻同于图4。虽然多次连续击穿放电，但不能由此推断真空灭弧室电极间隙的耐电压强度随着放电而下降，因为每次击穿时的瞬态电压峰值都很高。
 

图4　并联电容后工频老炼50Ms内击穿次数

图5　并联电容后工频老炼500Ms内击穿次数

　　在试验回路中等值电容C增大了十几倍，变压器经电阻对电容器充电的时间常数τ增加，储存的电场能量也大大增加。从图3的击穿电流波形可以看出，真空灭弧室对高频电流的过零熄灭，由并联电容器和回路电感(包括导线和触头电感之和)在电极间隙上产生瞬态过电压，引起下一次击穿的发生。由于并联电容器充电的时间常数τ的增加使每次击穿有一定的时间间隔，形成彼此独立的连续击穿过程。不并联电容器虽然偶尔也可产生几个周波内的几次击穿，但放电发生的频率、击穿电流的幅值都远低于并联电容器的情况。并联电容可以使真空灭弧室在较低电压下发生多次击穿，大大提高老炼效率。在一定时间内工频老炼可以覆盖较大的电极表面，以较短时间达到长时间的老炼效果。
　　为了进一步研究并联电容器在工频电压老炼中的生产应用，在真空灭弧室的排气过程中，进行了电压老炼试验。实际生产工艺流程的排气过程需对真空灭弧室进行工频电压老炼，为了进一步清洁触头表面，提高真空灭弧室电极间的耐压，电压老炼时间一般为30～60Min。但是触头表面的放电斑点仍然较少，分布不均匀，不能覆盖整个触头表面，对彻底清洁触头表面促进触头材料表面的释气没有明显的作用。图6为现有电压老炼的触头表面照片。
 

图6　现有电压老炼的触头表面照片

　　并联电容器后电压老炼的触头表面照片如图7所示。电压老炼时间只有约5min，就已经在触头表面形成均匀分布的几百个击穿点。老炼时在真空灭弧室内产生长时间、阶段性放电，每一阶段性放电不需要降低电压就可自然中止，因而使触头间隙的耐压得以提高。从观测到的放电明亮通道看，已经不仅局限于触头与触头之间，还有端盖和屏蔽筒之间的放电，放电通道几乎可到达整个真空灭弧室内表面。触头表面的放电痕迹基本上覆盖了整个触头表面，形成一层致密结构。放电持续过程中伴随大量气体的释放。

图7　并联电容器的电压老炼触头表面照片

　　并联电容器的老炼放电使排气时的真空度下降两个数量级，有很高的放气量。随后利用扫描电子显微镜SEM观察老炼后的真空灭弧室触头的表面形态，如图8所示。经能谱仪测定放电熔化区表面的Cu和Cr成分比例没有变化。由于放电能量较大，触头表面的熔化深度介于目前的电压老炼和电流老炼之间，试验证明适当的熔化程度有助于触头材料表层吸附气体的释放。新的老炼方法很快使真空灭弧室触头间耐压达到d=2Mm，60kV有效值。
 

图8　并联电容器电压老炼后触头表面SEM照片

　　新的电压老炼法可缩短老炼时间，即在较短时间内取得长时间加压的老炼效果，提高工作效率。并联电容器后的击穿放电是彼此独立的持续时间为几十μs的多次击穿，增加了每次放电的能量，可明显促进触头表层的放气。有关并联电容的最佳值及其与电压老炼有关的其他参数，如电极间隙大小、放电频率、老炼后的耐电压值等有待进一步研究，新方法的老炼放电引起很大的电磁干扰，是实际应用必须先解决的重要问题。
　　3　结　论

　　本文主要研究了真空灭弧室工频电压老炼的一种新技术，通过与现有电压老炼技术的对比研究，发现并联电容器的工频电压老炼可以增加单位时间内的放电次数，可迅速提高真空间隙耐电压强度，从而缩短老炼时间，提高工作效率。并联电容器后增加了每次放电的能量，使整个电极表面产生一层均匀的浅表熔化层，放电时触头表层的气体释放明显。新的电压老炼方法应用于真空灭弧室的排气过程中，工作效率和老炼结果都优于现有的电压老炼，该方法有较大的实际应用价值。

作者简介：杨兰均　1968年生，讲师，硕士，从事高电压测量及真空开关绝缘方面的研究工作。

作者单位：西安交通大学(西安710049)

　　参考文献

　[1]Kobayashi S. Recent experiments on vacuum breakdown of oxygen-free copper electrodes. XVIIth Int. Symp. on Discharge and Electrical Insulation in Vacuum, PP9 Berkeley, 1996.
　[2]余存仪等.高电压强电流脉冲测量技术的研究.西安交通大学学报，1995，29(10)：1