真空隔离开关的可接受性要点.doc

真空隔离开关的可接受性Philippe PICOT施耐德电气 法国philippe picot S 71 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气体已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、目的及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开触头间的电气间隙（IEV441-17-35）。3) 隔离负荷开关：在分闸位置能满足为隔离开关规定的隔离要求的一种负荷开关（IEV441-14-12及GB/T3804-2004的4.102）。隔离开关（或隔离负荷开关）功能见文献1的8.3.1：“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（文献3的6.3）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，根据文献3的6.2.1，“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列标准：IEC 62271-1024；IEC 606945；IEC 60265-16；这些要求可总结如下：l 隔离开关提供的隔离断口间的绝缘水平应高于相间、相地15%（IEC标准）或10%(ANSI标准)（见文献5的4.2和附录D，文献7的）；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，则这一要求已满足（文献4的5.102）。 l 应能判定隔离开关处于分闸位置，如能满足下列条件之一，则该项条件已满足： n 隔离断口或间隙明显可见；n 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（文献4的）。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路关合试验（文献6的6.101.14和文献5的6.2.11）后，设备应至少保持断口短时工频耐压水平的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，文献5的附录D与文献7的4.3说明：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来保证的。因此，隔离开关隔离断口闪络的可能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（文献5的4.2），并可预期隔离间隙间击穿放电的概率很小（文献4的4.102的注释）。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0.1%。3 真空绝缘特性及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（VI）外绝缘保护、如果VI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VI作隔离开关。一般认为，绝缘与隔离只能选择SF6、空气或油；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，如文献8的做了如此描述：“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VI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（详见文献9）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。真空灭弧室的内部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灭弧是绝缘特性。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放电粒子的影响。弱点主要有：l 粗糙：表面出线针状几何形状，电场增强系数高；l 杂质与氧化物：便利了电子脱离金属材料，降低绝缘性能；l 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VI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现出其缺陷，这些缺陷可能降低VI的绝缘水平。因此需要通过调压老练方式提高VI的绝缘水平，调压老练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，修正甚至消除上述缺陷，只保留不影响VI绝缘水平的因素。这种老练方式可将新出炉灭弧室绝缘水平提高45倍，可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，即电极表面的反老练可能产生局部的反作用，并导致老练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：l 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；l 击穿放电：击穿放电本来是通过破坏阴极发射点而发挥老练效果，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练副作用；l 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；但对于大电流（断路器用灭弧室）则不适用；l 短路电流关合或接通电容器组，这是由于大电流强烈的熔焊作用所致，尤其是其后要开断的情况更为严峻。上述有些因素在VI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VI冲击试验中击，如果有击穿放电，则总发生在冲击波初始位置的原因。这些放电实际上具有再老练效果，可允许灭弧室耐受其后的电压冲击波。如果在15次冲击波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常数，它在每次老练、反老练、甚至未发生放电的绝缘试验（施加电压足以改变电场发射源特性）后会发生变化。为了便于评价（如文献11附录A用试验的方式）真空间隙穿概率分布，需要达到老练与反老练的平衡稳定。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练因素存在的原因。4 VI用于隔离开关：建议方案有以下几个方案可用于解决VI提供隔离功能时的问题：4.1 方案1：将专用的VI用于隔离功能由于隔离开关空载操作，通过屏蔽触头表面，可将触头反老练作用降低到最低水平。这一方案是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VI与断路器用VI串联，另设空气绝缘接地开关。隔离开关VI配置是基本选项，类似于负荷开关配置，但由于它考虑了空载操作的反老练影响，在额定绝缘水平下击穿概率仍很低。真空隔离开关绝缘设计的理论依据见文献12。据作者论述，VI击穿概率分布可用三参数Weibull法则描述（详见文献13附录C）。对于一只新VI，老练结束时可得到一个稳定的概率分布，可描述为：l 形状参数为g：10；l 截波值U0：0.6U50；l U99：大约对应交流老练电压峰值。本文认为空载操作对击穿概率的影响如下：l U99不变；l 形状参数为g大约降低至6；l U0大约降低至0.4U50。如果以此为基础确定VI的设计与老练电压，可降低其断口间的击穿概率。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设计并老练，以抵消空载操作的反老练作用。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： 隔离受操作影响的表面、降低反老练作用（方案1的改进）当隔离开关完全分闸后，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练表面的电场，这一方案叙述于通用电气专利14，施耐德电气集团对该方案的改进样机进行了测试，见图1，并在文献15中进行了叙述，并声明通过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%）。为防止老练效果对击穿概率真实性的影响，每次试验均在反老练空载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。如果触头小，周围的防护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，文献15所述VI在进行100次630A负荷电流操作和25kA短路电流操作后，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。图1 3工位隔离负荷开关用VI15相同的配置不能用于大尺寸的断路器触头，因为没有合理的触头行程来满足触头中心区域的绝缘防护。另外，大电流可能对绝缘防护罩产生负面影响，对在小电流负荷开关操作中无害甚至有益的阴极斑点产生负作用。图2 文献17所述隔离开关 用VI4.3 方案3：双断口方案提高真空断口的绝缘可靠性的另一方案是采用串联双断口技术。这种方案可用于较高的容性操作特性16，因为重击穿操作要求VI具有良好的绝缘性能。串联双断口在降低击穿概率方面的有效作用见东芝专利（文献17），如图2所示。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并不排除正对触头单断口之间的直接闪络。由于产生于粗糙、空载反老练作用的表面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中间触头闪络。该原理的另一用途在文献18东芝专利中做了说明，见图3。图3 文献18所述隔离开关 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。如果中间电极处于漂游电位，则该结构相当于两只串联的VI。双断口虽仍有击穿的可能性，但击穿可能性低于单断口结构。如果中间电极接地，由于真空断口间的闪络被插入隔离开关断口间的壁障所转移，完全防止了断口间的击穿，提高了这一方案的安全性。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19。这种情况下，将选择开关接地并将负荷开关或断路器分闸，可使隔离开关处于隔离位置。见图4。图4 2位置选择开关原理图应当注意，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（如文献18所建议），必须特别注意绝缘可靠性应与隔离断口等效，这点将在下文详细说明。4.4 方案4：配置复杂的VI 为了将隔离功能与接地功能组合，需要配置复杂的VI（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（合闸隔离接地）开关VI的理念20。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。文献20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微观电场分析，没有考虑触头表面的反老练影响。基于与上述专利17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，VI可预期开断后续电流。但如果VI发生击穿，对开关柜的损坏就无法避免。这种电流往往含有小半波的高频分量，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VI一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VI无法达到同样要求：l 中性点直接接地系统；l 中性电不接地系统的双接地故障。在这类情况下，VI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文献21和文献13，它定义了统计配合系数Kcs(文献13的1.3)和安全系数Ks(文献21的3.29)以满足安全准则文献21的3.22和文献13的3.2，即可接受的设备故障率。该系数的推荐值基于额定绝缘水平下击穿概率为10%的自恢复气体或流体绝缘的绝缘特性（=U10）：可以保证在代表性过电压的最大值（文献21的3.19）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体绝缘，其故障率不能再忽视。这就是需要为相地和断口提供改进真空绝缘的原因。文献20说明，如果对这种灭弧室进行改进，保证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VI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VI容积内。如果临近接地电极的等离子体密度对于相对地电压来说太大，沿电极外缘会发生闪络，将电弧等离子体从接地电极分离22，并将发生接地故障，这种接地故障VI能否清除取决于接地故障电流与VI的配置。即使能够开断接地故障电流和主要电流，这种短效接地故障操作并不是理想选择。因此，接地电极应设置于保护不受操作电弧等离子体影响的远距离位置，如西门子专利23所示三工位断路器见图5。通过这最后一例，我们可以找到多功能VI的理念，即组合了下述功能：l 开关操作（负荷开关或断路器）；l 隔离；l 接地。图5 文献22所述三工位开关用VI多功能VI是日立公司24和三菱公司25联合东京电力公司多年前开发出来的，他们在断路器用VI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VI同时获得高开断电流、隔离位置的高绝缘可靠性和操作接地故障保护是一个艰巨的挑战。目前，成功完成这种多功能VI似乎对负荷开关极为有利，但对断路器用VI尚有疑问。对于最后一例，情况可能变的更为简单，这种多功能VI的复杂性在于如何如文献20建议经济地将2只单独的VI用于断路器与接地/隔离功能。图6 多功能真空灭弧室示例5 小结用户对上述方案的可接受性取决于这些方案的说服力使用户确信真空绝缘可提供可靠的隔离断口。考虑这种VI用作隔离功能的一个先决条件是具有用户接受的已用于现代SF6绝缘隔离开关的一些特点（相对于传统可见的空气断口）：l 用分合位置指示器代替传统的可见断口（虽然这项要求不存在原理上的不可能性，但对将这种VI用于隔离功能提出了更为严酷的要求。）l 永久性密封的可靠性，即确保绝缘介质完整性的可靠性。要考虑的第一种情况是单断口（真空断口）隔离开关，要令人信服，该方案应考虑真空绝缘特性，并尤其应考虑空载操作时触头的反老练作用，以证明在额定绝缘水平下击穿放电概率低。我们已经知道用于隔离开关和隔离负荷开关的现有的一些有效的设计。对于组合隔离与接地功能的VI，它们也应提供可靠的相对地真空绝缘，推荐用于隔离间隙的相同方案适用于本用途。如果该要求可完全满足，即可利用真空技术实现图4所示的2位置选择开关配置，并可提供比单断口方案更为可靠的隔离功能。最后一种情况是给单一的VI组合三种功能（分合操作、隔离、接地）：从原理上讲，本技术方案的多功能VI具有可接受性，其关键在于与其它更为简单的VI或其他技术相比，在经济上的竞争力。参考文献1 国际标准IEC60050-441, 1984, 国际电工词汇第441部分：开关设备、控制设备和容断器2 国际标准IEC61936-1，2002， 额定电流大于1kV的电力装置第1部分：通用规则3 欧洲标准 EN50100-1，1996， 电气装置的操作4 国际标准IEC62271-101，2001， 高压开关设备与控制设备第102部分：交流隔离开关与接地开关5 国际标准IEC60694，2001， 高压开关设备与控制设备标准的共同技术条件6 国际标准IEC60251-1，1998， 高压负荷开关第1部分：额定电压1kV以上52kV以下负荷开关7 美国国家标准IEEE C37.34，1994， 高压空气开关试验标准8 美国国家标准IEEE C37.60，2003，架空、柱上、干燥地下室、潜艇用交流自动重合器与断路器标准要求9 P. 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