10kv真空斷路器的常見故障分析

馮世坤

摘 要：文章以我廠使用的ABB VD4真空斷路器為例，介紹了其工作原理，并對常見的故障現象與原因進行了分析，探討了相應的預防及處理措施，最后提出了減少10kv真空斷路器故障的幾點建議。

關鍵詞：真空斷路器；常見故障；斷路器維護

前言

VD4真空斷路器適用在以空氣為絕緣的戶內式開關系統中。只要在正常的使用條件及斷路器的技術參數范圍內，VD4真空斷路器就可以滿足電網在正常或事故狀態下的各種操作，包括關合和開斷短路電流。

真空斷路器具有適合頻繁操作、防燃、防爆、運行可靠性高等諸多優點，是一種很少需要維護的開關設備，但隨著使用時間的增長，故障的出現是不可避免的。

1 真空斷路器的主要工作原理

1.1 真空包內的屏敞保護層

在真空包內有一層用紫銅片制成的屏敞層，主要作用是防止觸頭在燃弧過程中生產的大量金屬蒸汽和液滴噴濺，污染絕緣外殼的內壁，造成管內絕緣強度下降，其次，可以改善管內電場分布，也可吸收電弧能量，冷凝電弧生成物，提高真空弧室開斷電流能力。

1.2 真空滅弧室工作原理

真空包內的真空滅弧室是利用高真空工作絕緣滅弧介質，靠密封在真空中的一對觸頭來實現電力電路的通斷功能的一種電真空器件。當其斷開一定數值的電流時，動靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點上，出現電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發生電極金屬的蒸發，同時形成極高的電場強度，導致極強烈的發射和間隙擊穿，產生真空電弧，當工頻電流接近零時，同時也是觸頭開距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質迅速由導電體變為絕緣體，于是電流被分斷。

由于滅弧室的靜態壓力極低，約10-2～10-6pa，所以只需很小的觸頭間隙就可達到很高的電介質強度。分閘過程中的高溫產生了金屬蒸氣離子和電子組成的電弧等離子體，使電流將持續一段很短的時間。由于觸頭上形螺旋槽，電流曲折路徑效應形成的磁場作用在電弧上，使電弧以每秒10～100米的速度在觸頭表面旋轉運行，直到電弧熄滅。這樣即使在切斷很大的電流時，也可避免觸頭表面的局部過熱與不均勻的灼燒。電弧在電流自然過零時熄滅，殘留的離子、電子和金屬蒸氣只需在毫秒級時間內即可復合或凝聚在觸頭表面屏蔽罩上，因此，滅弧室斷口的電介質強度恢復極快。對真空滅弧來說，由于觸頭間隙小，金屬蒸氣產生的電弧等離子體導電率高，電弧電壓極低。加外，燃弧時間短，伴生的電弧能量極小，綜上各點都有利于觸頭壽命的增加，也有利于真空滅弧室性能的提高。[1]

2 真空斷路器的常見故障

真空斷路器的常見故障主要分電氣回路故障和機械故障兩個方面。主要表現為真空滅弧室的漏氣、絕緣故障、拒動和誤動等。

2.1 真空滅弧室的漏氣問題

2.1.1 故障現象與原因

真空斷路器運行時，正常情況下，其滅弧室的屏蔽罩顏色應無異常變化，真空度正常。若運行中或合閘之前（一端帶電壓）真空滅弧室出現紅色或乳白色輝光，說明真空度下降，影響滅弧性能。

真空度降低將嚴重影響真空斷路器開斷過電流的能力，并導致斷路器的使用壽命急劇下降，嚴重時會引起開關爆炸。

真空滅弧室、動靜觸頭結構、屏蔽罩的封接、殼體材料、波紋管材質和加工方法等都會影響真空滅弧室的性能。高壓真空斷路器應用或保護環境的污穢等級、濕度、鹽霧等選擇不夠合適，有害氣體、凝露造成波紋管點狀腐蝕，可導致波紋管和蓋板及封接面的漏氣。

隨著真空滅弧室使用時間的增長和開斷次數增多，其真空度也可逐步下降，下降到一定程度將會影響它的開斷能力和耐壓水平。真空斷路器的觸頭多為對接式結構，在分合操作中可能產生不同程度的反彈現象不論分閘反彈還是合閘反彈都會給運行帶來危害。分合閘時的沖擊速度及沖擊力較大發生彈跳都可能產生觸頭和導電桿的變形，甚至產生裂紋，反彈導致波紋管經受強迫振動可能產生裂紋，使滅弧室漏氣。

2.1.2 故障預防

真空斷路器在使用過程中必須定期檢查滅弧室管內的真空度。目前檢查方法有：（1）對玻璃外殼真空滅弧室可以定期目測巡視檢查，正常時內部的屏蔽罩等部件表面顏色應很明亮，在開斷電流時發出淺藍色弧光。當真空度下降很嚴重時，內部顏色就會變得灰暗，開斷電流時將發出暗紅色弧光。（2）定期（3年左右）進行一次工頻耐壓試驗。當動靜觸頭保持額定開距條件下，如果工頻耐受電壓不低于額定工頻耐受電壓，則表明真空度滿足使用要求。如果在升壓過程中，真空滅弧室內部發生持續擊穿或輝光放電，則表明真空滅弧室真空度已嚴重下降，已不能繼續使用。

2.1.3 故障處理

保證高壓真空斷路器超行程、觸頭行程在規定范圍，合理的選擇使用和儲存環境，是解決真空滅弧室漏氣問題的重要措施。

當發生斷路器真空度降低時，必須更換真空泡，或更換真空斷路器，并做好行程、同期、彈跳等特性試驗。

2.2 絕緣故障

2.2.1 故障現象與原因

固封極柱技術，是真空斷路器技術的巨大進步，真空斷路器的極柱絕緣經歷了空氣絕緣-復合絕緣-固封絕緣。這就形成了三代真空斷路器。在第一代空氣絕緣中，帶電部分完全裸露在空氣中，它的絕緣水平隨著空氣中的濕度、灰塵以及運輸過程的磕碰而變化，并易受小動物等異物的影響。在第二代復合絕緣中，將滅弧室保護在環氧樹脂套筒內。但這種套筒沒有完全把高壓帶電部分包起來，里面還會受灰塵、潮氣、昆蟲等影響。第三代絕緣也就是固封極柱，它通過APG工藝，利用環氧樹脂將滅弧室及上下出線端全部包封。這樣做，不僅縮小了滅弧室尺寸，而且徹底不受外界環境（灰塵、潮氣等）的影響，提高了耐氣候性，此時環氧樹脂不僅作為一次部分的主絕緣，而又是它的機械支撐，其電場分布和應力分布優于各種形狀的絕緣隔板結構。endprint

目前，真空開關的使用狀況是三代真空斷路器共存。其中， 由于第三代固封極柱真空斷路器的極柱固封技術是一種嶄新的技術，在國外也只有極少制造公司掌握這種技術，如ABB公司在1997年用固封極柱開發出VMl型免維護真空斷路器。2003年，我國同時研制出兩種固封極柱真空斷路器：VEP型和VSM型。第三代固封極柱真空斷路器在市場的占有量還有限，大部分真空斷路器是第二代復合絕緣，受外界環境影響較大。運行中產生的熱量和電場應力都會使絕緣產生老化。絕緣故障在真空開關設備中仍居多，其威脅是不言而喻的。

據相關文獻報道，1998年至2008年我國運行的高壓開關設備共發生絕緣故障398次，其中6～35kv絕緣故障共300次，占總絕緣故障的75.4%。而6～35kv高壓開關設備絕緣故障中，真空開關設備的絕緣故障共138次，占絕緣故障的46%，仍然居多。[2]

2.2.2 故障預防

（1）選擇真空斷路器時就考慮使用環境和平時維護檢修的條件，選擇質量可靠的產品。

（2）在安裝、調試、檢修過程中工裝工藝到位，防止操作過程中機構運動對絕緣體的外力破壞。

（3）在運行時的環境得到充分保證，減少灰塵、潮氣等對設備的影響；減小維護周期，定期對開關的絕緣部分包括絕緣拉桿進行必要的清掃和外觀檢查。

（4）定期按規程規范對絕緣進行檢測。另外，加強絕緣壽命預測對減少絕緣事故有著重要的意義。[3]

2.2.3 故障處理

一旦發生絕緣事故，找準事故原因采取相應對策的原則，對損壞的絕緣器件進行更換，并進行絕緣試驗。

2.3 拒動、誤動故障

2.3.1 故障現象及原因

（1）真空斷路器合閘失靈

電氣方面的故障主要有：合閘電壓過低（操作電壓低于0.85額定電壓）或合閘電源整流部分故障；合閘電源容量不夠；合閘線圈斷線或合閘線圈匝間短路二次接線接錯等。

操動機構的故障主要有：合閘過程中分閘鎖扣未扣住，分閘鎖扣的尺寸不對；輔助開關的行程調得過大，使觸片變形彎曲，接觸不良。

（2）真空斷路器分閘失靈

電氣方面的故障主要有：分閘電壓過低（操作電壓低于0.85額定電壓）；分閘線圈斷線；輔助開關接觸不良。

操動機構的故障主要有：分閘鐵芯的行程調整不當；分閘鎖扣扣住過量；分閘鎖扣銷子脫落。

（3）VD4真空斷路器只能合分閘一次

只要將VD4真空斷路器中的防跳繼電器KO線圈回路切斷，VD4真空斷路器就能恢復正常操作了。

切斷防跳繼電器KO線圈回路有兩種方法：一種是拆除防跳繼電器KO線圈回路A或B端，并將拆除后的線頭包扎好。另一種方法是將CSL216B線路保護裝置的合閘出口#7線改接在VD4真空斷路器的CZ12端子上，使防跳繼電器KO沒有工作電源而失去作用。因為CSL216B線路保護裝置中還有防跳繼電器TBJ，取消VD4真空斷路中的防跳繼電器KO不會給線路保護和斷路器造成影響。

（4）真空斷路器運行中斷相

真空斷路器接通高壓電動機時，有時會出現斷相，使電動機缺相運行而燒壞電動機。真空斷路器出現合閘斷相的可能原因如下：

斷路器超行程（觸頭彈簧被壓縮的數值）不滿足要求，影響該相觸頭的正常接觸。這可通過調節絕緣拉桿的長度，并重復測量多次，才能保證其超行程的正確性和接觸的穩定性。

斷路器行程不滿足要求。在保證超行程的前提下，通過調節分閘定位件的墊片，使三相行程均滿足要求，并三相同步。

由于真空斷路器的觸頭為對接式，觸頭材料較軟，在分、合閘數百次后觸頭易變形，使斷路器超行程變化，影響觸頭的正常接觸。

（5）真空斷路器彈簧操作機構合閘儲能回路故障

儲能不正常是真空斷路器較常見的故障之一，特別是棘輪、棘爪驅動的儲能機構，故障幾率較高。儲能機構要完成儲能動作，主要取決于儲能電機、驅動機構、定位件這3個環節。緊緊抓住這3個環節，很容易找出故障的癥結。

2.3.2 故障預防

真空斷路器的拒動和誤動故障基本上都是由操作機構及控制回路故障所引起， 其故障預防和處理應注意以下幾個方面。

（1）防止松動與蹩勁。機構在操作時會發生沖擊和振動，所有緊固處應有防松措施，一些受力較大的活銷，不能單用開銷定位，防止由于操作時各連板上的力不平衡，造成活銷蹩勁，從而剪斷開口銷。

（2）防止銹蝕和臟污。銹蝕和臟污會顯著降低機構操作可靠性，使操作系統的機械特性變壞，甚至釀成分合閘拒動事故。滑動軸承由于銹蝕和臟污，摩擦系數可以高達0.3，即使采用了滾柱和滾子軸承，銹蝕和臟污也會使它的摩擦系數增大到0.1，這比正常條件下的數值大一個數量級，將引起肘節和脫扣機構工作的不穩定。保持機構所處環境條件的清潔度，定期去除機構上（特別是旋轉、滑動配合）的臟污，經常注意潤滑，在軸和銷上噴涂的硫化鉬固體潤滑劑等可取得很好的效果。

（3）防止機構進水。進水會使機構的絕緣件受潮，加速金屬零件的銹蝕。

（4）提高控制回路的可靠性。要保持接線可靠，不致因操作一定次數后振動脫落絕緣件有足夠的絕緣；輔助開關固定要牢固，不因操作而變動或竄動，其聯動機構要調整到位，并防止變動；輔助開關的節點要防止銹蝕。

2.3.3 故障處理

斷路器的基本操作過程可以簡單地描述為：儲能→合閘準備→合閘→合閘保持（鎖扣）→完成合閘動作→分閘→（脫扣）→完成分閘動作。

上述任何一個環節出問題，都將影響斷路器的合、分操作。因此，分析故障點時，首先要分清各功能塊，再采取分步排除法，逐個排查。

在此需強調指出，在斷路器發生拒動、空合等情況時于分析檢修斷路器主體之前，要充分判斷一下原因是否出在控制及二次元件如輔助開關、端子排等方面，然后再進行斷路器的分析診斷。

3 結束語

通過以上對真空斷路器在運行中所出現故障的分析，結合真空電弧理論知識和運行中的經驗，提出以下幾點建議：

（1）最好選用外殼由兩個高氧化鋁陶瓷管組成、屏蔽罩固定于2個陶瓷管之間、屏蔽罩與動靜觸頭間的分布電容要求完全相等、內部電場均勻、結構簡單的真空滅弧室結構。

（2）觸頭材料要求含氣量低、開斷能力大、抗熔焊、截流電流小、電磨損速率小、接觸電阻小。銅鉻觸頭最適合。

（3）應加強對真空斷路器的合閘彈跳和分閘反彈的監督力度。

（4）加強對真空斷路器的開距、超行程、剛分、剛合速度等特性測試。斷路器在選型時，盡量選擇機構布局簡單、易于拆裝、工藝性好、互換性強的產品。

（5）今后在設備選型時，應特別加強對制造工藝的要求和對其它輔助設備的技術要求。

（6）按產品技術規范對真空斷路器定期維護。

參考文獻

[1]廈門ABB開關有限公司. VD4真空開關產品說明書[Z].

[2]GB/T 11022-2011.高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求[S].

[3]GB 17701-2008.設備用斷路器[S].endprint