真空斷路器絕緣耐壓試驗(yàn)不合格缺陷分析

杜啟業(yè) 吳樹平

摘要：“高壓真空斷路器”因其滅弧介質(zhì)和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質(zhì)都是高真空而得名。真空斷路器具有體積小、重量輕、適用于頻繁操作、滅弧不用檢修的優(yōu)點(diǎn)，在10kV電力系統(tǒng)中應(yīng)用較為普及。本文針對(duì)兩起同類型的真空斷路器，在預(yù)試過(guò)程中出現(xiàn)的絕緣耐壓試驗(yàn)不合格的缺陷而進(jìn)行分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)處理情況和以往經(jīng)驗(yàn)提出相應(yīng)的處理方法和預(yù)控措施，以提高真空斷路器的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；真空度；真空泡；電氣預(yù)防性試驗(yàn)

真空斷路器具有適合頻繁操作，電氣壽命長(zhǎng)，檢修維護(hù)工作量小，防燃、防爆等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。隨著供電壓力愈來(lái)愈嚴(yán)峻，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行可靠性也要求越來(lái)越高。而真空斷路器的滅弧和絕緣介質(zhì)是真空，所以真空滅孤室本身的質(zhì)量對(duì)設(shè)備的電氣性能，尤其是絕緣與耐壓能力起著舉足輕重的作用。下面以預(yù)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的兩起真空斷路器絕緣耐壓不合格缺陷為例，具體分析其缺陷原因并提出相應(yīng)的預(yù)控措施。

1設(shè)備缺陷分析

針對(duì)以上設(shè)備存在的兩起重大缺陷，部門成立了專項(xiàng)技術(shù)分析小組。為進(jìn)一步分析設(shè)備的缺陷原因，專項(xiàng)技術(shù)小組將退出運(yùn)行的長(zhǎng)安站#4主變變低504開(kāi)關(guān)、信垅站#4主變變低504開(kāi)關(guān)B相真空泡重新裝配成一臺(tái)可操作的斷路器，對(duì)設(shè)備的缺陷進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析，導(dǎo)致真空泡分閘斷口絕緣、耐壓不合格的原因主要有以下幾方面，具體情況如下：

（1）真空泡輔助絕緣部分絕緣不合格

針對(duì)真空泡斷口絕緣、耐壓不合格，初步分析可能固定真空泡的輔助絕緣部分存在問(wèn)題，影響設(shè)備斷口的絕緣及耐壓，真空斷路器真空泡的主要輔助絕緣部分是上下支架絕緣瓷瓶、絕緣操作拉桿、絕緣支撐架及真空泡的外殼絕緣瓷瓶，因此，我們對(duì)斷路器的輔助絕緣部分進(jìn)行了電氣試驗(yàn)檢查，檢查結(jié)果見(jiàn)表1.

表1：絕緣部件的絕緣電阻統(tǒng)計(jì)表

絕緣部位（單位MΩ） 信垅504開(kāi)關(guān)B相 長(zhǎng)安504開(kāi)關(guān)B相

上絕緣支持瓷瓶 20000 14000

下絕緣支持瓷瓶 1470 1300

觸頭彈簧拉桿絕緣瓷瓶 60000 45000

絕緣支撐架（4根） 6000、16000、14000、20000 12000、13000、75000、40000

真空泡外殼瓷瓶 20000 100000

從上表可以看出，上下絕緣支持瓷瓶，觸頭彈簧的拉桿絕緣瓷瓶，絕緣支撐架，真空泡外殼的絕緣瓷瓶絕緣電阻均在1000MΩ以上，滿足南網(wǎng)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》技術(shù)要求，絕緣部件外觀檢查無(wú)發(fā)現(xiàn)裂紋、損壞等異常情況，可以說(shuō)真空斷路器的外部絕緣部件是完好的，造成絕緣偏低的部位初步判斷是發(fā)生在真空滅弧室內(nèi)。

（2）真空泡發(fā)生泄漏使真空度降低

真空斷路器真空泡內(nèi)部絕緣及分?jǐn)嘞珉娀≈饕吭O(shè)備的真空度滿足技術(shù)要求來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果設(shè)備的真空度下降，會(huì)直接影響設(shè)備的絕緣和耐壓，因此，針對(duì)設(shè)備存在的重大缺陷，我們技術(shù)小組組織對(duì)真空泡的真空度進(jìn)行了測(cè)試，使用了鄭州賽奧電子有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為ZK-4的真空測(cè)試儀，該儀器采用的是磁控放電法[1]：將真空開(kāi)關(guān)滅弧室的兩觸頭拉開(kāi)一定的距離（例如設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)距），施加電場(chǎng)脈沖高壓，將滅弧室置于螺線管圈內(nèi)或?qū)⑿滦碗姶啪€圈置于滅弧室外側(cè)，向線圈通以大電流，從而在滅弧室內(nèi)產(chǎn)生與高壓同步的脈沖磁場(chǎng)，這樣在脈沖磁場(chǎng)的作用下，滅弧室中的電子作螺旋運(yùn)動(dòng)，并與殘余氣體分子發(fā)生碰撞電離，所產(chǎn)生的離子電流與殘余氣體密度即真空近似成比例關(guān)系。當(dāng)測(cè)知離子電流后，通過(guò)離子電流──真空度曲線，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成真空度的計(jì)算，顯示真空度值。

2分析結(jié)論

針對(duì)信垅站、長(zhǎng)安站#4主變10kV側(cè)504斷路器分閘狀態(tài)下斷口絕緣及耐壓不合格，我們專項(xiàng)技術(shù)小組對(duì)設(shè)備觸頭的開(kāi)距、真空度、附屬絕緣部件及機(jī)械特性等方面進(jìn)行了綜合評(píng)估分析，分析數(shù)據(jù)結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求。

為進(jìn)一步論證設(shè)備存在的缺陷，我們將真空泡的操作連桿拆卸，手動(dòng)提升動(dòng)觸頭的提升桿，將真空泡開(kāi)距拉開(kāi)到16mm，然后測(cè)量斷口絕緣，測(cè)試結(jié)果為100-130 MΩ，測(cè)試結(jié)果不合格。同時(shí)，采用兩個(gè)金屬導(dǎo)體模擬斷路器的動(dòng)靜觸頭，平行放置空氣距離為11mm，對(duì)設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和絕緣試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果是耐壓1.1kV，絕緣為25.6GΩ，由于兩根導(dǎo)體在空氣中的距離為11mm，卻能承受1.1kV耐壓、絕緣為25.6GΩ。

真空滅弧室是真空斷路器的核心部件，它主要由動(dòng)靜觸頭、屏蔽罩、波紋管、波殼及上下法蘭等部件組成。我們將信垅站C相真空泡拆卸上下支架后對(duì)真空泡進(jìn)行上下晃動(dòng)，但沒(méi)有聽(tīng)到內(nèi)部的金屬撞擊的異響聲，因此，從以下真空滅弧室內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖我們可以推測(cè)，導(dǎo)致設(shè)備缺陷主要原因可能為波紋管屏蔽罩、屏蔽筒、觸頭系統(tǒng)等部件變形或位移，同時(shí)，設(shè)備停電后動(dòng)靜觸頭存在電位差產(chǎn)生局部放電（從504斷開(kāi)到主變變高開(kāi)關(guān)切開(kāi)信垅站3min、長(zhǎng)安站6min）產(chǎn)生的金屬粉塵，導(dǎo)致真空泡的分閘斷口絕緣、交流耐壓不合格。

圖1 真空泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

為進(jìn)一步論證缺陷部位，了解真空滅弧室內(nèi)部情況，變電管理二所技術(shù)分析小組決定對(duì)信垅站的504開(kāi)關(guān)B相真空泡進(jìn)行解體分析。為避免破壞真空泡內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局，還原缺陷設(shè)備的真貌，檢修人員用砂輪機(jī)切割開(kāi)真空泡兩端的蓋板，取出真空泡內(nèi)的動(dòng)靜觸頭。解體發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜觸頭的表面平整，并無(wú)放電磨損痕跡，波紋管屏蔽罩及瓷殼內(nèi)壁完好，并無(wú)裂紋，觸頭系統(tǒng)及屏蔽筒外壁均附著微小金屬粉塵，屏蔽筒有輕微的移位。

圖3 靜觸頭（左）、動(dòng)觸頭（右）外觀

現(xiàn)場(chǎng)檢修人員對(duì)真空泡的動(dòng)靜觸頭尺寸及真空泡內(nèi)壁的絕緣電阻進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在分閘狀態(tài)下，動(dòng)靜觸頭間的距離有8mm，符合廠家的開(kāi)距要求；真空泡的內(nèi)壁絕緣電阻均在1000MΩ以上，說(shuō)明真空泡外殼絕緣是合格的。

另外，真空斷路器近似遵循巴申定律：當(dāng)氣體成份和電極材料一定，溫度不變時(shí)，均勻電場(chǎng)中氣體的擊穿電壓Ub是氣體壓強(qiáng)p和電極間距離d的乘積pd的函數(shù)，其擊穿電壓公式可以表示為：

（A、B是與氣體種類有關(guān)的常數(shù)， 為表面電離系數(shù)）

圖5 均勻電場(chǎng)中幾種氣體擊穿電壓和pd的關(guān)系曲線

巴申曲線表明，Ub不是pd的單調(diào)函數(shù)，而是U型曲線，有極小值，pd乘積相同時(shí)對(duì)應(yīng)的擊穿電壓相同，當(dāng)極間距離d不變時(shí)提高氣壓或降低氣壓到真空，都可以提高氣隙的擊穿電壓。以上述U型曲線中的空氣為例，當(dāng)極間距離為1cm，壓強(qiáng)為1mmHg（約為133pa），其對(duì)應(yīng)的擊穿電壓約為0.3kV，此時(shí)只要滿足pd=1或pd=0.3，擊穿電壓都可以達(dá)到0.3kV，如保持極間距離1cm不變，壓強(qiáng)降為0.3mmHg（約為39.9pa）。類推到此次發(fā)生缺陷的真空斷路器，在電氣預(yù)防性試驗(yàn)中信垅504開(kāi)關(guān)B相耐受電壓為160V，其對(duì)應(yīng)的U型曲線有兩個(gè)點(diǎn)（橫坐標(biāo)pd），假設(shè)極間距離d不變，那么真空泡壓強(qiáng)p的取值可以在高壓強(qiáng)區(qū)，也可以在低壓強(qiáng)區(qū)。此次信垅504開(kāi)關(guān)B相的真空泡當(dāng)時(shí)的真空度應(yīng)該處于高壓強(qiáng)區(qū)，超出了真空度測(cè)試儀的測(cè)試范圍，才導(dǎo)致了開(kāi)關(guān)耐壓不合格而真空度合格的情況發(fā)生。同時(shí)，由于真空泡的嚴(yán)重泄漏，使得真空斷路器的絕緣能力下降，滅弧性能惡化，使得燃弧時(shí)觸頭上蒸發(fā)的金屬蒸氣急劇增多，附著在觸頭系統(tǒng)及屏蔽筒外壁而形成金屬粉塵。

3預(yù)控措施

（1）在7月15日前將真空泡返回廠家，要求廠家完成真空泡的解剖分析，進(jìn)一步分析設(shè)備的缺陷原因，并編寫分析報(bào)告提交運(yùn)行單位。

（2）要求廠家配備一定數(shù)量的同類型的或可供替代的真空泡（不少于6個(gè)），并且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生類似缺陷情況，必須在24小時(shí)內(nèi)備件能發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)，避免后續(xù)發(fā)現(xiàn)同類型缺陷而耽誤處理工作進(jìn)度。

（3）結(jié)合設(shè)備停電，開(kāi)展設(shè)備的專項(xiàng)檢查維護(hù)，將斷路器的斷口耐壓、絕緣的電氣試驗(yàn)與真空度測(cè)試試驗(yàn)相互結(jié)合。真空度測(cè)試數(shù)據(jù)雖然合格，但工頻耐壓沒(méi)通過(guò)的真空滅弧室必須更換；工頻耐壓雖然通過(guò)，但真空度檢測(cè)不合格的滅弧室也必須更換；工頻耐壓通過(guò)，真空度合格，但真空度下降趨勢(shì)明顯的要加強(qiáng)檢測(cè)，以確保設(shè)備處于健康狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]趙子玉，鄒積巖，何俊佳，張漢明；真空滅弧室真空度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究[J]；高壓電器；1999年02期.

[2]尹繼成，孟偉力；10kV真空斷路器運(yùn)行分析[J]；河北電力技術(shù)；2004年05期

作者簡(jiǎn)介

杜啟業(yè)（1988），男，廣東東莞人。助理工程師，工學(xué)學(xué)士，主要從事變電一次設(shè)備檢修工作。

吳樹平（1974），男，廣東東莞人。變電檢修高級(jí)技師，主要從事變電一次設(shè)備檢修工作。