1例自能式SF6斷路器開斷小電流失敗故障分析

范敏，汪佳，何智強，段肖力

(1． 國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南 長沙410007;2． 中國能源建設集團有限公司湖南省電力勘測設計院，湖南 長沙410007)

高壓SF6斷路器是電力系統中最重要的保護和控制設備，其各項參數直接關系到設備的安全穩定運行及電網安全〔1－2〕。根據滅弧原理的不同，SF6斷路器主要包括壓氣式滅弧SF6斷路器和自能式滅弧SF6斷路器。與傳統壓氣式斷路器相比，自能式斷路器采用了自能和助吹的滅弧原理，充分利用了電弧自身的能量，大大減少了機構操作功，具有操作功小、操作噪音小、正常條件下免維護等優點，因此，自能式斷路器在電力系統中得到了越來越廣泛的應用〔3－4〕。但是，近年來在湖南省出現了幾起自能式SF6斷路器開斷小電流失敗，導致斷路器越級跳閘甚至爆炸的情況，這類斷路器能有效開斷大電流卻無法開斷小電流(大電流與小電流并無明顯界限，文中認為開斷電流在額定開斷電流的10%以上即為大電流，否則認為是小電流)。

文中針對湖南省發生的1 例自能式SF6斷路器開斷小電流失敗的事件，介紹了自能式SF6斷路器的滅弧原理，根據試驗結果和滅弧室解體情況分析了故障原因，為今后及時發現自能式SF6斷路器缺陷、預防發生同類故障提供參考。

1 故障概述

某110 kV 變電站514 斷路器型號為LW25A －126 型，斷路器滅弧室結構為自能式滅弧結構，額定電流為3 150 A，額定開斷電流為40 kA，2011年5月出廠，2011年7月投運。

2012年9月3日，該110 kV 變電站某線路發生C 相接地故障，故障錄波顯示最大故障電流約為2 970 A，在當日5 時22 分32 秒874 毫秒，線路保護動作跳514 斷路器。由于斷路器跳閘后C 相仍存在故障電流，643 ms 后，某220 kV 變電站110 kV 線路518 距離保護Ⅱ段動作，切斷故障電流，4 203 ms后重合成功，故障線路所在變電站110 kV母線短時失壓。

2 試驗及解體檢查情況

故障發生后，根據規程要求對514 斷路器進行了現場檢查和相關試驗〔5〕:與前次SF6濕度及分解物測試結果對比，SO2含量為0.07 μL/L，H2S 含量由0.04 μL/L 上升至0.07 μL/L，但仍在合格范圍內;同時還進行了514 斷路器機械特性、回路電阻和絕緣電阻試驗，試驗結果見表1。

表1 514 斷路器故障后試驗結果

為進一步查找斷路器故障原因，對該斷路器C相滅弧室進行了解體檢查，檢查發現:該相斷路器滅弧室內壁存在白色粉塵和放電痕跡;動靜觸頭上有明顯燒蝕痕跡，鍍銀層因電弧產生的高溫而變暗。514 斷路器C 相滅弧室解體如圖1 所示。

圖1 514 斷路器C 相滅弧室解體圖

3 自能式SF6斷路器滅弧原理

自能式SF6斷路器因具有操作功小、操作噪音小、正常條件下免維護等優點在電力系統中得到了越來越廣泛的應用。常用自能式SF6斷路器滅弧室結構如圖2 所示。

當開斷較大的短路電流時，主要依靠短路電流所產生的電弧本身的能量來建立熄滅電弧所需要的吹氣壓力，另一部分吹氣壓力靠機械壓氣建立。其滅弧過程為:分閘時，在動、靜弧觸頭之間形成電弧，電弧使得膨脹室里的SF6氣體加熱，氣體壓力迅速升高到足以滅弧。當噴口打開時，膨脹室中儲存的高壓氣體通過噴口吹向電弧，當電流過零時電弧熄滅。

當開斷小電流時，則主要靠機械壓氣建立起來的氣壓熄滅電弧。其滅弧過程如下:動觸頭系統在操動機構的帶動下向下運動，使得壓氣室中的SF6氣體受到壓縮，壓力升高，高壓氣體進入膨脹室，通過噴口吹向電弧，當電流過零時電弧熄滅，此時通過噴口吹向電弧的氣流相對較小。

故自能式SF6斷路器在配置操動機構時僅需開斷短路電流時動觸頭運動所需要的能量，操作功較小。

圖2 自能式SF6斷路器滅弧室結構圖

4 故障原因分析

此次出現開斷電流失敗故障的514 斷路器屬于自能式滅弧斷路器，額定開斷電流為40 kA，故障時的短路電流為2 970 A，故障電流強度約為額定開斷電流強度的7.4%，從開斷電流的大小來看，此次故障電流屬于小電流范圍。根據自能式SF6斷路器的滅弧原理，開斷小電流時主要依靠機械壓氣所建立的氣壓來滅弧，此時斷路器滅弧能量主要來源于機構操作功。

從故障后514 斷路器試驗結果來看，該斷路器主回路電阻、絕緣電阻都滿足要求，A，B，C 三相合閘時間、同期等動作特性參數亦滿足要求。但分閘時間分別為30.2 ms，31.2 ms 和32.3 ms，超出了LW25A－126 型斷路器安裝說明書中關于該型斷路器分閘時間≤30 ms 的要求值，其中以C 相超出最多，而出現故障的恰恰是514 斷路器C 相。

因此，514 斷路器C 相出現開斷電流失敗的原因如下:由于故障短路電流為2 970 A，屬于小電流范圍，此時斷路器開斷電流所需的能量主要來源于機構操作功，即與斷路器的分閘時間密切相關。而此時514 斷路器C 相的分閘時間明顯超出了說明書要求值，分閘時間較長，機械操作功的大小不滿足要求，壓氣缸壓氣速度較慢，噴口氣流達不到滅弧要求，從而導致了C 相開斷電流失敗，故障電流持續較長時間，直至上級斷路器跳閘。

5 結論與建議

文中介紹了1 例自能式SF6斷路器開斷小電流失敗的事件，并基于自能式SF6斷路器滅弧原理、試驗數據和滅弧室解體情況對故障原因進行了分析。

此次故障的原因為斷路器機構機械操作功不滿足要求，使得動作特性不滿足要求，分閘時間超出說明書要求值，壓氣缸壓氣速度較慢，噴口氣流達不到滅弧要求，最終導致斷路器滅弧失敗。

對于自能式SF6斷路器來說，其滅弧利用了電弧本身的能量，機械操作功相對于傳統壓氣式滅弧SF6斷路器較小，容易在開斷小電流時出現開斷失敗的現象，因此應嚴格按照《輸變電設備狀態檢修試驗規程》的要求開展斷路器例行和診斷性試驗，尤其要重視例行試驗中的動作特性測試，試驗數據必須達到產品說明書規定值的要求，遇到動作特性數據異常，特別是分閘時間偏大時應及時停電處理，防止自能式斷路器開斷小電流失敗的事件發生。

〔1〕中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局． GB 1984—2014高壓交流斷路器〔S〕． 北京:中國標準出版社，2014．

〔2〕中華人民共和國國家發展和改革委員會． DL/T593—2006 高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求〔S〕． 北京:中國電力出版社，2006．

〔3〕李俊民，林莘，徐建源，等． 自能式SF6斷路器的小電流開斷過程中氣流特性的數值分析〔J〕． 電工技術學報，2001，16(1):31-34．

〔4〕韓書謨，徐國政，唐冬之，等． 自能式SF6斷路器開斷過程的分析〔J〕． 清華大學學報(自然科學版)，2000，40(7):8-11．

〔5〕國家電網公司． Q/GDW 1168—2013 輸變電設備狀態檢修試驗規程〔S〕． 北京:中國電力出版社，2014．