基于斷路器弧觸頭全壽命周期的動態電阻測量試驗

2020-01-02 05:22:48陳功，程壯，段濤

水利水電快報 2019年12期

陳功，程壯，段濤

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010）

1 研究背景

高壓SF6斷路器由于具有高可靠性、開斷性能好等優點，目前在國內110 kV及以上電力系統中廣泛使用。高壓斷路器在電力系統中起到保護與控制的雙重作用，其可靠性與電力系統可靠性有著非常緊密的聯系。因此，提高高壓斷路器的可靠性對整個電力系統可靠性的提升有著重要意義。高壓斷路器主要由3部分組成，即操動機構、輔助與控制回路、滅弧室。在斷路器所有故障中，導電回路故障占到了21%～31%，僅次于操動機構故障的43%～45%，比二次回路的20%～29%略高［1-3］。高壓斷路器操動機構額定動作次數一般可達幾千次，但滅弧室允許開斷額定短路電流的次數僅有幾十次，遠小于操動機構的額定動作次數。因此，滅弧室電壽命決定了高壓斷路器的實際使用壽命，而弧觸頭狀態是限制滅弧室電壽命的最關鍵因素。操動機構與輔助控制回路的故障檢測一般使用振動信號［4-5］與分合閘線圈信號［6-7］，型式試驗規定對滅弧室狀態的檢測方法主要有主回路電阻檢測、密封試驗及SF6氣體含水量試驗等，然而這些試驗并不能獲取弧觸頭的狀態信息。

動態電阻測量（DRM）是測量高壓斷路器分閘或者合閘過程中動靜觸頭的動態接觸電阻，測量得到的動態電阻曲線包含了豐富的觸頭狀態信息。毛文奇等［8-9］通過測量得到了斷路器觸頭的動態電阻-時間曲線，并從曲線中得到了弧觸頭超出主觸頭的長度；Z.Stanisic等［10-12］介紹了四線法測量斷路器動態電阻的原理，并得到了典型的動態電阻-時間曲線；M.Landry 等［13-15］提出利用分閘過程的動態電阻-行程曲線作為觸頭狀態診斷曲線，得出分閘速度、金屬氟化物與測試電流是影響DRM結果的重要因素，并提出在斷路器額定速度分閘時，DRM 直流測試電流需大于700 A 才能保證結果的準確性。但上述DRM試驗均是基于某一特定觸頭狀態，并未對同一斷路器試品觸頭全壽命周期的狀態進行監測，以得到觸頭狀態參數的變化規律。

因此，本文首先對兩臺額定電壓分別為40.5 kV與126 kV的SF6斷路器進行電燒蝕試驗［16-18］，在燒蝕試驗后對觸頭進行DRM，得到了觸頭全壽命周期內的動態電阻曲線。從動態電阻曲線中提取觸頭電阻與接觸行程參數，得到了觸頭狀態參數在觸頭全壽命周期內的變化規律。電燒蝕試驗采用的是武漢大學高壓斷路器合成試驗回路電流源部分，模擬了實際開斷故障電流過程中電弧對觸頭的燒蝕過程，可提供最大峰值為63 kA 的工頻試驗電流。每次燒蝕試驗后，利用動態電阻測試儀與蓄電池電源對被燒蝕相觸頭進行DRM試驗。

2 試驗布置

2.1 試驗回路

本文試驗回路主要分為燒蝕試驗回路與DRM試驗回路兩部分（見圖1）。燒蝕試驗回路使用的是武漢大學高壓大容量合成試驗回路平臺電流源部分，回路主要包含電容器組C、電感L、合閘斷路器、輔助斷路器與被試斷路器，合閘斷路器用于投入回路短路電流，輔助斷路器保護回路最終成功切斷短路電流。電容器組與電感的取值滿足產生工頻短路電流的需求，回路電流頻率計算公式如下

動態電阻試驗回路主要包括動態電阻測試儀、蓄電池與被試斷路器。動態電阻測試儀采用的是8016型號高壓斷路器動特性測試儀，其基本參數如表1所示。蓄電池通過瞬間短路的方式作為直流測試電源，本試驗中采用的蓄電池額定電壓為12 V，容量分別為50，100AH 與200AH，產生的直流電流分別為（0.5±0.1），（1.0±0.1）kA與（1.5±0.1）kA。

圖1 試驗回路

表1 動態電阻測試儀參數

2.2 被試斷路器

被試斷路器1（試品1）型號為LN2-40.5，為戶內SF6斷路器，配備彈簧操動機構，試驗之前已經投運20 a，并且觸頭沒有經過修復；被試斷路器2（試品2）型號為LW36-126，為戶外SF6斷路器，同樣也配備彈簧操動機構，試驗之前已投運10 a，但舊觸頭剛剛被更換，兩個被試斷路器的基本參數如表2所示。

SF6斷路器的觸頭主要由主觸頭與弧觸頭并聯而成，主觸頭主要用于長期承載工作電流，因此要求其具有較低的接觸電阻以滿足接觸面允許發熱要求，主觸頭一般采用銅金屬表層鍍銀材料；弧觸頭主要用于承受開斷與關合電流產生的電弧燒蝕，要求其具有較強的抗電弧燒蝕能力，因此弧觸頭一般采用CuW80合金材料。弧觸頭長度大于主觸頭，在分斷故障電流時弧觸頭晚于主觸頭分開，從而使弧觸頭承受幾乎全部的電弧燒蝕。但是，如果電流在完全從主觸頭轉移到弧觸頭前，弧觸頭就完成開斷，則會導致主觸頭燃弧，造成主觸頭嚴重燒蝕，嚴重情況下可能導致滅弧室爆炸，因此必須保證足夠的觸頭接觸行程以完成電流從主觸頭到弧觸頭的轉換［19-22］。

2.3 試驗方法

燒蝕試驗電流選取75%額定短路開斷電流，即18.75 kA（試品1）與30 kA（試品2），采用自編程時序控制板對合閘斷路器、被試斷路器與輔助斷路器進行分合閘控制，合閘斷路器、被試斷路器與輔助斷路器分別依時序進行合閘、分閘操作。

每次燒蝕試驗之后對被燒蝕相進行DRM試驗，DRM 中常常采用四線法對被試斷路器觸頭接觸電阻進行測量，四線法消除了測試線導線電阻與接觸電阻的影響，因此一般用于準確測量阻值在10Ω以下的電阻［10-12］。DRM試驗電源采用3組不同容量的12V 蓄電池，以提供（0.5±0.1）kA、（1.0±0.1）kA 與（1.5±0.1）kA 的直流測試電流，每組進行5 次試驗，最終結果取5次試驗的平均值。由于直流測試電流會對觸頭產生預熱作用，從而對動態電阻測量結果產生影響［13］，因此測試電流大小與測試順序會對測試結果產生一定影響。為保證DRM 測量條件的一致性，每次測量電流保持不變，且采用測試電流從小到大的測試順序。

表2 被試斷路器參數

3 試驗結果及分析

3.1 動態電阻-行程曲線

由于在觸頭合閘過程中，預擊穿與觸頭碰撞產生的振動與噪聲會對動態電阻測量產生干擾，所以一般不使用合閘過程的動態電阻曲線［13-15］。典型的動態電阻-行程曲線（見圖2）主要可以分為兩部分，即主觸頭部分與弧觸頭部分。在主觸頭部分的曲線中，主觸頭與弧觸頭并聯，但由于主觸頭接觸電阻遠小于弧觸頭接觸電阻，電流基本上全部通過主觸頭，此階段動態電阻主要是主觸頭的接觸電阻；在主觸頭與弧觸頭部分的交界處動態電阻陡然上升，此階段揭示了主觸頭的分離過程；在弧觸頭部分曲線中，主觸頭已分開，弧觸頭單獨接觸，但此階段曲線中存在電流從主觸頭向弧觸頭的轉移過程，當電流轉移完畢后弧觸頭分開，動態電阻陡增到電弧電阻值。在弧觸頭階段，應保證在電流完成從主觸頭向弧觸頭轉換后，弧觸頭才能分離，如果在電流轉換完成之前弧觸頭分離則會造成主觸頭持續燃弧，極大降低滅弧使用壽命，嚴重時甚至造成滅弧室的爆炸［21-22］。

圖2 典型動態電阻-行程曲線

從動態電阻-行程曲線中，可以提取4個與斷路器觸頭狀態相關的診斷參數，即：

（1）主觸頭接觸電阻Rm：主觸頭部分動態電阻的平均值；

（2）主觸頭接觸行程Lm：主觸頭部分曲線的行程，即主觸頭的實際接觸行程；

（3）弧觸頭接觸電阻Ra：弧觸頭部分動態電阻的平均值；

（4）弧觸頭接觸行程La：弧觸頭部分曲線的行程，即弧觸頭超出主觸頭的接觸行程。

3.2 接觸電阻與接觸行程變化

觸頭接觸電阻大致上隨燒蝕次數的增加呈現逐漸增大的趨勢（見圖3），并且測試電流對試品1的影響較試品2更加明顯。試品1的主觸頭電阻值維持在（100～300）μΩ（1.5kA）范圍內，弧觸頭電阻值維持在（200～500）μΩ（1.5kA）范圍內；對于試品2，主觸頭電阻維持在（50～150）μΩ范圍內，并在31 次燒蝕試驗后逐漸增大到250μΩ左右，弧觸頭電阻值維持在（200～400）μΩ范圍內，并在31次燒蝕試驗后迅速增加到1000μΩ以上。

試品1 與試品2 斷路器弧觸頭接觸行程隨燒蝕試驗次數的增加而呈現線性下降趨勢（見圖4），并且測試電流對弧觸頭接觸行程影響并不明顯，只是0.5kA 的測試電流對試品1 弧觸頭接觸行程值產生了較大測量誤差（見圖4（a）），出現了一些測量異常點。由于主觸頭在開斷過程中提前分斷，基本沒有承受電弧的燒蝕作用，主觸頭接觸行程在整個試驗過程中基本沒有變化，維持在（7±1）mm 左右，其變化曲線沒有列出。

3.3 DRM測試電流對動態電阻影響

由于試品1觸頭在本文試驗之前已經存在一定程度的燒蝕，測試電流大小對其動態電阻測試結果產生了明顯的影響（見圖4），更大的測試電流得到的動態電阻值更小且更加穩定。與之對比，0.5kA的測試結果波動很大，其測量結果誤差明顯。然而對于試品2 的觸頭，測試電流值對其動態電阻影響就不明顯。同時，對每個DRM測試電流下的5組試驗數據中的電阻值進行標準差分析可得（見圖5）：主觸頭與弧觸頭電阻組間標準差隨著測試電流的上升而呈現下降的趨勢，并且1.0kA與1.5kA的測試結果標準差相近，而0.5kA的測試結果標準差較大，不同測試電流標準差的差別同樣也在試品1上體現的更加明顯。

圖3 觸頭接觸電阻隨燒蝕試驗次數曲線

圖4 弧觸頭接觸行程隨燒蝕試驗次數曲線

為進一步證明DRM 測試電流對動態電阻的影響，對試品1繼續進行了29～38次燒蝕試驗，每兩次試驗后分別使用7組不同大小的測試電流進行DRM試驗，30 次與32 次燒蝕試驗后的DRM 采用電流從小到大的順序，34 次與36 次燒蝕試驗后的DRM 采用電流從大到小的順序，每組電流仍測試5 次。當測試電流從小到大時，主觸頭與弧觸頭電阻值從大到小變化（見圖6（a）），并且主觸頭電阻在測試電流大于1 000A后趨于穩定，弧觸頭電阻值一直呈現下降趨勢，但在測試電流接近1 000A 后減小趨勢變緩；當測試電流從大到小時，主觸頭與弧觸頭電阻值基本變化不大（見圖6（b）），甚至弧觸頭電阻值在較大的測試電流下會低于最后較低電流測試結果。

綜上所述，在LN2-40.5 與LW36-126 型號的高壓斷路器DRM 試驗中推薦采用1 000A 以上并低于額定工作電流的直流測試電流，既可以減少每次測量的分散性，又可以對觸頭進行預熱并經過較少的測量次數得到準確的動態電阻曲線。

3.4 觸頭狀態診斷方法

弧觸頭接觸行程是衡量SF6斷路器電壽命最重要的指標，弧觸頭接觸行程過小會導致以下嚴重影響：

（1）開斷故障電流無法從主觸頭轉移到弧觸頭滅弧系統導致主觸頭燃弧，嚴重情況下可能導致無法熄滅電弧使得滅弧室爆炸［19-20，22］；

（2）弧觸頭損失的金屬材料附著在滅弧室內壁會降低其絕緣能力［20］；

（3）動靜觸頭之間的電場會產生畸變，將降低介質強度恢復能力［23］；

（4）噴口提前打開，氣缸內氣體達不到預定壓力，會降低SF6氣體吹弧能力。

因此，滅弧室要實現其正常功能必須要保證一定的弧觸頭接觸行程，然而目前的研究并沒有對最小弧觸頭接觸行程進行明確規定，而只是針對觸頭接觸電阻進行了規定。在DRM 測試電流為2 800A下，主觸頭電阻值一般在100 μΩ左右，而弧觸頭電阻值在（200～300）μΩ［13-14］。考慮到本文DRM 測試電流遠低于2 800A，主觸頭與弧觸頭電阻值可能略大于上述范圍，因此認為試品2 的觸頭電阻值在31次試驗之前在允許范圍內，31次試驗之后超出正常值范圍，也預示著觸頭達到嚴重燒蝕狀態。與此同時，試品2 的動態電阻曲線主觸頭部分開始出現不正常振蕩（見圖7），且隨著燒蝕次數增加而振動加劇，這種現象是主觸頭嚴重燒蝕的明顯征兆［13］，但如果該現象出現在動態電阻曲線弧觸頭部分末端則是正常現象。由于在本文燒蝕試驗之前，試品1觸頭已經有一定程度的燒蝕，且沒有進行任何修復，其主觸頭電阻在第4 次燒蝕試驗之后已達到200μΩ以上，超出正常值范圍，其弧觸頭電阻同樣也是超過了400 μΩ。因此，可以認為試品1的觸頭接觸情況是不理想的，其接觸面存在嚴重的燒蝕，較大的觸頭接觸電阻很有可能造成其額定電流、額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流等能力的降低。