高壓斷路器弧觸頭燒蝕試驗及理論分析計算

陳 功，程 壯，陳昌旭

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

隨著電力系統不斷發展，電壓等級不斷提升，電力系統運行的穩定性與可靠性要求越來越高。高壓SF6斷路器作為調節無功投切、系統控制與保護的重要設備，對于電力系統，特別是110 kV 以上的輸電系統，有著非常關鍵的作用。為保證電力系統長期安全穩定運行，需要高壓SF6斷路器能夠在頻繁動作的條件下仍擁有較長的電壽命。斷路器電壽命一旦超出使用范圍，滅弧室內部就極易發生重擊穿，降低設備的絕緣性能，給電力系統的穩定性與可靠性造成嚴重影響［1-2］。

目前的斷路器電壽命預測方法一般是測量斷路器開斷電流與燃弧時間，如開斷電流加權累積法、基于N-I 壽命曲線法、燃弧時間電流積分法等［3-4］，然而這些方法并不能直接檢測觸頭的燒蝕狀態［3］。弧觸頭狀態是影響斷路器電壽命的重要參數，一般以弧觸頭的電磨損量來評價斷路器的電壽命［5-6］。動態電阻法是測量弧觸頭狀態的主要方法，其原理是通過持續測量斷路器分閘過程中觸頭間的動態接觸電阻，得到動態電阻-時間、動態電阻-行程等曲線［7-10］，根據該曲線對觸頭狀態進行診斷。從動態電阻曲線中可提取觸頭電阻與接觸行程等觸頭的狀態參數，其中弧觸頭接觸行程是表征弧觸頭電磨損的重要參數［11-13］。也有學者使用觸頭的質量損失表征弧觸頭電磨損量［14］，該方法一般用于低壓斷路器，因為在不拆解高壓斷路器滅弧室的情況下很難對觸頭質量進行評估，因此有一定的使用局限性。

本文以LW36-126 型戶外自能式SF6斷路器為研究對象，利用武漢大學大容量斷路器合成試驗回路對觸頭進行了大電流燒蝕試驗，每次燒蝕試驗中保證一定的開斷電流與燃弧時間，以期得到相同的觸頭燒蝕量。每次燒蝕試驗后，利用動態電阻測量裝置對試品斷路器弧觸頭狀態進行測量，得到了弧觸頭接觸行程的減少量。通過對弧觸頭燒蝕機理的理論分析，計算得到了每次燒蝕試驗弧觸頭接觸行程的變化量，與試驗結果進行了對比分析。

2 試驗設置

2.1 試驗斷路器

表1 為試品斷路器的基本參數。SF6斷路器觸頭系統由主觸頭與弧觸頭并聯組成，主觸頭用于承載工作電流，當斷路器開斷電流時，電流將全部轉移到弧觸頭。弧觸頭的接觸行程一般大于主觸頭，主觸頭采用銅鍍銀金屬材料，弧觸頭采用銅鎢合金材料，試品斷路器弧觸頭尺寸如圖1所示。

表1 試品斷路器參數

圖1 弧觸頭尺寸

2.2 試驗回路

2.2.1 燒蝕試驗回路

由于高壓SF6斷路器直接開斷故障電流的物理過程可分為大電流階段、相互作用階段、高電壓階段［15-16］，大電流和高電壓并不同時出現在弧隙上，而大電流階段是對斷路器觸頭燒蝕最嚴重的階段，相對而言，相互作用階段與高電壓階段對觸頭的燒蝕可以忽略。因此，可利用大電流開斷階段來模擬斷路器開斷電流的燒蝕。

本文的模擬燒蝕試驗回路基于武漢大學高壓大容量斷路器合成試驗回路搭建，試驗回路可進行10 ～110 kV電壓等級斷路器的合成試驗。模擬試驗回路的電流源采用電容與電抗器串聯的振蕩回路，電容值為16.8 mF，電感值為0.6 mH，單相輸出最大電流可達63 kA，其原理如圖2所示。

圖2 燒蝕試驗回路

完整的燒蝕試驗流程如下：①給電容器充電至設定電壓值；②合閘斷路器閉合，回路產生工頻短路電流；③試品斷路器開斷短路電流，觸頭產生燒蝕；④輔助斷路器動作，對回路進行保護。模擬燒蝕試驗中，選取試品斷路器的75%額定短路電流作為觸頭的模擬燒蝕電流，即30 kA（有效值）。

2.2.2 動態電阻測量回路

動態電阻測量回路如圖3 所示，測量回路電源采用大容量鉛酸蓄電池，可提供12V 的直流電壓。測量過程中，控制試品斷路器先合閘后分閘，在合分閘過程中通過動態電阻測量儀器測量觸頭的動態接觸電阻。

圖3 動態電阻測量回路

動態電阻測試步驟如下：

（1）將電流線與電壓線分別接至斷路器斷口兩端，連接操動機構的控制信號線；

（2）通過斷路器動特性測試儀發信號至操作機構，操作機構控制試品斷路器完成先合閘后分閘的動作；

（3）合閘時回路連通，蓄電池在斷路器兩端施加直流電流；

（4）斷路器分閘并開斷電流。

為防止蓄電池由于長時間短路而損壞，合閘與分閘觸發信號之間的時間間隔設置為250 ms。在試驗過程中，動態電阻分析儀采集分閘過程中斷口電壓、電流與觸頭動作速度信號，輸出斷路器合分閘過程的動態電阻-行程曲線。動態電阻動特性測試儀參數如表2所示。

表2 斷路器動特性測試儀參數

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

試品斷路器的觸頭總共進行34 次模擬燒蝕試驗和多組動態電阻測量試驗，每次燒蝕試驗中開斷電流值與燃弧時間基本保持一定。根據試驗結果可以得到觸頭接觸行程與燒蝕試驗次數的關系，如圖4所示。曲線中前5次總接觸行程與弧觸頭接觸行程測量結果具有一定分散性，而之后基本呈現線性減小的變化趨勢，主觸頭接觸行程基本保持不變。觸頭接觸行程的變化證明了在開斷電流過程中電弧對弧觸頭產生了嚴重的燒蝕，使接觸行程顯著減小；而主觸頭由于只承受工作電流，因此受電弧影響較小。將總接觸行程（Lc）與弧觸頭接觸行程（La）曲線進行線性擬合，擬合曲線與原曲線的相關系數分別為0.95與0.96，得到的擬合公式如下：

由公式（1）與（2）可以得到，觸頭的初始總接觸行程為23.99 mm，與其額定值（動觸頭接觸行程）25～28 mm 接近，證明試驗前觸頭燒蝕程度并不嚴重；弧觸頭接觸行程的初始值為17.43 mm，每次燒蝕試驗中電弧對弧觸頭的燒蝕導致觸頭總接觸行程的變化量ΔLc恒定，為0.34mm；弧觸頭接觸行程在每次燒蝕中的變化量ΔLa為0.32mm。

圖4 觸頭接觸行程隨燒蝕試驗次數曲線

3.2 弧觸頭燒蝕機理

高壓SF6斷路器觸頭的分閘過程可主要分為4個階段：合閘狀態到主觸頭分離；主觸頭分離到弧觸頭分離；弧觸頭分離后燃弧；電弧熄滅直到完全分斷。如圖5所示。

圖5 滅弧室開斷電流過程

高壓斷路器弧觸頭材料一般為銅鎢合金，銅和鎢的熔化和汽化溫度差異很大，銅金屬與鎢金屬的熔點分別為1 358 K 與3 680 K，沸點分別為2 840 K與5 928 K。在汽化溫度相差很大的各組分的非均質材料中，電弧會在汽化溫度更高的材料上形成弧根，對能量的需求量更小，因此認為觸頭材料燒蝕過程主要分為以下5 個階段［17］：①銅金屬與鎢金屬均為固態（＜1 358 K）；②銅金屬熔化，鎢金屬為固態（1 358 K）；③銅金屬蒸發，鎢金屬為固態（2 840 K）；④鎢金屬熔化（3680 K）；⑤鎢金屬蒸發（5 928 K）。

部分損失的觸頭材料會以金屬固體形式附著在滅弧室內壁或噴口上，降低觸頭對地的絕緣能力。此外，弧觸頭在燒蝕后，表面形貌會發生明顯變化，弧觸頭端部會變得越來越尖，不僅會降低觸頭之間的絕緣能力，而且會在觸頭動作過程中造成間隙電場的畸變，降低電流過零后的間隙介質恢復強度，降低斷路器短路電流開斷能力，同樣也會增加關合過程中的預擊穿過程的時間，加速弧觸頭的侵蝕。

3.3 燒蝕量ΔL計算

觸頭接觸行程是衡量SF6斷路器電壽命的重要指標，觸頭接觸行程過小會對斷路器產生以下嚴重影響：

（1）開斷故障電流無法從主觸頭轉移到弧觸頭，從而導致主觸頭燃弧，嚴重情況下可能導致電弧無法熄滅造成滅弧室爆炸［18-19］。

該試驗采集的樣品沒有完全覆蓋畢節市所管轄的范圍，試驗結果尚不能完全代表本地區所有小檗藥材的質量；同時試驗尚未對小檗堿和生物總堿以外的其他生物堿進行分析，下一步將進行進一步深入研究，以得出更為全面的試驗結果，為畢節試驗區中藥材的種植和發展提供參考依據。

（2）弧觸頭損失的金屬材料附著在滅弧室內壁，降低了其絕緣能力［18］。

（3）動靜觸頭之間的電場會產生畸變，降低觸頭間介質強度恢復能力［5］。

（4）噴口提前打開，氣缸內氣體達不到預定壓力，降低SF6氣體吹弧能力。

本文中，對觸頭燒蝕量的計算做如下假設：

（1）電弧與觸頭端面接觸面積在整個開斷過程中保持不變。

（2）觸頭材料的蒸發出現在整個燃弧時間過程中，即忽略觸頭表面溫度達到鎢金屬熔點之前觸頭的燒蝕。

（3）觸頭表面的能量輸入僅由電極區壓降功率提供。

（4）觸頭表面能量耗散主要因為觸頭材料的蒸發與觸頭熱傳導，忽略液滴飛濺影響。

當斷路器開斷短路電流時，觸頭燒蝕率可表示為［19］

式中：m 為觸頭損失質量，kg；Q 為燃弧階段通過的電荷量，C；ΔUeff為電弧陰極區或陽極區壓降，V；hvap為單位質量的觸頭材料從20℃到氣化點的熱量，J/kg。

由于弧觸頭為CuW80 合金材料，hvap可近似計算為［17］

在試驗過程中，靜弧觸頭為正極，觸頭陽極區壓降ΔUeff+與陰極區壓降ΔUeff-相近，一般為10～20V，在本文計算中可取ΔUeff+=15 V［20］。

根據假設（2），每次的燒損質量m可表示為

式中：ρ 為金屬材料密度，kg/m3，CuW80合金的ρ 為15.15×103kg/m3；r 為觸頭半徑，mm，圖1 中r 為9.5 mm；ΔLc為弧觸頭燒蝕長度，mm。

燃弧階段通過觸頭的電荷量為開斷電流有效值與燃弧時間的乘積。燒蝕試驗過程中短路電流一般在第二個過零點開斷，在第一個半波燃弧時間約為6 ms，短路電流有效值為30 kA；第二個半波燃弧時間為10 ms，短路電流有效值約為18 kA。取5次燒蝕試驗中觸頭通過的電荷量平均值作為Q的計算值，得到Q=352.8 C。

根據式（3）～（5），可以得到在本文試驗條件下（開斷電流30 kA，燃弧時間16 ms），每次燒蝕試驗中觸頭燒蝕量為

根據計算結果可知，弧觸頭燒蝕量計算值較試驗值0.32 mm偏小，分析原因如下：

（1）靜弧觸頭端部實際為半球形，燒蝕后逐漸變尖，并沒有整體脫落，因此按照實際金屬損失質量計算的觸頭接觸行程減少量偏小。

（2）觸頭金屬材料損失過程中會有部分液滴飛濺，實際情況的hvap值比計算值偏小。

4 結論與分析

本文對LW36-126型試品斷路器進行了開斷電流燒蝕試驗與動態電阻試驗，試驗得到了在開斷30 kA（有效值）電流情況下弧觸頭的燒蝕量，并通過理論計算進行了驗證，主要結論如下：

（1）開斷電流電弧會對觸頭產生燒蝕，微觀上主要體現在Cu 蒸汽的逸出以及鎢蒸汽逸出和液滴飛濺，宏觀上為弧觸頭接觸行程與總接觸行程的變化。

（2）在整個開斷短路電流過程中，由于電弧對主觸頭并未產生嚴重的燒蝕，主觸頭接觸行程基本保持不變；而弧觸頭承擔了絕大部分電弧能量，弧觸頭材料在每次開斷電流后產生了損失，弧觸頭接觸行程逐漸減小。

（3）觸頭接觸行程參數可通過動態電阻測量得到。試品斷路器在每次燒蝕試驗中的觸頭接觸行程減少量的試驗值（0.32 mm）與計算值（0.27 mm）基本一致。試驗中保證開斷電流值與燃弧時間一定，得到的每次觸頭燒蝕量相同，證明了開斷電流值與燃弧時間是影響觸頭燒蝕最重要的兩個因素。

（4）觸頭接觸行程是衡量高壓斷路器電壽命的重要參數，接觸行程過小會影響滅弧室開斷電流能力與絕緣性能。