高壓斷路器弧觸頭接觸故障模擬及診斷技術研究

馬晨昱，丁惠敏

（1.南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2.云南電網曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 引言

SF6斷路器是利用SF6氣體作為滅弧介質和絕緣介質的一種斷路器，因其優秀的滅弧性能，被廣泛地應用在電力系統中，且設備的使用量在逐年遞增［1-3］。SF6斷路器在電力系統中處于至關重要的位置，設備的運行狀態對整個電網起著決定性的影響。觸頭系統是SF6斷路器的關鍵部件，由主觸頭和弧觸頭組成［4-6］。在斷路器合閘時，弧觸頭先合主觸頭后合，觸頭系統決定合閘過程中滅弧室內的電場分布；在斷路器分閘時，主觸頭先分，弧觸頭后分，觸頭系統影響開斷過程中氣缸的初始壓氣量，弧觸頭主要承擔關合和開斷電流的責任，故觸頭系統狀態的好壞直接影響斷路器的性能和使用壽命［7-9］。

目前，運維人員主要利用回路電阻測量評估已投運的SF6斷路器觸頭系統狀態［10-12］，但回路電阻不能反映弧觸頭運動狀態，不能判斷弧觸頭磨損情況，不能全方位評估斷路器觸頭狀態［13-15］。故研究人員研究測量SF6斷路器動態接觸電阻，以能全面掌握SF6斷路器關合和開斷過程中回路電阻全過程的變化量，從而反映SF6斷路器觸頭系統的運行狀態［16-18］。例如，SF6斷路器在裝配的過程會出現觸頭系統不對中，從而影響滅弧室內電場分布和觸頭系統運動特性；運行中會出現觸頭系統振動導致弧觸頭表面燒蝕嚴重，最終影響使用壽命；SF6斷路器長期運行觸頭系統中的弧觸頭形狀會發生變化，如果不及時掌握，會影響SF6斷路器開斷性能［19-21］。以上出現的不良狀態，通過測量SF6斷路器動態接觸電阻都能很好地反映出來。

1 試驗平臺和方案

SF6斷路器動態接觸電阻測量原理如圖1所示，將一個大電流源串聯在斷路器觸頭回路中，操作斷路器進行合分，回路中會產生大電流（100 A以上），記錄整個動作過程中回路中的電流、斷路器斷口兩端電壓和斷路器行程曲線。利用U/I 得到斷路器全過程動態接觸電阻曲線，并結合行程曲線，可以了解斷路器運動過程中接觸電阻的變化曲線。

圖1 動態接觸電阻測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic contact resistance measurement

選用110 kV GIS斷路器作為弧觸頭接觸故障模擬試驗樣機，樣機示意圖如圖2 所示。斷路器觸頭行程120 mm，弧觸頭接觸行程24±3 mm，主觸頭接觸行程12 mm，合閘時間不大于100 ms，分閘時間25～37 ms，合閘速度2.5～3.5 m/s，分閘速度4.5～5.5 m/s，合閘同期5 ms，分閘同期3 ms。

圖2 樣機示意圖Fig.2 Schematic diagram of the prototype

2 試驗結果及分析

2.1 不對中模擬試驗

弧觸頭不對中模擬試驗模擬斷路器滅弧室弧觸頭裝配不對中情況，通過改變靜弧觸頭與靜支板配合定位槽的位置模擬的弧觸頭不對中3 種狀態，分別偏移中心軸線0 mm、0.2 mm 和0.5 mm，如表1 所示。每種狀態下測量10次動態接觸電阻，然后進行比較。

對3種情況下多次測量的動態電阻進行平均值擬合，并將3 種情況的曲線進行比較，結果見圖3。對使用工裝正常安裝的對中產品進行測試，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1mm 及超程差區域的動態接觸電阻平均值為372 μΩ。更換弧觸頭為表1 中不對中1情況，進行動態接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為13.9 mm及超程差區域的動態接觸電阻平均值為384 μΩ。更換弧觸頭為表1中不對中2情況，進行動態接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為11.9 mm及超程差區域的動態接觸電阻平均值為453 μΩ。

表1 弧觸頭不對中狀態表Table 1 State table of arc contact misalignment

圖3 弧觸頭不同偏心距離動態接觸電阻比較曲線圖Fig.3 Comparison curve of dynamic contact resistance of arc contacts with different eccentric distances

通過圖3 可以知道：1）隨著不對中情況越來越嚴重，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差越來越小，靜弧觸頭偏心0.5 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.2 mm。2）隨著不對中情況越來越嚴重，超程差區域的動態接觸電阻平均值越來越大，靜弧觸頭偏心0.5 mm，超程差區域的動態接觸電阻值平均大了81 μΩ。

2.2 弧觸頭接觸不良試驗方案

靜弧觸頭螺絲松動模擬試驗模擬斷路器弧觸頭接觸不良情況，通過改變靜弧觸頭底座的固定螺栓緊固狀態實現斷路器弧觸頭接觸不良模擬，分3 種狀態如表2 所示。通過力矩扳手改變每種固定螺栓緊固狀態，測量10次動態接觸電阻，然后進行比較。

對3種情況下多次測量的動態電阻進行平均值擬合，并將3 種情況的曲線進行比較，結果見圖4。對固定螺栓緊固狀態產品進行測試，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1 mm及超程差區域的動態接觸電阻平均值為372 μΩ。更換弧觸頭為表2 中扭矩40 N·m情況，進行動態接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1 mm及超程差區域的動態接觸電阻平均值為443 μΩ。更換弧觸頭為表2中松脫1 mm情況，進行動態接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為18.9 mm及超程差區域的動態接觸電阻平均值為593 μΩ。

圖4 弧觸頭緊固狀態不同動態接觸電阻比較曲線圖Fig.4 Curves of comparison of dynamic contact resistances in different tightening states of arc contacts

表2 弧觸頭接觸不良狀態表Table 2 Bad contact state of arc contact

通過圖4可以知道：1）隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態到松脫1 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差增大了3.8 mm。2）隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態到松脫1 mm，超程差區域的動態接觸電阻平均大了221 μΩ。

3 診斷方法的具體應用

根據試驗研究趨勢并結合斷路器生產及運行經驗，提出了基于動態接觸電阻曲線測量的高壓斷路器弧觸頭接觸故障診斷技術，采用斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區域的動態接觸電阻平均值診斷斷路器弧觸頭狀態，主要診斷方法如下［22-24］：

1）對某一廠家某一型號某一電壓等級斷路器新出廠產品進行動態接觸電阻曲線測試，記錄其弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區域的動態接觸電阻平均值。

2）通過10臺以上的測試數據，并結合斷路器設計參數，制定該種斷路器基于動態接觸電阻曲線測量弧觸頭接觸故障診斷基準參量，主要包括斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區域的動態接觸電阻平均值及動態接觸電阻曲線圖3個方面。

3）對已投運斷路器，停電檢修時進行動態接觸電阻曲線測量，測得斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區域的動態接觸電阻平均值，并與弧觸頭接觸故障診斷基準參量進行比較［25-27］：

①如果超程差區域的動態接觸電阻平均值大于基準參量的20%，該斷路器需要重點關注，其后續停電檢修測量有繼續增大的趨勢，需對滅弧室進行檢修；如果超程差區域的動態接觸電阻平均值大于基準參量的50%，對滅弧室進行檢修。

②如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準參量的10%該斷路器需要重點關注，其后續停電檢修測量有繼續增大的趨勢，需對滅弧室進行檢修；如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準參量的20%，對滅弧室進行檢修。

4）對于新組裝斷路器，裝配好后進行動態接觸電阻曲線測量，測得斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區域的動態接觸電阻平均值，并與弧觸頭接觸故障診斷基準參量進行比較［28-30］：

①如果超程差區域的動態接觸電阻平均值大于基準參量的20%，該斷路器需要重新裝配弧觸頭。

②如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準參量的30%重新裝配弧觸頭。

4 結語

本文對高壓斷路器弧觸頭接觸故障進行了模擬試驗研究，主要包括弧觸頭不對中和弧觸頭接觸不良兩種情況，具體研究結論如下：

1）弧觸頭不對中模擬試驗：隨著不對中情況越來越嚴重，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差越來越小，靜弧觸頭偏心0.5 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.2 mm；隨著不對中情況越來越嚴重，超程差區域的動態接觸電阻平均值越來越大，靜弧觸頭偏心0.5 mm，超程差區域的動態接觸電阻平均大了81 μΩ。

2）弧觸頭接觸不良模擬試驗：隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態到松脫1 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.8 mm；隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態到松脫1 mm，超程差區域的動態接觸電阻值平均大了221 μΩ。