某大型發電機斷路器直阻測量異常原因分析

馬榮亮，楊樹鋒，冉 帥

（中國長江電力股份有限公司 溪洛渡電廠，云南 昭通 657300）

0 引言

近年來國內新建的大型水電站普遍采用發電機—變壓器單元接線方式。為適應機組的開、停機操作，減少高壓斷路器的操作次數，增加電廠運行調度的靈活性，滿足發電機-變壓器單元實現快速短路保護以及在發電機側進行同期操作的要求[1]，發電機出口裝設斷路器(發電機斷路器，genemtor circuit breaker，簡稱GCB)。相較于普通高壓斷路器，GCB額定電流大，因此對GCB的電接觸可靠性提出了很高的要求[2-3]。

某水電廠設備檢修時，GCB預防性試驗出現了C相回路電阻測試結果異常，現場測量回路電阻值超過了設備廠家規定值。針對回路電阻測試結果異常，結合設備檢查情況，筆者對測試結果異常的原因進行了分析。

1 GCB回路電阻異常現象

某水電站GCB投運后，根據《電力設備預防性試驗規程》中相關規定，定期對GCB使用直流壓降法進行回路電阻測試。2020年12月試驗發現某臺斷路器C相的回路電阻超規定值，廠家設備技術標準中要求斷路器與隔離開關的總回路電阻要不大于5 μΩ。

斷路器上次回路電阻的測量結果均合格。為查找本次回路電阻異常原因，對斷路器進行了開蓋檢查，采用內窺鏡對斷路器傳動系統、主觸頭、弧觸頭、轉動絕緣子等部位進行了詳細檢查。均未發現明顯影響回路電阻的問題。

表1 GCB回路電阻測量結果

檢查后采用手動慢速合閘，斷路器C相回路電阻測量值為3.5 μΩ。采用常規的電動操作合閘，斷路器C相回路電阻測量值均不合格。

表2 不同操作方式下C相回路電阻測量結果

斷路器回路電阻測試與試驗電流大小、通流時間有很大關系。單純小電流、短時間條件下測量阻值超標不能就貿然判定斷路器發生故障[4-8]。但大型發電機出口斷路器現場不具備通交流大電流后測量回路電阻的條件。因此需要對回路電阻測量異常原因進行分析，對設備進行更全面的檢查。

2 回路電阻增大影響因素分析

此型斷路器額定電流為25 kA，機組額定功率斷路器運行電流約20.8 kA，斷路器回路電阻增大可能會引起主回路發熱增加，影響設備的安全運行。通常接觸點的溫升可由式（1）計算：

式中：Ik—通流大?。ˋ）；Rj—接觸電阻（Ω）；L—系數，通常取值 2.4×10-8（V2/K2）；T—觸頭的平均溫度（K）。

由上式可知，觸點的溫升與接觸電阻的平方成正比，若接觸電阻增大，觸頭發熱將導致電阻進一步增大，形成惡性循環，因此回路電阻的增大存在斷路器溫升超過標準的風險，可能導致嚴重的后果。

根據設備結構分析斷路器回路電阻為導電回路的接觸電阻。GCB主導電回路為線接觸，采用自力型觸頭。接觸電阻由接觸表面的收縮電阻與接觸表面電阻兩部分組成[9-10]。影響接觸電阻的綜合因素經驗公式見公式（2）：

式中：Rj—接觸電阻（μΩ）；Fj—接觸壓力（N）；Kc—材料表面狀況系數，接觸面均為銅鍍銀時取值為80；m—接觸形式相關系數，線接觸取值0.7。

運行中的GCB的電接觸點，其接觸電阻有可能變化，尤其是在有電弧產生的滅弧室的主觸頭，其變化更加明顯。

水電站機組參與電網調峰，發電機斷路器操作次數多，根據統計此臺GCB投運以來，總操作次數1 000余次，未開斷過短路電流。GCB的操作可能造成觸頭機械磨損、電弧燒蝕、化學分解物腐蝕和污染[11-14]，從而影響GCB觸頭性能。

綜合分析可能造成接觸電阻增加的原因包括[15-17]：①電弧高溫燒蝕，弧觸頭接觸表面的接觸電阻增加；②主觸頭在短路開斷電流的轉移過程中可能出現熔疤而增加接觸電阻；③主導電回路的滑動觸頭在短路開斷過程中因操作振動引起的接觸點彈跳而動態接觸不良可能出現熔疤；④電弧分解物附著在中間觸頭的接觸面上引起接觸電阻增大，導致短路開斷過程中或動熱穩定電流試驗時中間觸頭的某些接觸點產生熔疤；⑤中間滑動觸頭的接觸點在滑動過程中卡入絕緣的電弧分解物，使接觸電阻增大。對于水平位置的中間滑動觸頭，因觸頭自重導致某些接觸點的接觸壓力減小，出現觸點卡入電弧分解物可能性更大。

3 解體檢查情況

為確定GCB回路電阻異常的原因，此設備返廠解體檢查。解體過程對可能影響回路電阻的各類因素進行逐項檢查，觸頭表面平整，未發現熔疤。觸指壓力未發現明顯異常。導電環上、觸指與導電環的接觸面上布滿了一層黑色粉末狀污染物。GCB解體檢查時觸頭情況如圖1、圖2所示：

圖1 觸指上的黑色污染物圖

圖2 靜觸頭（導電環）表面污染物

清除導電環及觸指上的黑色物質前后，測量回路電阻測量結果如表3所示：

表3 斷路器清潔前后回路電阻測量結果

4 原因分析

根據斷路器解體檢查情況及斷路器導電環、觸指清理前后回路電阻測量數據分析，影響接觸電阻的主要因素為表面膜電阻，接觸電阻由兩部分組成，即收縮電阻和表面膜電阻[18-19]。根據收縮電阻特性，在導電環表面平整度、觸指壓力未發生明顯變化的情況下基本不變。表面膜電阻為在電接觸的接觸面上，由于污染而覆蓋著一層導電性很差的物質。

滅弧室內的黑色物質具有絕緣特性，黑色污染物（包括硫化物和氟化物）與斷路器內所涂抹的VP980潤滑脂混合后造成導電脂稠度和粘性的變化。斷路器采取不同合閘方式時，不同的速度夾角下導致潤滑脂的膜厚度的差異[20-21]。接觸電阻隨膜厚的增加而增加。污染物與潤滑脂膜厚度的差異造成斷路器未解體檢修前，電動操作合閘、手動慢速合閘兩種操作方式下膜電阻的差異導致回路電阻的不同。

5 結論

本文通過對某發電機斷路器在不同操作合閘方式下主回路電阻測量值出現異常后，綜合設備解體檢查處理情況，對產生此種現象的原因進行分析，得出如下結論：

（1）GCB回路電阻測試結果異常的主要原因為主觸頭上附著了一層黑色燃弧產物，在不同的操作方式下膜電阻不同而導致。

（2）黑色燃弧產物與潤滑（導電）脂的混合物在高溫、大電流情況下的絕緣特性尚未有明確的研究結論。設備正常運行狀態導電回路膜電阻的變化以及是否會導致導電接觸面狀態的變化不明確的情況下，斷路器回路電阻增大時需要及時采取措施，消除設備隱患。