基于35kV SF6無功補償斷路器運維護方案的探討

廣東電網(wǎng)有限責任公司佛山供電局 李志錦

在電力系統(tǒng)中存在眾多的無功負載，正常情況下這些負載吸收的無功功率由發(fā)電廠提供。由于電力系統(tǒng)中負荷在一天中隨著用戶的的投入或退出，無功的需求也隨之變化，系統(tǒng)中的電壓也隨之變化，而系統(tǒng)發(fā)電機組所提供的無功吸能在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整，為保證系統(tǒng)的的電壓合格率及可靠性，當系統(tǒng)中的無功不足時，系統(tǒng)中會投入容性無功進行補償，提高電壓水平。由于系統(tǒng)中和負荷是時刻變化的，需要的無功也是時刻變化的，需要斷路器頻繁投入或退出無功容量，由于無功的斷路器頻繁操作會出現(xiàn)回路電阻增加的缺陷，嚴重時影響斷路器的安全運行。

某500kV變電站的主變壓器變低配置某高壓電器有限公司生產(chǎn)的LW36-72.5（W）/T4000-50型SF6斷路器4臺。其中三臺用于無功補償電容器支路，一臺用于500kV主變35kV側(cè)出線。其中用于無功補償電容器支路在運行半年后，在試驗中發(fā)現(xiàn)斷路器的主回路電阻值大幅上升且超出產(chǎn)品標準的情況，檢查斷路器的動作次數(shù)不超過300次，現(xiàn)場對產(chǎn)品的安裝狀態(tài)進行了重新檢查，確認產(chǎn)品安裝符合技術(shù)要求，傳動連桿和各處緊固螺栓無松動。排除是由于安裝問題引起斷路器的主回路電阻超標情況。為設備運行安全，更換了該批斷路器的極柱并進行解體分析，制定相應運行維護措施。

1 SF6斷路器的異常及檢查情況

滅弧室拆解后檢查：三相滅弧室弧觸頭燒蝕正常，主觸頭和主觸指未見明顯燒蝕痕跡。電阻最大相從弧觸頭看燒蝕要更厲害一些，但沒有過度燒蝕（圖1），該斷路器使用于無功補償工況，該觸頭燒蝕情況屬于正常現(xiàn)象；產(chǎn)品超行程的檢查。拆解滅弧室與支柱瓷套，測量滅弧室剛合點尺寸以及分閘時絕緣拉桿銷端面與瓷套端面的距離并與質(zhì)量跟蹤卡數(shù)值進行對比分析，此數(shù)據(jù)滿足要求，復測數(shù)據(jù)和裝配時數(shù)據(jù)基本一致且滿足標準要求，說明產(chǎn)品超行程配置沒有問題，不會存在觸頭沒有接觸可靠的現(xiàn)象；產(chǎn)品觸頭的接觸壓力的測試。復測滅弧室插拔力數(shù)據(jù)，和出廠值進行對比，標準要求剛合點前插拔力范圍（100N～400N），剛合點后插拔力范圍（400N～800N），復測插拔力數(shù)據(jù)均滿足標準要求。

圖1 觸頭燒蝕情況

活塞鍍銀層。活塞鍍銀層厚度的測量，對產(chǎn)品處于分、合閘位置時活塞和彈簧觸頭、主觸頭的實際接觸區(qū)鍍銀厚度進行了測量（活塞上下兩端），各測量三個點，結(jié)果滿足設計要求。而活塞中部區(qū)域測量結(jié)果相對于兩端鍍銀厚度薄一些，但也滿足圖樣要求（該活塞中間部分只是在產(chǎn)品分合閘過程中與彈簧觸頭接觸，不會影響產(chǎn)品在合閘位置時的回路電阻）；復測零件尺寸。按照處理方案對拆解的部分零部件尺寸進行復檢，除部分零件無法拆解外能檢測的尺寸均滿足標準要求，說明零件尺寸無異常。

解體檢查總結(jié)：從拆解的情況看，該無功補償斷路器開斷次數(shù)較多，存在一定的粉塵，在開斷過程中氣體和少量的水分發(fā)生反應，使零件接觸面氧化對其電阻也有一定的影響，通過累積各連接面的電阻，最后會導致主回路電阻超出標準。無功補償斷路器需要頻繁進行投切，運行工況特殊，而其分合時必然會產(chǎn)生電弧燒蝕，所以在其生命周期內(nèi)主回路電阻回升必不可免。因此，需對現(xiàn)有斷路器的電阻異常進行檢查的結(jié)果，對其用于無功補償?shù)腟F6斷路器進行研究分析，制定出相應的運行維護措施，并在運行中嚴格執(zhí)行，落實措施，保斷路器的運行可靠性。

2 SF6無功補償斷路器的分合閘特點

2.1 無功補償?shù)脑?/h3>

在整個電力系統(tǒng)中存在各種類型的無功負載，正常情況下這些負載所需求的無功功率由發(fā)電廠提供。也就是說發(fā)電機在工作時除向系統(tǒng)中輸送有功電能、同時對無功負載提供無功電能，當系統(tǒng)中無功功率需求較大時將降低發(fā)電機有功功率的輸出量。一般系統(tǒng)中的無功負載大部分是感性負載，把具有容性功率的裝置與感性負載聯(lián)接在同一回路，當感性負載吸收能量時容性無功裝置釋放能量；當感性負載釋放能量時容性無功裝置吸收能量，能量在感性與容性負載之間轉(zhuǎn)換，無功補償裝置降低了線路損耗，提高帶載能力，降低電壓損失以及緩解發(fā)電廠的供電壓力，供電系統(tǒng)為用戶提供合格的電壓。

2.2 開斷過程分析

無功負荷電流的開斷有其獨特的特點，與有功的負荷電流有質(zhì)的區(qū)別，需考慮的因素主要有開斷后的過電壓幅值、重擊穿后電壓級升及涌流等因素會影響斷路器開斷的性能，也會直接影響到斷路器的接觸情況。

分合閘過程中過電壓產(chǎn)生的情況：無功電流開斷過程中，由于斷路器的三相不可能是在同一時間開斷的，一相被開斷后系統(tǒng)平衡被打破，系統(tǒng)中性點對地電位提高的幅值與正序無功與零序無功的比值有關(guān)。對于無功補償裝置中性點不接地的情況下，在首開極開斷后的1/4周期內(nèi)，中性點電位上升到0.5pu，恢復電壓的峰值為：負載電容存儲電荷后的電壓1pu+反向電源電壓1pu+中性點偏移電壓0.5pu=2.5pu。因此在無功斷路器的分合閘的暫態(tài)情況下，會產(chǎn)生影響斷路器的的性能。

斷路器的分斷過程出現(xiàn)擊穿后的電壓級升及涌流：在斷路器的動作過程中會出現(xiàn)重擊現(xiàn)象，在多次重擊穿的情況下，在無功裝置上的電壓會按照1Um、3Um、5Um的序列建立起來，而斷路器觸頭間恢復電壓2Um、4Um、6Um序列建立起來，會在正常的電壓波形上產(chǎn)生突變量。需要指出的是，電壓級升效應必須在重擊穿后的第一個高頻電流過零時開斷，由于SF6自能式斷路器開斷高頻電流的能力比較弱，一般要到下一個工頻電流過零時開斷，所以SF6斷路器電壓級升的風險比較低。但重擊穿時的高頻涌流上升每微秒幾百安電流。使得觸頭間隙中的氣體急劇加熱和膨脹，這可能導致噴口嚴重燒蝕或?qū)е轮饔|頭間的擊穿，因此需考慮的多次重擊穿的情況下對觸頭系統(tǒng)的影響。

合閘過程分析：斷路器在合閘過程過程包含對單個無功裝置的投入與背對背無功裝置的合閘投入過程。對于無功裝置的投入，系統(tǒng)阻抗變化比較大，可限制合閘涌流的的變化，其帶來的問題是母線過電壓受無功裝置投入操作影響較大，將產(chǎn)生嚴重的暫態(tài)過程。對于背靠背無功裝置的投入與退出，特別是兩個電容器組間的感抗很小（一般需和電容器串聯(lián)限流電抗器），合閘涌流值及頻率較高。合閘時斷路器從預擊穿開始就流過電流，又因為涌流頻率較高，在剛合點前就會流過電流峰值，這將帶來嚴重的燒蝕。也就是在1毫秒時間內(nèi)達到電流峰值，此時斷路器的觸頭接觸位置仍處于剛合狀態(tài)，容易出現(xiàn)燒蝕弧觸及主觸頭觸指。

3 無功補償裝置工況對斷路器影響分析

3.1 引弧觸頭的影響

從無功補償斷路器的開斷與合閘過程可知，開斷過程中的重擊穿與關(guān)合過程中的合閘涌流都將帶來觸頭的嚴重燒蝕。為應對這種工況，SF6斷路器的弧觸頭全部采用燒結(jié)材料的CuW70（80），當斷路器在分合閘過程中，觸頭間會產(chǎn)生電弧。此時電弧首先在氣化溫度更高的鎢上形成弧根，銅在鎢氣化前已經(jīng)氣化用來冷卻弧根，同時銅蒸氣包裹弧根，使弧根更穩(wěn)定，因此銅鎢侵蝕量顯著小于各均質(zhì)材料。對于不太復雜的觸頭，侵蝕量的計算公式可用公式m=aIata，式中ta為電弧時間，a為與觸頭材料、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。通過公式計算可以初步對SF6斷路器在對無功裝置投入運行或退出的操作后引弧觸頭的影響。

3.2 對斷路器回路電阻影響

根據(jù)SF6斷路器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，斷路器的回路電阻主要由三部分組成：支撐座、氣缸、活塞等零件本身的電阻+靜接觸電阻（氣缸與支撐座接觸電阻等）+動接觸電阻（活塞與觸指接觸電阻等）[1]。在這三部分電阻中，靜接觸電阻與零件本身的電阻一般在使用過程中變化較小，主要與溫度有關(guān)。雖然通過優(yōu)化設計可減輕觸頭及噴口的燒蝕，但多次開斷后，仍有部分開斷過程中的粉塵覆蓋在觸指、活塞上等導電活動接觸表面，導致動接觸電阻增加，接觸電阻過大會造成發(fā)熱嚴重，可能導致主觸頭之間發(fā)生溶焊，無法分閘。在接觸處，由接觸電阻產(chǎn)生的熱損耗集中在很小范圍內(nèi)，這些熱量只能通過熱傳導向接觸點兩側(cè)的正常導體和觸指傳熱，因此接觸點處的溫升最高。

通過理論計算，優(yōu)化對SF6斷路器的滅弧室進行了優(yōu)化設計。通過C2級的設計采用4000A的額定電流、20kA的設計，可以提高SF6斷路器的動作次數(shù)及運行安全可靠性[2]。

3.3 無功補償SF6斷路器運維方案的設想

3.3.1 基于斷路器動作次數(shù)進行考慮運維的條件

從對斷路器投入運行或退出無功裝置對引弧觸頭的影響可知，引弧觸頭的燒蝕量與燃弧時間成正比，從斷路器在無功回路的投入或退出每次的燃弧時間是與其動作時，與各相電流、電壓的波形位置有關(guān)，不能進行統(tǒng)一為同一個時間參數(shù)，通過運行中時各相投入或退出綜合分析顯示，分合閘的次數(shù)越多，累計總?cè)蓟r間越長，引弧觸頭燒蝕越嚴重。

3.3.2 基于斷路器的回路電阻考慮運維的條件

從投擴或退出無功裝置對斷路器回路電阻的影響分析可知，關(guān)斷過程中的粉塵覆蓋在主觸頭上，導致接觸電阻增大，溫升超標。可通過產(chǎn)品在實際運行使用的工況進行分析制定對斷路器的運維方案。

當回路電阻在產(chǎn)品標準內(nèi)時、且動作次數(shù)在1000次內(nèi)，可每1年進行檢查回路電阻，定期記錄斷路器的動作情況，當增加500次應增加測試次數(shù)。當動作次數(shù)達到4500次時建議對機構(gòu)進行檢查維護，滅弧室進行解體檢修處理，更換弧觸頭及主觸頭組件；當回路電阻大于產(chǎn)品標準且少于2倍產(chǎn)品標準時，動作動作次數(shù)在1000次內(nèi)，可每1年進行檢查回路電阻，定期記錄斷路器的動作情況，當增加500次應增加測試次數(shù)。當動作次數(shù)達到3500次時，建議對機構(gòu)進行檢查維護，滅弧室進行解體檢修處理，更換弧觸頭及主觸頭組件。

當回路電阻大于產(chǎn)品標準2倍且少于3倍產(chǎn)品標準時，動作動作次數(shù)在1000次內(nèi)，可每1年進行檢查回路電阻，定期記錄斷路器的動作情況，當增加500次應增加測試次數(shù)[3]。當動作次數(shù)達到3000次時，建議對機構(gòu)進行檢查維護，滅弧室進行解體檢修處理，更換弧觸頭及主觸頭組件；當回路電阻大于產(chǎn)品標準4倍產(chǎn)品標準時，應建議對機構(gòu)進行檢查維護，滅弧室進行解體檢修處理，更換弧觸頭及主觸頭組件。

總體運維方案的思路是建議建立斷路器的亞健康運行狀態(tài)的記錄，對斷路器的動作次數(shù)及回路電阻進行綜合判斷，對用于無功補償裝置功能的斷路器進行特殊運維管控措施，確保斷路器的安全運行。

綜上，目前在電力系統(tǒng)設備中開展關(guān)于無功補償斷路器弧觸頭侵蝕量及電阻回升值與動作次數(shù)的關(guān)系研究仍存在較零散的狀態(tài)下，特別是在實際在系統(tǒng)負荷變化頻繁、動作次數(shù)多的斷路器更少，希望能夠在運行中有針對性地做好運維的總結(jié)。為進一步提高SF6斷路器用于投入無功裝置的安全用可靠性，開發(fā)在線利用動態(tài)電阻儀每開斷100次測量一次動態(tài)電阻，收集大數(shù)據(jù)進行分析，通過對比分析可粗略估算觸頭侵蝕量、主回路電阻回升值與關(guān)斷次數(shù)的關(guān)系。對電阻超標的產(chǎn)品解體檢修，查看滅弧室燒蝕情況等進一步優(yōu)化產(chǎn)品，使產(chǎn)品更適合用于無功裝置的回路中進行工作，實現(xiàn)斷路器主回路電阻的在線監(jiān)測功能。