合閘涌流對無功用斷路器觸頭壽命影響

李建鵬，王 偉，李江龍，孟延輝，王占寧

（國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

執(zhí)行無功補(bǔ)償用的電容器組和電抗器需要斷路器頻繁動作，對斷路器的觸頭壽命有很高的要求。斷路器觸頭包括主觸頭和弧觸頭，其中主觸頭承擔(dān)通流的功能，弧觸頭起到引燃、熄滅電弧的作用。斷路器分合閘過程中，弧觸頭受到電弧的燒蝕及機(jī)械磨損，逐漸產(chǎn)生質(zhì)量損失及形變。嚴(yán)重情況下，一旦主觸頭通過電弧將造成斷路器閃絡(luò)甚至爆炸的嚴(yán)重事故［1-3］。

以往對無功補(bǔ)償用斷路器開斷大電流時的觸頭燒蝕有很多的研究，多數(shù)研究認(rèn)為質(zhì)量損失率可以表征開斷過程中的觸頭燒蝕特性，但是觸頭質(zhì)量損失的測量需要拆卸滅弧室，電力設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場不具備該條件，并且長時間停電檢修影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。動態(tài)接觸電阻法是在不拆卸滅弧室前提下，通過測量合閘或分閘過程中動、靜觸頭之間的接觸電阻來評估高壓斷路器觸頭燒蝕情況，并診斷其電壽命的有效方法［4-11］。

1 關(guān)合涌流引起的弧觸頭燒蝕

斷路器在關(guān)合過程中，關(guān)合涌流電弧會造成弧觸頭間的燒蝕、磨損、變形，改變滅弧室內(nèi)電場分布，降低弧后介質(zhì)恢復(fù)特性。在瞬態(tài)恢復(fù)電壓的作用下，極易發(fā)生重?fù)舸┈F(xiàn)象，產(chǎn)生操作過電壓，損害斷路器的開斷性能，嚴(yán)重時導(dǎo)致開斷失敗。因此，關(guān)合涌流對斷路器弧觸頭的燒蝕是影響開斷性能和電氣壽命的關(guān)鍵因素。

假定斷路器三相觸頭的關(guān)合是同期的，電容器組每組的電容量也是相同的，則三相電路可按圖1的單相電路來分析。

圖1 單相電路

圖中L 為電源電感，C0為母線及其饋線的對地電容，C 為電容器組每組的電容（C＞＞C0）。若電源電壓u=Umsin（ωt+φ），合閘前電容C 上的殘留電壓為U0，則斷路器關(guān)合時電容C 上的電壓uc為

式中：Um為電源最大電壓；ω0＝。

電容器中流過的電流由工頻部分及高頻部分組成，工頻部分就是電容器中流過的穩(wěn)態(tài)電流，高頻部分為暫態(tài)電流。考慮最嚴(yán)重的情況，即工頻部分最大值與高頻部分最大值同時出現(xiàn)，則電容器中流過的涌流最大值

若U0＝0，則

式中：Im為電容器中穩(wěn)態(tài)電流最大值；Ps為電容器安裝處母線的三相短路容量；Pc為三相電容器組的容量。電容器投入時，涌流的倍數(shù)最高可能達(dá)二十多 倍［4-5］。

斷路器在頻繁地操作過程中，高于額定電流數(shù)倍的涌流會燒蝕弧觸頭，弧觸頭間的機(jī)械磨損會造成弧觸頭質(zhì)量受損及變形。觸頭分?jǐn)嗪筮M(jìn)行下一次關(guān)合，由于前次關(guān)合弧觸頭產(chǎn)生了磨損和變形，導(dǎo)致電場發(fā)生了畸變，使弧觸頭更容易預(yù)擊穿，表現(xiàn)為燃弧時間的增加，這使得弧觸頭溫度升高，機(jī)械磨損和變形更為嚴(yán)重，電場的畸變進(jìn)一步增加［6-10］。弧觸頭的關(guān)合侵蝕是預(yù)擊穿電弧燒蝕和燒蝕后的機(jī)械磨損綜合作用的結(jié)果，兩個過程互相影響，惡性循環(huán)，導(dǎo)致了弧觸頭的加速失效。

正常情況下，主觸頭長時間承受工作電流，弧觸頭承受電弧電流的燒蝕。當(dāng)弧觸頭燒蝕到一定程度時，接觸行程大幅度減小將導(dǎo)致噴口提前打開，氣體吹弧能力下降，觸頭間電場畸變嚴(yán)重降低介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度。開斷短路電流時，電弧將向主觸頭轉(zhuǎn)移，主觸頭一旦遭受電弧電流后就會產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)g甚至變形，導(dǎo)致下次合閘后導(dǎo)電回路接觸電阻急劇增大或者合閘不到位，引起斷路器在合閘后發(fā)生爆炸事故。

2 觸頭燒蝕引起的斷路器爆炸事故

2.1 現(xiàn)場檢查情況

A 相瓷套爆炸，大部分碎片散布在斷路器周邊5 m 區(qū)域內(nèi)，如圖2 所示。靜觸頭側(cè)懸掛在母線隔離開關(guān)側(cè)一次引線上，動觸頭側(cè)通過絕緣拉桿懸掛在斷路器本體槽鋼上，底部吸附劑安裝部位外殼破裂，如圖3 所示。瓷套碎片外表面無爬電痕跡，內(nèi)部釉面被高溫?zé)?。絕緣拉桿表面有黑色燒灼痕跡，初步檢查未見到明顯的爬電痕跡，滅弧室各元器件均已燒損。觸指嚴(yán)重?zé)龘p，散落于地面，如圖4 所示。B 相瓷套下部外表面受熱變色，如圖5 所示，斷路器與電流互感器之間的接線板側(cè)面及下部有2 處放電燒融痕跡。C 相本體檢查無異常。

圖2 爆炸現(xiàn)場

圖3 吸附劑安裝部位

圖4 燒損的觸指

圖5 B 相瓷套

2.2 故障錄波及視頻監(jiān)控顯示的事故發(fā)展過程

故障斷路器為液壓機(jī)構(gòu)斷路器，2007 年投運(yùn)，動作次數(shù)4 480 次，運(yùn)行年限12 年。故障前天氣情況：陰。故障前運(yùn)行方式：站內(nèi)正常方式運(yùn)行，該斷路器由AVC 控制投入運(yùn)行，合閘后錄波圖顯示電壓、電流正常。故障錄波顯示的事故發(fā)展過程如圖6 所示。通過視頻監(jiān)控，可以看到斷路器A 相瓷套出現(xiàn)2 次爆炸，第1 次爆炸部位在瓷套下部（吸附劑部位），第2 次爆炸部位在瓷套上部（滅弧室部位），2 次爆炸間隔時間約7 s。結(jié)合故障錄波信息，分析斷路器A 相先出現(xiàn)內(nèi)部接地故障，持續(xù)約3 s 后瓷套下部發(fā)生爆炸，又持續(xù)約7 s 后，A、B 相間發(fā)生短路故障，A 相瓷套上部發(fā)生爆炸。

圖6 故障錄波顯示的事故發(fā)展過程

2.3 斷路器解體檢查情況

對A 相斷路器解體檢查，發(fā)現(xiàn)絕緣拉桿表面碳化變成黑、灰色，上部比中下部碳化嚴(yán)重。受爆炸瓷套下墜作用，拉桿中下部受力彎曲，彎曲部位起層，內(nèi)部各層無明顯碳化痕跡，絕緣拉桿仍有較強(qiáng)韌性，如圖7 所示。從撕扯開的斷口看，絕緣拉桿內(nèi)部未存在貫通的爬電痕跡。

圖7 絕緣拉桿

對B 相斷路器解體檢查，發(fā)現(xiàn)本體內(nèi)部各部件表面臟污嚴(yán)重，底部吸附劑罩內(nèi)有大量金屬碎屑，如圖8 所示。絕緣拉桿表面局部臟污，無爬電痕跡，臟污痕跡可以被擦掉。瓷套內(nèi)部臟污，但無沿面爬電痕跡。上部靜觸頭有較嚴(yán)重?zé)g痕跡，下部靜觸頭磨損嚴(yán)重，能看到明顯凹槽，滑動觸頭燒損嚴(yán)重。導(dǎo)電部分疊加后，測試回路電阻為114 μΩ（標(biāo)準(zhǔn)值33±9 μΩ）。

圖8 吸附劑內(nèi)的金屬碎屑

對C 相斷路器解體檢查，發(fā)現(xiàn)本體內(nèi)部各部件表面臟污嚴(yán)重，底部吸附劑罩內(nèi)有大量金屬碎屑，如圖9 所示。絕緣拉桿表面無爬電痕跡，瓷套內(nèi)部臟污，但無沿面爬電痕跡。上部靜觸頭有較嚴(yán)重?zé)g痕跡，下部靜觸頭磨損嚴(yán)重，能看到明顯凹槽。滑動觸頭燒損嚴(yán)重，其中一根觸指發(fā)生變形。手動合閘后，測試回路電阻為83 μΩ（標(biāo)準(zhǔn)值33±9 μΩ）。

圖9 吸附劑內(nèi)的金屬碎屑

2.4 爆炸原因分析

通過對事故斷路器的解體檢查，可以確定經(jīng)過長時間運(yùn)行和頻繁動作后，三相觸頭系統(tǒng)存在不同程度的磨損，底部吸附劑罩內(nèi)金屬碎屑即為觸頭磨損產(chǎn)生。斷路器A 相因觸頭磨損等因素造成導(dǎo)電回路接觸不良，多次分合閘操作后接觸不良情況加劇。本次事故合閘后滅弧室內(nèi)導(dǎo)電回路迅速過熱，燒熔部分金屬部件，熔滴降低了吸附劑罩的防爆強(qiáng)度，并造成A 相內(nèi)部出現(xiàn)接地，同時瓷套內(nèi)部SF6氣體因高溫迅速膨脹，產(chǎn)生的膨脹壓力超過斷路器底部吸附劑罩殼體強(qiáng)度，造成斷路器底部殼體爆炸。A 相本體第1 次爆炸后，在噴濺出的金屬蒸汽作用下，A、B相間局部空氣絕緣強(qiáng)度降低，引起相間短路故障。由于作用在A 相導(dǎo)電回路上的短路電流增大，氣體繼續(xù)膨脹，造成第2 次本體瓷套爆炸。

3 動態(tài)電阻測試對監(jiān)測觸頭電壽命的重要意義

以前對觸頭電壽命的監(jiān)測是記錄累計(jì)開斷電弧電流的能量。事實(shí)上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后開斷2 次同樣大小的電流，其燒損程度也不可能完全相同。開斷電流相差很大時，斷路器觸頭的燒損機(jī)理也不同，燒損量相差很大。因此，用累計(jì)開斷電流來判斷觸頭燒損量是不能夠正確反映觸頭電壽命的［11-16］。

回路電阻測量是用來評價主觸頭接觸狀態(tài)的方法，不能反映弧觸頭的燒蝕程度。動態(tài)電阻是近幾年國際上發(fā)展起來的一種評價弧觸頭狀態(tài)的方法，利用斷路器分合動作過程中弧觸頭先合后分的特點(diǎn)，測量弧觸頭高速運(yùn)動當(dāng)中的動態(tài)接觸電阻，根據(jù)動態(tài)接觸電阻來評價弧觸頭的燒蝕程度［17-18］。實(shí)際測試中常利用斷路器的分閘過程來進(jìn)行。

斷路器分閘動作過程中，主觸頭先于弧觸頭分開，電流從主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭上。經(jīng)過一段時間后，弧觸頭再分開。在這段時間以內(nèi)，弧觸頭是主導(dǎo)電回路，這段時間為弧觸頭接觸時間。隨著弧觸頭燒蝕和磨損程度的不斷加劇，弧觸頭質(zhì)量損失越來越多，長度逐漸變短，弧觸頭接觸時間也相應(yīng)縮短。當(dāng)弧觸頭縮短到一定程度后，將造成分閘過程中主觸頭分開后電流無法轉(zhuǎn)移到弧觸頭上，或者合閘過程中主觸頭預(yù)擊穿，將直接燒蝕主觸頭，導(dǎo)致斷路器爆炸的嚴(yán)重事故［19-21］。由此可見，弧觸頭的接觸時間與弧觸頭壽命密切相關(guān)。通過測量導(dǎo)電回路動態(tài)接觸電阻的變化來獲得弧觸頭接觸時間，從而評價觸頭的電壽命是一種切實(shí)有效的方法。典型的分閘階段動態(tài)電阻曲線如圖10 所示，動態(tài)電阻曲線分為2 個階段，主觸頭接觸階段和弧觸頭接觸階段。2 個階段之間有一明顯的分離點(diǎn)，這是由于回路電流從主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭時接觸電阻發(fā)生變化所致。通過實(shí)測的動態(tài)電阻曲線和典型曲線對比，可以表征觸頭燒蝕程度。

圖10 典型分閘階段動態(tài)電阻曲線

4 結(jié)語

無功用斷路器關(guān)合涌流會造成嚴(yán)重的弧觸頭燒蝕，弧觸頭的燒蝕、磨損、變形累積到一定程度后導(dǎo)致主觸頭通過電弧電流而受損，進(jìn)而造成斷路器閃絡(luò)甚至爆炸的事故。動態(tài)接觸電阻測試是診斷觸頭電壽命的有效方法，在檢修工作中增加動態(tài)接觸電阻測試的工作，及時發(fā)現(xiàn)觸頭系統(tǒng)的隱患，有效提高無功用斷路器的運(yùn)行維護(hù)水平。