馬飛越,李寧,馬青,李辛,陳磊,白濤
(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院,寧夏 銀川 750011;2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司,寧夏 銀川750011;3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司,寧夏 石嘴山 753000)
斷路器作為變電站中最重要的設(shè)備之一,是應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中多種任務(wù)和需求的開關(guān)裝置,能夠在正常運(yùn)行條件下關(guān)合、持續(xù)承載和開斷額定電流,也能關(guān)合在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載和開斷不超過其指定的額定短路電流值的所有電流[1-3]。瓷柱式斷路器屬于外殼帶電的斷路器,具有處于高電位的滅弧室外殼,相較于罐式斷路器具有成本低,對(duì)安裝空間的要求小,滅弧介質(zhì)的用量更小的特點(diǎn)[4-6]。在合閘位置時(shí),斷路器近似看作理想導(dǎo)體;在分閘位置時(shí),斷路器看作理想絕緣體。在電網(wǎng)中某個(gè)地點(diǎn)發(fā)生短路的情況下,斷路器在電流開斷的時(shí)刻需要觸頭間隙的電導(dǎo)率在很短的時(shí)間內(nèi)下降13至15個(gè)數(shù)量級(jí),是電力系統(tǒng)保護(hù)鏈中的最后環(huán)節(jié),在運(yùn)行可靠性方面必須滿足非常高的要求[7-8]。
本文針對(duì)一起126 kV瓷柱式斷路器滅弧室內(nèi)部觸頭燒蝕故障,從設(shè)備故障情況、現(xiàn)場檢查及理論計(jì)算分析,確定故障原因,并制定對(duì)應(yīng)的排查措施以避免類似故障發(fā)生。
2019年12月22日,某220 kV變電站126 kV斷路器帶負(fù)荷運(yùn)行(最大電流約430 A)6 min后,后臺(tái)保護(hù)顯示系統(tǒng)出現(xiàn)零序電流,A、B相電流正常,C相電流斷斷續(xù)續(xù),故障持續(xù)時(shí)間2 097 ms后,保護(hù)動(dòng)作跳閘,A、B相開斷成功,C相電流仍然存在,持續(xù)時(shí)間約400 ms。故障錄波如圖1所示,圖中通道53表示A相電流,通道54表示B相電流,通道55表示C相電流,通道56表示零序電流。斷路器退出運(yùn)行后進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)斷路器合閘位置時(shí)C相無法測出回路電阻,且分、合閘時(shí)間測試顯示C相無數(shù)值。
對(duì)該變電站C相故障斷路器進(jìn)行現(xiàn)場解體檢查,拆解后照片如圖2、圖3所示,拆解顯示本體內(nèi)部傳動(dòng)無明顯異常,傳動(dòng)連桿及連接軸銷正常。滅弧室內(nèi)部燒蝕嚴(yán)重,其中動(dòng)主觸頭及靜主觸頭接觸部位邊沿已熔化成不規(guī)則卷曲狀,靜弧觸頭內(nèi)部固定連接支撐件已熔斷,靜弧觸頭掉落在滅弧室內(nèi)部。
圖1 斷路器故障錄波
圖2 本體內(nèi)部傳動(dòng)連接情況
圖3 滅弧室觸頭燒蝕情況
通過故障錄波情況顯示C相斷路器電流在運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象,斷路器分閘后仍出現(xiàn)電流,可將該斷路器故障電流分為4個(gè)階段:
第一階段,斷路器內(nèi)部觸頭燒蝕后未可靠接觸,正常運(yùn)行條件下C相斷路器未流過負(fù)荷電流,該階段出現(xiàn)零序電流,持續(xù)時(shí)長850 ms;
第二階段,C相斷路器出現(xiàn)間歇性的電流,零序電流出現(xiàn)間歇性,持續(xù)時(shí)間1 240 ms;
第三階段,斷路器再次出現(xiàn)電流為零情況,并持續(xù)1 105 ms,此時(shí)斷路器零序過流保護(hù)動(dòng)作;
第四階段,斷路器分閘動(dòng)作后,C相斷路器再次出現(xiàn)電流,電流持續(xù)時(shí)間約400 ms。
從現(xiàn)場解體情況可以看出,斷路器滅弧室內(nèi)部動(dòng)主觸頭、靜主觸頭及靜弧觸頭支架燒蝕較為嚴(yán)重。結(jié)合故障錄波過程分析,可以確認(rèn)該故障斷路器滅弧室主觸頭未可靠接觸,導(dǎo)致電流開始從弧觸頭流通,正常運(yùn)行時(shí)斷路器負(fù)荷電流較小,由于弧觸頭未有效接觸時(shí)電阻較大,當(dāng)負(fù)荷電流增大后長期運(yùn)行,斷路器持續(xù)發(fā)熱嚴(yán)重,導(dǎo)致觸頭燒蝕。
結(jié)合斷路器負(fù)荷電流變化情況分析,斷路器正常運(yùn)行時(shí)觸頭接觸不良缺陷一直存在,主觸頭未有效接觸且動(dòng)靜弧觸頭接觸不良,一直在發(fā)熱運(yùn)行,但負(fù)荷電流不大,發(fā)熱量較小。當(dāng)12月22日負(fù)荷突然增大時(shí)(電流約430 A,持續(xù)6 min),發(fā)熱加劇導(dǎo)致靜弧觸頭固定座燒損脫落無法通流,即出現(xiàn)第一階段情況。第二階段電流轉(zhuǎn)移到主觸頭,因動(dòng)靜主觸頭未可靠接觸,主觸頭之間開始放電拉弧燒蝕,電流出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況,即第二階段情況。主觸頭本身處于虛接狀態(tài),并經(jīng)燒蝕后無電流通路,導(dǎo)致零序電流保護(hù)啟動(dòng),即第三階段,在2 097 ms后保護(hù)啟動(dòng)跳閘,錄波圖顯示A、B相開斷成功。第四階段,C相斷路器在跳閘后經(jīng)過一段時(shí)間電流出現(xiàn)復(fù)燃,電流復(fù)燃的原因初步分析是由于主觸頭之間電弧燒蝕產(chǎn)生的高溫熔融物噴濺,使斷口出現(xiàn)了間歇性擊穿。斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)如圖4所示,斷路器觸頭具體燒蝕情況見圖5、圖6。
圖4 斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)
圖5 靜弧觸頭燒斷
圖6 主觸頭燒蝕部位
從圖5、圖6可以看出斷路器弧觸頭燒蝕及主觸頭燒蝕均在觸頭接觸不良狀態(tài)通流發(fā)熱產(chǎn)生,解體檢查斷路器機(jī)構(gòu)、連桿等傳動(dòng)部件正常,可見該斷路器內(nèi)部觸頭配合調(diào)整不到位引起觸頭插入深入不足。經(jīng)調(diào)查該臺(tái)產(chǎn)品于故障兩年前更換過機(jī)構(gòu),分、合閘時(shí)間及回路電阻測試正常,未進(jìn)行超行程測試,導(dǎo)致觸頭未可靠接觸是觸頭燒蝕的根本原因。斷路器主觸頭由于該線路正常情況下負(fù)荷較小,正常運(yùn)行條件下負(fù)荷電流約為100 A,導(dǎo)致該缺陷未能及時(shí)暴露,電流增大后缺陷暴露,是觸頭燒蝕的誘因。
該型斷路器產(chǎn)品超行程技術(shù)要求有一個(gè)公差范圍,每臺(tái)產(chǎn)品出廠數(shù)據(jù)并不完全一致,因此斷路器更換機(jī)構(gòu)后必須要重新進(jìn)行超行程測試,若測試結(jié)果不滿足技術(shù)要求,需要重新調(diào)整匹配。該型斷路器產(chǎn)品的超行程技術(shù)要求如表1所示。
表1 超行程技術(shù)要求
通過表1可以看出觸頭超行程沒有進(jìn)行測試時(shí),無法保證主觸頭接觸行程滿足技術(shù)要求,該斷路器主觸頭接觸行程僅為5~8 mm,斷路器設(shè)備更換機(jī)構(gòu)后僅進(jìn)行回路電阻測試,但由于觸頭輕微接觸時(shí)回路電阻未見明顯異常,隨著設(shè)備動(dòng)作后振動(dòng)等作用造成觸頭出現(xiàn)接觸不良情況。
當(dāng)動(dòng)靜弧觸頭接觸不良時(shí),其觸頭接觸部位存在接觸電阻,接觸電阻等于收縮電阻和表面膜電阻之和,通流回路總電阻為導(dǎo)體電阻與接觸電阻之和[9-10],則斷路器滅弧室觸頭部位的熱源主要來自于導(dǎo)電回路產(chǎn)生的焦耳熱損耗Q。
Q=KfI2Rt
(1)
式中:Kf—考慮交變電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)電阻影響的附加損耗系數(shù);
I—回路電流;
R—回路總電阻;
t—通流時(shí)間。
如果斷路器觸頭所有焦耳熱均被導(dǎo)電回路吸收,短時(shí)間內(nèi)不考慮熱交換情況,按照弧觸頭導(dǎo)電回路單相導(dǎo)體金屬材質(zhì)質(zhì)量計(jì)算,其中弧觸頭回路電流沿著弧觸頭接觸部位,流過弧觸頭支撐座與整個(gè)滅弧室導(dǎo)體相連?;∮|頭接觸不良時(shí)回路總電阻2 mΩ,短時(shí)間通流時(shí)間60 s。當(dāng)電流由100 A增大至400 A后,由于靜弧觸頭質(zhì)量較大,而弧觸頭支撐座固定材料及金屬鋁材質(zhì)量較小,計(jì)算該連接部位溫升可達(dá)到420 K,溫度超出支撐材料熔點(diǎn)后熔斷并造成支撐座燒損后弧觸頭脫落;因此,該126 kV斷路器觸頭燒蝕原因?yàn)閿嗦菲鞲鼡Q機(jī)構(gòu)后未按要求開展行程曲線測試,斷路器觸頭超程不滿足要求,導(dǎo)致觸頭接觸不良,當(dāng)負(fù)荷電流突增后,觸頭部位發(fā)熱導(dǎo)致滅弧室燒蝕故障。
為避免此類故障,保障該型斷路器同批次更換機(jī)構(gòu)后觸頭狀態(tài)滿足運(yùn)行要求,對(duì)同型號(hào)斷路器開展行程曲線測試,對(duì)某變電站9臺(tái)斷路器進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)其中3臺(tái)斷路器超程數(shù)據(jù)不滿足技術(shù)要求,具體數(shù)據(jù)見表2。
表2 斷路器超程測試數(shù)據(jù)
從表2可以看出3臺(tái)斷路器超程數(shù)據(jù)小于技術(shù)要求的25~28 mm。超程也叫超行程,即動(dòng)、靜觸頭接觸后,機(jī)構(gòu)將繼續(xù)超行程運(yùn)動(dòng),超出動(dòng)靜觸頭位置的那部分。如超程數(shù)據(jù)偏下,即斷路器合閘后觸頭的插入深度不足,與該站觸頭燒蝕斷路器故障原因一致,因此制定治理措施對(duì)不滿足要求斷路器調(diào)整斷路器機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部位行程,并開展行程曲線測試,確保調(diào)節(jié)后狀態(tài)正常。以表2中斷路器3為例,調(diào)整前該斷路器超程23.4 mm,如圖7中2條虛線間縱坐標(biāo)的插值。調(diào)整后斷路器合閘行程曲線如圖8所示,2條虛線見縱坐標(biāo)的差值為26.2 mm,調(diào)整后斷路器所有參數(shù)滿足技術(shù)要求規(guī)定。
圖7 斷路器3調(diào)整前合閘行程曲線
圖8 斷路器3調(diào)整后合閘行程曲線
1)通過斷路器錄波波形分析、現(xiàn)場解體檢查及理論計(jì)算分析,結(jié)合斷路器觸頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn),分析確定了斷路器觸頭接觸不良是燒蝕故障的根本原因。
2)更換機(jī)構(gòu)后的斷路器應(yīng)按要求開展分/合閘時(shí)間測試,回路電阻測試,觸頭行程和超行程測試,分/合閘速度測試,分/合閘時(shí)間線圈電流波形測試,確保斷路器狀態(tài)滿足運(yùn)行要求。
3)加強(qiáng)設(shè)備缺陷管理,針對(duì)性開展缺陷排查治理,可有效杜絕同批次設(shè)備同類型缺陷引發(fā)設(shè)備故障。