10kV開關電氣特性運行狀態試驗研究

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(國網安徽省電力公司,安徽 合肥 230061)

1 引言

在電力系統中，斷路器是重要的電器設備之一，用來實現電力線路的關合、開斷、保護和控制。如果它們在運行中發生故障或誤動作，將會造成嚴重的后果，會影響到電力系統的正常運行。10kV開關是電力系統配電網絡中的重要設備，其數量眾多、分布廣泛，發生故障的幾率較高，危害也較大[1]。對該電壓等級斷路器的運行狀態進行試驗研究、對其性能和壽命做出分析評判有十分重要的意義。本項目對從系統中普遍采用的且運行若干年限的12kV真空斷路器進行試驗研究和技術分析，通過相關的試驗和測試手段檢測性能參數，了解各參數的變化情況，以考查斷路器的機械性能、絕緣性能和電性能，評判斷路器和滅弧室的質量狀態，為斷路器和滅弧室的使用和檢修維護提供參考，提高斷路器運行的可靠性與穩定性。

2 斷路器電性能的試驗與評價

斷路器運行時長期通過電流，可引起一次回路零件尤其是絕緣件性能劣化，短時分合電流時的電弧會使觸頭燒損，使滅弧室的電氣性能降低，這就有了斷路器和滅弧室的電氣使用壽命，即電壽命的問題。以下通過溫升試驗、主回路電阻測量和滅弧室接觸電阻測量來評判斷路器的長期通流能力；通過開斷關合電流試驗來考查斷路器開斷關合大電流的能力；最后對觸頭淺表層結構和縱剖面結構進行理化分析并檢測屏蔽筒附著物成分，掌握滅弧室在開斷大電流后觸頭和屏蔽罩的燒蝕狀況。

檢驗斷路器的短路性能是非常最重要的試驗，需要檢驗其開斷和關合短路電流的能力。

本試驗開斷電流和恢復電壓由合成回路提供，其原理圖如圖1所示。整個回路由兩部分組成，一部分是由電抗器組Li和電容器組Ci組成的電流源，另一部分是由電抗器組Lu和電容器組Cu組成的電壓源。試驗前，試品斷路器安裝在圖1中的SD位置，使斷路器處于閉合狀態。主合閘開關HK1打開，輔助開關FD閉合。另外將其它設備準備就位。

圖1 開斷試驗合成回路

這幾相開斷的最大電流有效值都等于或超過了額定短路開斷電流有效值31.5kA，其中2號C相成功開斷了33.72kA的電流。1號B相和2號C相分別在開斷32.06kA和34.23kA時失敗，從后面的圖可以看到，二者觸頭與其他觸頭相比有較為嚴重的金屬熔化燒蝕的痕跡[2]。

以下以2號斷路器為例，示出開斷成功時的部分波形圖，如圖2所示。試品斷路器開斷時引燃電弧，電壓有一個階躍上升，隨后的電壓值因為電弧燃燒的不穩定而有所波動，隨著電流值下降，電壓值也跟著下降，直至電流值降為零，電弧熄滅為止。

2號斷路器C相成功開斷的最大電流有效值為33.72kA，在開斷34.23kA時失敗，波形見圖3。電流在第一個過零點未被成功開斷，而是繼續反向增長，并在經歷5個振蕩周期后自然衰減為零。

以下挑選出6副圖片進行對比，可看出兩臺斷路器在合閘后2ms左右的電壓波形有明顯的不同。

從圖4中可以看出，1號斷路器在合閘瞬間，測得的斷路器兩側的電壓值立即陡然下降，隨后呈阻尼振蕩趨勢，波形平滑，并且由于銅條等電路連接線是感性阻抗，所以電壓波形超前電流波形。

圖2 2號斷路器C相開斷試驗部分波形圖

圖3 2號斷路器C相開斷失敗波形圖

9號斷路器合閘后的電壓波形也呈阻尼振蕩的形狀，但合閘之后1.5ms左右的波形與1號斷路器的波形有所不同，電壓出現了一個明顯的毛刺或尖峰。將9號斷路器開斷不同電流時的波形拉伸放大后，可對合閘后的電壓畸變做進一步的分析。放大后的波形見圖5所示。

從圖5可見，9號斷路器關合小電流時，在合閘后1.5ms電壓波形上會出現一個尖峰，電壓會有瞬間的升高和下降。

圖4 1號、9號斷路器關合電流波形對比

影響真空斷路器關合的一個關鍵問題是合閘彈跳。由于真空斷路器均采用對接式觸頭，且合閘速度較高，觸頭在合閘時就可能產生彈跳，產生的過電壓對電氣設備的絕緣可能造成傷害甚至損壞，而且彈跳過大會使觸頭易燒傷或熔焊，彈跳時間過長也可能損傷波紋管，使波紋管受強迫振動而出現裂紋，導致滅弧室漏氣，所以合閘彈跳越小越好[3]。9號斷路器在關合后出現的電壓尖峰可認為是合閘彈跳引起的過電壓，尖峰的持續時間就是合閘彈跳的持續時間。

兩臺斷路器關合后電壓波形的不同反映了它們合閘彈跳程度的不同，9號斷路器的合閘彈跳時間比1號斷路器的長，這可從它們機械特性參數的不同尋找原因。對比二者的合閘試驗結果可以發現，它們最主要的差別在于超行程的不同，9號斷路器的合閘超行程平均值為3.6mm而1號斷路器的合閘超行程平均值為5.1mm，相差較大。

對于真空斷路器的對接式觸頭來說，超行程是指觸頭接觸后產生閉合力的動觸頭部件繼續運動的距離。超行程不但在分閘時使動觸頭獲得一定的初始沖擊動能，提高動觸頭的初始加速度和拉斷觸頭熔焊點，而且在合閘時使觸頭能夠借助于觸頭彈簧力得到平滑的緩沖，減輕沖擊力的影響。9號斷路器的合閘超行程較小，觸頭簧壓縮量小，觸頭彈簧力不足，使得觸頭在剛性碰撞的沖擊力作用下發生反彈；另一方面，9號斷路器的合閘速度平均值為0.77m/s，比1號斷路器0.73m/s的合閘速度平均值稍大，較高的合閘速度引起的沖擊也較強。以上原因造成了9號斷路器具有相對較長的合閘彈跳時間，反映在關合波形上就是一個明顯的電壓尖峰。

圖5 9號斷路器關合電流放大圖

滅弧室目前的制造工藝有常規工藝和一次封排工藝，與常規工藝相比，一次封排工藝生產周期短，生產效率高而且質量好，提高了產品的可靠性、穩定性和一致性。剖開滅弧室發現，兩種工藝的滅弧室內部形狀有所不同，兩種工藝滅弧室的主要差別在于動、靜導電桿的屏蔽罩和觸頭片。常規工藝滅弧室靜端屏蔽罩較短，后面有排氣孔，而一次封排工藝滅弧室的靜端屏蔽罩較長；常規工藝滅弧室動端屏蔽罩很短，位于波紋管之前，而一次封排工藝滅弧室動端屏蔽罩幾乎包住了波紋管，這樣可使波紋管免受開斷時電弧或飛濺的金屬熔融物的傷害。

真空滅弧室的主屏蔽罩環繞著電弧間隙，在開斷電流時，電弧會使觸頭材料熔化和蒸發，有大量金屬蒸汽和液滴向真空滅弧室四周噴濺，主屏蔽罩可對絕緣外殼起到保護作用，防止電弧生成物沉積在真空滅弧室外殼的內表面上，使真空滅弧室絕緣性能下降[4]。另外交流電流過零時，滅弧室內剩余的金屬蒸汽和導電粒子徑向快速地擴散到屏蔽罩上，在屏蔽罩表面冷卻、復合和凝結，有利于電弧熄滅后殘余等離子體的衰減，提高電流過零后弧隙介質強度，改善滅弧室的開斷性能。

電弧燃燒時使觸頭材料熔化、蒸發，產生的金屬蒸汽和液滴向四周濺射，以下對觸頭進行理化分析，以了解大電流燃弧對觸頭表面顯微形貌和材料成分的影響。用掃描電鏡觀察經歷過開斷大電流試驗后的觸頭表面形貌，并配合能譜分析儀對觸頭表面燒蝕嚴重區域的成分及含量進行探測，最后對觸頭實施局部切割制成縱剖面樣本，對觸頭縱剖面進行掃描電鏡觀察和能譜分析[5]。

圖6的能譜分析結果顯示，該區域Cu含量為27.50%、Cr含量為55.74%，對比原始材料中50：50的Cu、Cr含量比，可知燒蝕嚴重區域Cu含量大幅下降，造成Cr含量上升。這可能是因為電弧作用下觸頭材料表面的Cu受高溫作用蒸發的結果。

圖6 燒蝕較嚴重區域的能譜分析結果

3 斷路器絕緣性能的試驗與評價

高壓開關的絕緣性能是一個很重要的質量指標，關系到設備和人身安全。絕緣一旦失效就會造成對地或相間短路，電弧在無拘束的情況下，除了會造成難以估計的經濟損失外，還可能發生人身傷亡等惡性事故，所以，要求斷路器有較長年限的絕緣壽命，高壓開關的型式試驗、出廠試驗和電力部門的交接試驗中都把高壓開關的絕緣性能試驗作為必試項目。本項目對斷路器試品進行工頻耐壓試驗和局部放電測量試驗，并對一次回路絕緣件進行局放測量，以評判其在運行一段時間后的耐壓水平和局部放電水平。

局部放電是指在電場作用下發生在絕緣體內局部區域中的放電現象，而絕緣體整體部分并未發生貫穿性放電，仍然保持絕緣的性能。隨著開關設備電壓等級的提高和各種有機絕緣材料的廣泛應用，電力設備的局部放電問題越來越突出。局部放電既是設備絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的重要原因，因此對局部放電進行有效檢測對于開關設備的安全穩定運行具有重要意義[6]。

當高壓電氣設備發生局部放電時，放電電量先聚集在與放電點相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖并向各個方向傳播。根據電磁原理可得導體中電流密度隨著表面積的增加成指數下降。從而可知道高頻局放電流只在導體表面很薄的一層范圍內傳輸。對于內部放電，放電電量聚集在接地屏蔽的內表面，因此如果屏蔽層連續時無法在外部檢測到放電信號。但情況不是這樣，屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現破損而導致不連續，這足以讓高頻信號傳輸到設備外層而被檢測出來。

放電產生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關的襯墊傳播出去，同時產生一個暫態電壓，通過設備的金屬箱體外表面而傳到地下去，這些電壓脈沖就是暫態對地電壓(TEV)。電壓脈沖在金屬殼的內表面傳播，最終從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬殼外表傳到大地，用電容性探測器就可檢測到放電脈沖。這是TEV測量方法的基本原理。從局放TEV讀數的測量結果可見，一般從0開始加壓時，TEV測量值較低，在3dB左右，升至20kV或25kV之后，TEV讀數增大較快，等加壓到42kV時，TEV讀數達到最大，一般在40～45dB之間。

局放試驗時發現的異常現象主要有[7]：

2號斷路器的局放試驗過程中，斷口間加壓至15kV時，TEV測量值出現波動，讀數有時達60dB，立即降壓至零然后重新升壓測量，在加壓至15kV時，TEV測量值又出現60dB的偏高讀數，第三次試驗時依然如此。12號斷路器的局放試驗過程中，單獨對A相、B相和C相的上觸頭加壓超過30kV時，TEV的讀數都接近或達到了測量的上限60dB；單獨對B相和C相下觸頭加壓至42kV時，TEV讀數也達到了60dB。對12號斷路器重復各局放試驗發現，以上異常狀況不具有可重復性，比如，對C相上下觸頭分別加壓再次測量局放時，TEV讀數恢復了平穩增長的走勢，加壓至42kV時尚未超過40dB。

另外，比較同一斷路器在各加壓方式下的測量結果，可以看到大部分TEV測量值都是隨著電壓的上升而增長，但有些情況在某一電壓等級下，TEV值會有突然的增加，比前后電壓等級下的測量值都高，即出現了一個拐點，比如7號斷路器在斷口間加壓至30kV時，TEV值有較大增長，而增加電壓到35kV時，TEV值卻出現下降[8]；另外，一般TEV值在斷路器加壓超過15kV或20kV之后才會有比較大的增長，而部分斷路器在電壓升到20kV之前，TEV讀數就已經超過了10dB，比如12號斷路器。在局放試驗中出現的異常

情況主要是TEV讀數異常偏高達到上限、出現拐點或升高較早。

4 結論

通過機械動作試驗、溫升試驗、回路電阻測量、開斷關合電流試驗、耐壓和局放試驗等，獲得了斷路器的機械特性參數、機構零部件尺寸變化、局放TEV數值等一系列很有價值的數據，可以得出以下結論：使用了5～9年的滅弧室的自閉力和反力都滿足要求。部分滅弧室真空度低于出廠要求，個別的已降至10-2Pa，但尚未對耐壓和開斷能力造成影響。部分滅弧室波紋管的內壁已出現微小的褐色銹斑；運行5～9年的斷路器和滅弧室的耐壓性能沒有下降，采用TEV方法能夠發現由斷路器一次回路元件松動引起的局放異常，是一種方便快捷、具有有效捕捉能力的方法；運行5～9年的斷路器一次回路完整性未遭破壞，依然具有正常通流能力，其開斷能力也能夠滿足要求。

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