基于輻射電磁波信號檢測的開關柜重燃現象檢測方法

張恭源，馬宏明，程志萬，彭兆裕，何順

（1.云南電網有限責任公司，昆明 650011；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

電力系統的安全可靠性引起了重視[1]。每年有37%-48%的電力系統事故是由電氣設備故障所引起的[2]。開關柜在電氣設備中所占比例較大，其可靠操作直接影響了整個電網的安全運行[3-4]。開關柜性能影響因素十分復雜，檢修難度大、耗時長，檢修費用甚至占用了變電站維護費用的30%左右[5]。因此對開關柜工作狀態進行有效的檢測，及時發現開關的早期缺陷，對于保障電網的安全可靠運行有著十分重要的意義。

開關柜斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數倍的涌流以及動、靜弧觸頭間的機械磨損會造成觸頭變形并產生金屬蒸汽，損害滅弧室的絕緣性能[6-9]，在分合閘的過程中發生重燃現象，并對外輻射很高頻率的電磁波信號。滅弧室內的觸頭系統是導電回路最重要的組成部分，其狀態的好壞直接影響著斷路器的開斷能力。長期運行中的斷路器觸頭在電化學及化學的腐蝕作用下，其接觸部分的電阻會逐漸增大，因此就有了針對斷路器接觸電阻檢測的回路電阻法[10-13]，但該方法不能實現在線監測，且測試過程復雜。針對這一問題，提出了一種基于輻射電磁波信號開關柜重燃現象的檢測方法。

1 檢測原理

1.1 單相重燃機理

開關柜分閘時，當動靜觸頭剛剛分離時，觸頭間SF6介質的耐受電壓低于動靜觸頭間承受的電壓時，動靜觸頭將會立即擊穿燃弧，在擊穿瞬間，動靜觸頭間電流迅速增加，在空間產生一個突變的磁場，該磁場繼而激發一個突變電場，該電場繼而激發一個突變的磁場，往復循環，就在空間中激發出一個很高頻率的電磁波信號。擊穿發生后，電弧中的電流變化接近于工頻電流。隨著動靜觸頭間距逐漸增大，電弧在過零點處自然熄滅，不會再激發出高頻率的電磁波信號。因此，在斷路器滅弧特性良好的情況下，開關柜分閘時只會輻射出一次電磁波信號，后續電弧燃燒期間不會再激發其他電磁波信號。正常狀態下熄弧滅弧原理圖如圖1所示。

圖1 正常狀態下熄弧滅弧原理圖

然而，開關柜斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數倍的涌流以及動、靜弧觸頭間的機械磨損會造成觸頭變形并產生金屬蒸汽，使滅弧室的滅弧性能下降。當斷路器經過多次燒蝕后，觸頭表面形成多個微小尖刺，這些尖刺在電場的作用下會形成多個極不均勻的電場區。另外，開關多次動作后會在滅弧室內產生金屬顆粒，這些金屬顆粒位于滅弧室底部。當開關動作時，滅弧室內的氣體劇烈運動，這些顆粒會在氣流的帶動下運動，使得顆粒處于不同的電場區，顆粒間的電位不同，他們之間，他們與觸頭間都可能產生放電，繼而激發電磁波信號，顆粒的數量越多，滅弧室的內電場越不均勻。因而，經過多次燒蝕后的斷路器，在開斷過程中同樣會存在一個因第一次燃弧而產生的向外輻射的電磁波信號。但除了該信號外，由于滅弧室內及觸頭表面存在多個極不均勻的電場區，在第一次燃弧熄滅后的短時間內，可能會出現電弧重燃現象，再次向外輻射電磁波信號，這就導致了在數個ms后再次出現電磁波脈沖信號。有重燃現象時熄弧滅弧原理圖如圖2所示。

圖2 重燃狀態下熄弧滅弧原理圖

1.2 重燃判據的建立

正常狀態下開關柜的觸頭在分合閘過程中只會在空間中輻射一個電磁波信號，而燒蝕磨損嚴重的觸頭會輻射多個電磁波信號，有時信號的脈寬還會有所改變，我們可以由此來判斷開關柜重燃現象是否發生。

開關柜在分合閘過程中是A、B、C三相同時操作，所以斷路器燃弧滅弧能力良好時，一般會在空間中輻射三相電磁波脈沖信號。由于裝配時的工藝誤差，A、B、C三相會在分合閘時存在三相不同期時間，所以燃弧時輻射的電磁波信號會在時間域里分布開來，呈現三個電磁波脈沖信號。如果裝配工藝十分精確，會存在兩相或三相同時分合閘，這時電磁波信號就會發生重疊，信號的數量就會少于三個，呈現兩個或一個脈沖信號。

開關柜斷路器的觸頭表面在電弧高溫燒蝕及機械摩擦后，容易形成極不均勻電場，從而產生重燃現象。如圖3所示，假設C相斷路器觸頭表面劣化發生重燃，會輻射多于一個電磁波信號，檢測設備檢測到的信號就會多于四個。

圖3 C相劣化重燃

2 現場測試

根據以上電弧重燃檢測原理，在某220 kV變電站內35 kV斷路器的滅弧特性展開現場測試。該斷路器屬于電容器組無功投切開關SF6斷路器，額定電壓40 kV，額定電流800 A。在測試現場，將電磁波信號傳感器靠近被測斷路器開關柜縫隙，使得電磁波信號更加清晰準確。

2.1 #1斷路器

#1斷路器分閘過程的測試結果如圖4所示。從圖中我們可以看到，#1斷路器分閘過程中輻射出的三個電磁波信號幅值均在2.5 V以內，各相脈沖信號清晰，持續時間短，說明該斷路器滅弧性能良好，在分閘過程中沒有發生重燃現象。

圖4 #1斷路器分閘過程測試結果

2.2 #2斷路器

#2斷路器分閘過程的測試結果如圖5所示。#2斷路器分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值約為3 V左右，并且存在4個脈沖。根據檢測原理，此斷路器滅弧性能下降，在分閘過程存在電弧重燃現象。后續對該斷路器進行了解體，證實了檢測結果。

圖5 #2斷路器分閘過程測試結果

3 結束語

1）分閘過程中輻射電磁波信號可用來判斷開關柜是否發生重燃現象；

2）狀態良好的斷路器在分閘過程輻射的電磁波信號脈沖清晰、持續時間短，數量為3個，滅弧性能下降的斷路器在分閘過程中輻射的電磁波信號持續時間較長，單相重燃時輻射數量為4個；

3）現場測試發現，#1斷路器不存在電弧重燃現象，而#2斷路器滅弧性能下降，存在電弧重燃現象，與解體分析結論一致。