基于輻射電磁波監(jiān)測(cè)技術(shù)的斷路器開(kāi)斷性能研究*

俞 華，劉 宏，梁基重，牛 曙，胡 帆

(國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原030001)

斷路器在電網(wǎng)中數(shù)量龐大，起著控制和保護(hù)的作用，一旦發(fā)生故障，將引起嚴(yán)重后果[1-2]，斷路器性能的檢測(cè)與評(píng)估具有重要意義。 當(dāng)前高壓交流斷路器的狀態(tài)評(píng)估方法都是針對(duì)斷路器某一種特性進(jìn)行的，如機(jī)械、絕緣、溫升[3-9]。 但實(shí)際斷路器開(kāi)斷能力，即滅弧能力，是各特性綜合作用的結(jié)果，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，需要在斷路器停電時(shí)開(kāi)展多種試驗(yàn)，對(duì)斷路器狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，操作繁瑣，成本高昂。 而傳統(tǒng)的斷路器電壽命曲線評(píng)估方法是考慮了開(kāi)斷電流對(duì)滅弧室內(nèi)燒蝕作用的積累效應(yīng)，不能夠反應(yīng)斷路器內(nèi)部的突發(fā)性故障。

斷路器在開(kāi)斷電流時(shí)，當(dāng)觸頭兩端的電壓高于觸頭間滅弧介質(zhì)的擊穿電壓時(shí)，動(dòng)靜觸頭將發(fā)生擊穿，產(chǎn)生開(kāi)關(guān)電弧，并激發(fā)空間高頻的電磁波向外輻射。 研究表明經(jīng)過(guò)多次燒蝕的斷路器，觸頭表面尖刺形成的不均勻電場(chǎng)和滅弧室內(nèi)產(chǎn)生金屬顆粒將導(dǎo)致放電過(guò)程中激發(fā)簇狀電磁波信號(hào)，斷路器開(kāi)斷過(guò)程輻射至空間中的電磁波信號(hào)信息豐富，利用輻射的電磁波信號(hào)可評(píng)估斷路器的滅弧特性[10-13]。

滅弧特性是斷路器開(kāi)斷能力的直接表現(xiàn)，是斷路器最重要的性能。 斷路器在電網(wǎng)中數(shù)量龐大，我國(guó)電網(wǎng)已發(fā)生多起因滅弧性能劣化而導(dǎo)致的安全事故，滅弧特性缺乏有效評(píng)估檢測(cè)手段已成為重大安全隱患之一。 斷路器開(kāi)斷過(guò)程中會(huì)向外輻射電磁波信號(hào)，該信號(hào)是斷路器多種特性綜合作用的結(jié)果，含有豐富的滅弧特性信息，挖掘輻射電磁波信號(hào)特征與滅弧特性劣化間的關(guān)聯(lián)性特性，建立滅弧特性缺陷判定依據(jù)，可以為斷路器滅弧性能的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估提供必要的技術(shù)支持。

1 基于輻射電磁波的斷路器開(kāi)斷性能仿真分析

1.1 仿真模型建立

以電力系統(tǒng)中實(shí)際使用的126 kV 斷路器滅弧室為例，根據(jù)滅弧室的絕緣外殼、動(dòng)弧觸頭、動(dòng)主觸頭、靜弧觸頭、靜主觸頭、導(dǎo)電桿的尺寸建立如圖1所示的有限元求解模型。 求解域設(shè)置成球型，使滅弧室完全置于求解域內(nèi)，模型的邊界是空氣，設(shè)定其邊界條件為磁絕緣。

上述求解模型各部件所選用的材料及其屬性設(shè)定如下:(1)滅弧室內(nèi)介質(zhì)材料設(shè)置為SF6，相對(duì)介電常數(shù)為1.002；(2)滅弧室外殼到求解域介質(zhì)材料設(shè)置成空氣，相對(duì)介電常數(shù)為1.0；(3)動(dòng)靜弧觸頭材料設(shè)置為CuW80 合金材料；(4)動(dòng)靜主觸頭材料設(shè)置為銅鍍銀合金材料；(5)噴口材料設(shè)置成聚四氟乙烯，相對(duì)介電常數(shù)為2.1，泊松比為0.4；(6)支柱式絕緣子瓷套采用電工陶瓷，介電常數(shù)設(shè)置為7.5。

圖1 求解模型

1.2 仿真結(jié)果分析與討論

斷路器燃弧過(guò)程高頻放電的模擬是電磁波模型研究的核心，本文應(yīng)用高斯脈沖電流信號(hào)模擬斷路器開(kāi)斷過(guò)程中出現(xiàn)擊穿所導(dǎo)致的高頻放電電流。 通過(guò)改變高斯脈沖電流信號(hào)的峰值、脈寬和數(shù)量來(lái)分別模擬斷路器開(kāi)斷過(guò)程中所產(chǎn)生高頻放電電流的大小、持續(xù)時(shí)間和擊穿次數(shù)。 高斯脈沖函數(shù)的表達(dá)式為:

式中:a 代表脈沖峰值，b 代表峰值出現(xiàn)點(diǎn)，c 代表脈沖寬度。 改變這三個(gè)參數(shù)就可以改變信號(hào)峰值峰值時(shí)刻和脈寬，同時(shí)多個(gè)脈沖信號(hào)可通過(guò)施加多個(gè)脈沖激勵(lì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 將高斯脈沖電流信號(hào)作為激勵(lì)源設(shè)置在靜弧觸頭表面，在滅弧室模型外側(cè)正對(duì)靜弧觸頭表面0.25 m 處，放置探針監(jiān)測(cè)空間中的電勢(shì)變化，研究斷路器燃弧過(guò)程中滅弧室外部空間的電磁波信號(hào)。

改變式(1)中的a 值，可以得出低峰值脈沖和高峰值脈沖的激勵(lì)源下，測(cè)試點(diǎn)低峰值激勵(lì)源時(shí)檢測(cè)到的信號(hào)約為1 V，高峰值時(shí)的信號(hào)峰值約為1.5 V，獲得的波形分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

改變式(1)中的c 值，可以得出窄脈沖和寬脈沖的激勵(lì)源下，測(cè)試點(diǎn)窄脈沖激勵(lì)源時(shí)脈寬為2 ms左右，寬脈沖激勵(lì)源時(shí)脈寬為8 ms 左右，獲得的波形分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖2 不同脈沖峰值下測(cè)試點(diǎn)電壓波形

圖3 不同脈沖寬度下測(cè)試點(diǎn)電壓波形

設(shè)置兩個(gè)高斯脈沖激勵(lì)源，改變式(1)中的b 值，使兩個(gè)信號(hào)分布在不同的時(shí)間區(qū)間上，一個(gè)設(shè)置在4 ms 位置處，一個(gè)設(shè)置在12 ms 位置處。 模擬了兩種不同脈沖寬度的激勵(lì)源信號(hào)，當(dāng)脈沖間隔為6 ms，脈沖寬度為2 ms 時(shí)，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)不重疊；當(dāng)脈沖間隔為8 ms，脈沖寬度為8 ms 時(shí)，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)有交迭現(xiàn)象。 測(cè)試點(diǎn)獲得的波形分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果的分析，可以得出放電脈沖強(qiáng)度越大，輻射電磁波的信號(hào)峰值越高。 放電脈沖寬度越大，輻射電磁波信號(hào)寬度越大。 對(duì)于多次放電脈沖的情況，當(dāng)脈沖間隔大于脈沖寬度的時(shí)候，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)無(wú)交迭現(xiàn)象，而當(dāng)脈沖間隔接近脈沖寬度的時(shí)候，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)有交迭現(xiàn)象。

圖4 兩次脈沖激勵(lì)下測(cè)試點(diǎn)電壓波形

2 基于輻射電磁的斷路器開(kāi)斷性能試驗(yàn)研究

2.1 模擬試驗(yàn)平臺(tái)

在仿真分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái)，研究斷路器滅弧室在不同狀態(tài)下的開(kāi)斷過(guò)程中輻射電磁波與開(kāi)斷性能的關(guān)系，測(cè)量并對(duì)比了全新弧觸頭和退役弧觸頭開(kāi)斷過(guò)程中的輻射電磁波。

試驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示，主要包括變壓器、滅弧室腔體、振動(dòng)傳感器、特高頻傳感器，電壓、電流采集系統(tǒng)以及高速攝像機(jī)。 其中滅弧室腔體外殼采用有機(jī)玻璃，內(nèi)充SF6氣體，方便高速攝像機(jī)拍攝斷路器內(nèi)的電弧燃弧情況；振動(dòng)傳感器用于信號(hào)采集的觸發(fā)；測(cè)量電磁波的傳感器采用特高頻傳感器，有利于現(xiàn)場(chǎng)電磁波測(cè)量時(shí)的抗干擾。 根據(jù)輻射電磁波理論，電磁波信號(hào)的產(chǎn)生取決于空間中電流信號(hào)的變化率，與電流的幅值沒(méi)有直接的關(guān)系[14]，因此模擬試驗(yàn)平臺(tái)的電源采用試驗(yàn)變壓器供電，負(fù)載為純阻性負(fù)載，避免了昂貴的合成回路的使用[15-16]。 全新弧觸頭和退役弧觸頭的外觀如圖6 所示，退役觸頭經(jīng)過(guò)多次開(kāi)斷，表明燒蝕嚴(yán)重。 試驗(yàn)中，為了方便高速攝像機(jī)的拍攝，拆除了噴口結(jié)構(gòu)[17]。

圖5 斷路器模擬試驗(yàn)平臺(tái)

圖6 全新觸頭和退役觸頭的外觀對(duì)比

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

測(cè)量結(jié)果如圖7 所示。 將輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間定義為第一個(gè)電磁波出現(xiàn)到最后一個(gè)電磁波消失。在2.5 kV 峰值電壓的作用下，新觸頭開(kāi)斷過(guò)程中輻射電磁波持續(xù)時(shí)間為18 ms，而退役觸頭開(kāi)斷過(guò)程中輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間為76 ms，明顯長(zhǎng)于新觸頭。記錄的電流信號(hào)表明，在產(chǎn)生電磁波信號(hào)后約2 個(gè)工頻周期，新觸頭開(kāi)斷的電流熄滅，而退役觸頭在產(chǎn)生電磁波信號(hào)后約4 個(gè)工頻周期開(kāi)斷的電流才熄滅，其滅弧能力明顯弱于新觸頭。能都顯著降低。

圖7 不同觸頭開(kāi)斷試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果

圖8 高速攝像機(jī)記錄的觸頭間電弧

上述結(jié)果的原因在于，退役觸頭的表面由于多次開(kāi)斷嚴(yán)重?zé)g，存在多處電場(chǎng)不均勻，更容易發(fā)生電弧重燃，燃弧時(shí)間相對(duì)于全新觸頭會(huì)有明顯的增加，同時(shí)對(duì)外輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間也增長(zhǎng)。 輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間可以作為判定斷路器開(kāi)斷性能的判據(jù)。

3 結(jié)論

本文通過(guò)仿真分析和開(kāi)斷試驗(yàn)研究了斷路器在開(kāi)斷電流時(shí)向空間輻射的高頻電磁波信號(hào)，并研究了輻射電磁波信號(hào)和斷路器開(kāi)斷性能的內(nèi)在關(guān)系。通過(guò)仿真分析，得出放電脈沖強(qiáng)度越大，輻射電磁波的信號(hào)峰值越高。 放電脈沖寬度越大，輻射電磁波信號(hào)寬度越大。 對(duì)于多次放電脈沖的情況，當(dāng)脈沖間隔大于脈沖寬度的時(shí)候，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)無(wú)交迭現(xiàn)象，而當(dāng)脈沖間隔接近脈沖寬度的時(shí)候，檢測(cè)到的輻射電磁波信號(hào)有交迭現(xiàn)象。 試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨著觸頭表面燒蝕程度的增加，斷路器開(kāi)斷性能下降，更容易發(fā)生電弧重燃，燃弧時(shí)間相對(duì)于全新觸頭會(huì)有明顯的增加，同時(shí)對(duì)外輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間也增長(zhǎng)，輻射電磁波的持續(xù)時(shí)間可以作為判定斷路器開(kāi)斷性能的判據(jù)。