斷路器分閘過程中輻射電磁波測試研究*

劉 宏，俞 華，王 偉，孫乃君，成 林

(1.國網山西省電力公司電力科學研究院,山西 太原 030001；2.國網山西省電力公司大同供電公司,山西 大同 037000；3.國網陜西省電力公司電力科學研究院,陜西 西安 710000)

斷路器是工礦企業動力電重要的設備,斷路器觸頭滅弧性能下降會導致分閘能力不足,出現斷路器拒動現象,從而影響工礦企業生產的安全穩定運行[1-2]。目前,斷路器現場測試主要采用3 種方式[3-5]:(1)回路電阻法,利用停電時機測量斷路器觸頭接觸質量,當接觸質量不佳時,回路電阻大于規定閾值,從而判定觸頭接觸狀態不合格；(2)機械特性測試法,包含斷路器分/合閘時間、動作電壓、動作行程、三相不同期時間等,主要考核斷路器及其附屬裝置配合情況,尤其是針對斷路器機械操作機構檢驗效果更為突出；(3)外施交流耐壓法,考核的是斷路器在合閘狀態下整體對地絕緣情況以及分閘狀態下對斷口的絕緣,如果絕緣水平不滿足要求,也會出現斷路器誤動現象。但是,現有這3 種方法對斷路器滅弧性能針對性不強,無法準確反映斷路器分合狀態,尤其與斷路器實際滅弧過程缺乏關聯[6]。

趙洋[7]分析了滅弧系統中電極結構、電極材料、屏蔽罩和真空度等對斷路器滅弧性能的影響,但這些影響因素都是斷路器自身特性,是斷路器設計階段結構考慮重點,無法體現斷路器自身運行特性；殷培峰等[8]分析了斷口電壓、動作速度對斷路器滅弧特性的影響,但沒有考慮觸頭性能和負載電流等影響因素；陳文革等[9]就高壓開關觸頭間電弧的產生機制及電弧熄滅的方式進行了總結與分析,認為觸頭表面狀態的不均勻或材料微觀組織的不均勻是影響弧觸頭性能的最根本因素,但是也沒有提出觸頭帶電檢測方法。綜上所述,在斷路器分、合閘過程中,尚無針對斷路器滅弧特性具體檢測方法。

1 斷路器分閘電磁波原理

斷路器滅弧性能受觸頭燒蝕程度影響較大,觸頭燒蝕越嚴重,斷路器滅弧性能下降越多,電弧電流難以自行熄滅,甚至會引起斷路器分閘失敗。斷路器分閘過程中在斷口呈現很高的電壓,往往會出現不穩定的電弧電流,同時向外輻射出豐富的電磁波信號,通過電磁波信號可反推出斷路器分閘過程中電弧燃燒情況,進而判斷動、靜觸頭狀態[10-11]。當斷路器觸頭質量完好時,其分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值低、數量少,當斷路器觸頭燒蝕嚴重時,其分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值高、數量多,因此,可通過檢測斷路器分閘過程中輻射出的電磁波信號含量進而判斷斷路器滅弧性能。其實,斷路器在合閘過程中也會輻射電磁波,但觸頭滅弧性能對分閘的影響程度往往大于合閘,且因觸頭滅弧性能下降導致分閘失敗的案例居多,因此,本文在此著重開展斷路器分閘過程輻射電磁波測試研究工作。

此外,110 kV 及以上電壓等級斷路器多為SF6斷路器,斷路器分閘過程中電弧重燃受滅弧介質影響較大,無法準確反映觸頭質量。與此同時,高電壓等級斷路器離地距離高,電磁波信號衰減程度大,需要高性能的特高頻傳感器才能準確捕捉信號,檢測裝置研制費用昂貴。而工礦企業用電主要集中在10 kV 和35 kV 兩種電壓等級,多采用斷路器,其分閘過程中電弧重燃與觸頭質量關系較為直接,不受滅弧介質影響,便于建立電磁波-滅弧特性-觸頭質量對應關系,另外,斷路器離地距離不高,信號衰減相對較少,只需傳統特高頻傳感器即可完成非接觸式測試,現場操作簡便。

2 斷路器分閘模擬試驗平臺

斷路器分閘過程中輻射電磁波信號受開斷電壓、分閘速度、負荷類型、觸頭燒蝕程度等因素影響[12-13]。其中,開斷電壓和分閘速度是斷路器設計參數,設計滿足要求后往往不會隨著運行發生改變,而負荷類型與觸頭燒蝕程度與運行關系密切,運維人員更加關注后者對斷路器滅弧性能的影響。如何區別各種因素對電磁波信號的干擾從而通過電磁波達到分析斷路器滅弧特性優劣是本文研究的重點。

圖1 所示為斷路器分閘模擬試驗接線圖,利用無暈變壓器實現電壓升高,保護電阻防止試驗回路擊穿燒毀變壓器,高壓探頭測量斷路器開斷電壓,特高頻傳感器測量分閘過程中輻射出的電磁波信號,絕緣拉桿模擬斷路器分閘速度,位移傳感器測量斷路器分閘速度,負載可實現電阻和電容自動切換。圖2 所示為斷路器分閘模擬試驗實物圖。

圖1 斷路器分閘模擬試驗接線圖

圖2 斷路器分閘模擬試驗實物圖

2.1 開斷電壓影響

開斷電壓越高,斷路器分閘過程中觸頭之間積聚能量越大,產生電弧的電流、電壓也隨之變大,而輻射出的電磁波信號的幅值、數量、持續時間也隨之增多[14]。圖3 所示為實驗室模擬單臺斷路器分閘過程中輻射電磁波信號圖譜,橫坐標為持續時間,縱坐標為電磁波信號幅值。試驗分別測試了開斷電壓在0.3 kV、1 kV、1.9 kV、2.8 kV 4 種狀態下的斷路器分閘信號,電磁波幅值由1 V 增大到4 V,數量由1個增大到數十個,持續時間由1 ms 增大到3 ms。因此,在實際測試過程中,只能通過同一電壓等級且相同開斷電壓的斷路器進行對比分析,對于不同開斷電壓的斷路器分閘輻射電磁波信號不具有可對比性。

圖3 開斷電壓對輻射電磁波信號影響

2.2 分閘速度影響

斷路器分閘過程中分閘速度越快,其燃燒電弧越容易熄滅,因此,輻射出的電磁波信號的幅值、數量和持續時間越小[15]。圖4 所示單臺斷路器在不同動作速度下分閘過程中輻射電磁波信號圖譜,實驗模擬了分閘速度在0.147 m/s、0.209 m/s、0.346 m/s、0.430 m/s、0.599 m/s 5 種情況,信號幅值由5 V 降低至2 V,信號數量和持續時間也大幅縮小。一般情況下,即使操作機構運行老舊的斷路器,其分閘速度也會大于1 m/s,因此,現場測試不需要考慮分閘速度對電磁波信號影響。

圖4 分閘速度對輻射電磁波信號影響

2.3 負荷類型影響

負荷的變化,主要影響斷路器分閘過程中開斷電流是容性還是阻性。容性電流會導致斷路器開斷電壓不能畸變,引發電磁波信號含量豐富,而阻性電流不會影響開斷電壓,電流相對容易熄滅。圖5 所示單臺斷路器對電容和電阻兩種負載進行分閘測試,電容性負載分閘過程中輻射出電磁波信號幅值在4 V 左右,信號數量較多,而電阻性負載分閘過程中輻射出電磁波信號幅值在2 V 左右,信號數量較少。現場測試過程中,斷路器開斷兩種負載情況均為普遍,因此,只能針對各自不同負荷類型進行具體分析,二者無法確定統一的故障判斷閾值。

圖5 負荷類型對輻射電磁波信號影響

2.4 觸頭燒蝕影響

觸頭燒蝕嚴重,會影響斷路器滅弧性能,進而導致斷路器在分閘過程中輻射出的電磁波含量增多,這也是利用輻射電磁波法測量斷路器滅弧特性的關鍵原理。圖6 所示單臺斷路器采用不同觸頭在分閘過程中輻射電磁波信號圖譜,嚴重燒蝕的觸頭其電磁波幅值在2 V,信號相對分散且持續時間較長,而輕微燒蝕的觸頭其電磁波幅值在1 V,信號相對較為集中且持續時間較短。可以看出嚴重燒蝕的觸頭在分閘過程中輻射電磁波幅值相對較高,信號持續時間較長,因此,對于三相同期分閘的同型號斷路器,可通過分閘過程中電磁波信號比對判斷各個斷路器的觸頭燒蝕程度。

圖6 觸頭燒蝕對輻射電磁波信號影響

3 現場測試

對某35 kV 斷路器1＃、2＃進行分閘測試,1＃斷路器測試波形如圖7 所示。由于三相斷路器分閘時間不完全同期,從電磁波接收信號上可看出3 條單獨的脈沖信號即為1＃斷路器三相分閘過程中分別輻射的電磁波信號。此外,1＃斷路器在分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值約為3 V 左右,各電磁波脈沖清晰,信號持續時間短,表明其滅弧性能良好。

圖7 1＃斷路器分閘過程電磁波波形

2＃斷路器測試波形如圖8 所示,在分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值約為3 V 左右,但各相電磁波脈沖信號均持續較長時間,其中某一相持續時間遠大于其余兩相。表明其滅弧性能可能不及＃1斷路器。從圖9 看出,2＃斷路器B 相解體發現動、靜觸頭存在明顯的黑灰色燒蝕痕跡。

圖8 2＃斷路器分閘過程電磁波

圖9 2＃斷路器動、靜觸頭解體照片

4 結論

斷路器分閘過程會輻射出含量豐富的電磁波,當斷路器滅弧性能下降時,電磁波的信號幅值、數量和持續時間也將增大。通過搭建模擬實驗平臺,分析了開斷電壓、分閘速度、負荷類型和觸頭燒蝕程度對電磁波信號的影響,并提出針對性的分析方法。最后,通過現場測試,對比了兩臺斷路器分閘過程中的輻射電磁波信號,并結合解體驗證結果證明本文所述方法的有效性。