126 kV斷路器觸頭燒蝕故障分析及措施

馬飛越，李寧，馬青，李辛，陳磊，白濤

(1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川750011；3.國網寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

斷路器作為變電站中最重要的設備之一，是應對電力系統中多種任務和需求的開關裝置，能夠在正常運行條件下關合、持續承載和開斷額定電流，也能關合在規定時間內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，對安裝空間的要求小，滅弧介質的用量更小的特點[4-6]。在合閘位置時，斷路器近似看作理想導體；在分閘位置時，斷路器看作理想絕緣體。在電網中某個地點發生短路的情況下，斷路器在電流開斷的時刻需要觸頭間隙的電導率在很短的時間內下降13至15個數量級，是電力系統保護鏈中的最后環節，在運行可靠性方面必須滿足非常高的要求[7-8]。

本文針對一起126 kV瓷柱式斷路器滅弧室內部觸頭燒蝕故障，從設備故障情況、現場檢查及理論計算分析，確定故障原因，并制定對應的排查措施以避免類似故障發生。

1 斷路器故障情況

1.1 故障基本情況

2019年12月22日，某220 kV變電站126 kV斷路器帶負荷運行(最大電流約430 A)6 min后，后臺保護顯示系統出現零序電流，A、B相電流正常，C相電流斷斷續續，故障持續時間2 097 ms后，保護動作跳閘，A、B相開斷成功，C相電流仍然存在，持續時間約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。斷路器退出運行后進行測試，發現斷路器合閘位置時C相無法測出回路電阻，且分、合閘時間測試顯示C相無數值。

1.2 故障斷路器解體情況

對該變電站C相故障斷路器進行現場解體檢查，拆解后照片如圖2、圖3所示，拆解顯示本體內部傳動無明顯異常，傳動連桿及連接軸銷正常。滅弧室內部燒蝕嚴重，其中動主觸頭及靜主觸頭接觸部位邊沿已熔化成不規則卷曲狀，靜弧觸頭內部固定連接支撐件已熔斷，靜弧觸頭掉落在滅弧室內部。

圖1 斷路器故障錄波

圖2 本體內部傳動連接情況

圖3 滅弧室觸頭燒蝕情況

2 故障原因分析

通過故障錄波情況顯示C相斷路器電流在運行過程中出現斷續現象，斷路器分閘后仍出現電流，可將該斷路器故障電流分為4個階段：

第一階段，斷路器內部觸頭燒蝕后未可靠接觸，正常運行條件下C相斷路器未流過負荷電流，該階段出現零序電流，持續時長850 ms；

第二階段，C相斷路器出現間歇性的電流，零序電流出現間歇性，持續時間1 240 ms；

第三階段，斷路器再次出現電流為零情況，并持續1 105 ms，此時斷路器零序過流保護動作；

第四階段，斷路器分閘動作后，C相斷路器再次出現電流，電流持續時間約400 ms。

從現場解體情況可以看出，斷路器滅弧室內部動主觸頭、靜主觸頭及靜弧觸頭支架燒蝕較為嚴重。結合故障錄波過程分析，可以確認該故障斷路器滅弧室主觸頭未可靠接觸，導致電流開始從弧觸頭流通，正常運行時斷路器負荷電流較小，由于弧觸頭未有效接觸時電阻較大，當負荷電流增大后長期運行，斷路器持續發熱嚴重，導致觸頭燒蝕。

結合斷路器負荷電流變化情況分析，斷路器正常運行時觸頭接觸不良缺陷一直存在，主觸頭未有效接觸且動靜弧觸頭接觸不良，一直在發熱運行，但負荷電流不大，發熱量較小。當12月22日負荷突然增大時(電流約430 A，持續6 min)，發熱加劇導致靜弧觸頭固定座燒損脫落無法通流，即出現第一階段情況。第二階段電流轉移到主觸頭，因動靜主觸頭未可靠接觸，主觸頭之間開始放電拉弧燒蝕，電流出現斷斷續續的情況，即第二階段情況。主觸頭本身處于虛接狀態，并經燒蝕后無電流通路，導致零序電流保護啟動，即第三階段，在2 097 ms后保護啟動跳閘，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過一段時間電流出現復燃，電流復燃的原因初步分析是由于主觸頭之間電弧燒蝕產生的高溫熔融物噴濺，使斷口出現了間歇性擊穿。斷路器滅弧室結構如圖4所示，斷路器觸頭具體燒蝕情況見圖5、圖6。

圖4 斷路器滅弧室結構

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通流發熱產生，解體檢查斷路器機構、連桿等傳動部件正常，可見該斷路器內部觸頭配合調整不到位引起觸頭插入深入不足。經調查該臺產品于故障兩年前更換過機構，分、合閘時間及回路電阻測試正常，未進行超行程測試，導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荷較小，正常運行條件下負荷電流約為100 A，導致該缺陷未能及時暴露，電流增大后缺陷暴露，是觸頭燒蝕的誘因。

該型斷路器產品超行程技術要求有一個公差范圍，每臺產品出廠數據并不完全一致，因此斷路器更換機構后必須要重新進行超行程測試，若測試結果不滿足技術要求，需要重新調整匹配。該型斷路器產品的超行程技術要求如表1所示。

表1 超行程技術要求

通過表1可以看出觸頭超行程沒有進行測試時，無法保證主觸頭接觸行程滿足技術要求，該斷路器主觸頭接觸行程僅為5～8 mm，斷路器設備更換機構后僅進行回路電阻測試，但由于觸頭輕微接觸時回路電阻未見明顯異常，隨著設備動作后振動等作用造成觸頭出現接觸不良情況。

當動靜弧觸頭接觸不良時，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電回路產生的焦耳熱損耗Q。

Q=KfI2Rt

(1)

式中：Kf—考慮交變電流的集膚效應和鄰近效應對電阻影響的附加損耗系數；

I—回路電流；

R—回路總電阻；

t—通流時間。

如果斷路器觸頭所有焦耳熱均被導電回路吸收，短時間內不考慮熱交換情況，按照弧觸頭導電回路單相導體金屬材質質量計算，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滅弧室導體相連?；∮|頭接觸不良時回路總電阻2 mΩ,短時間通流時間60 s。當電流由100 A增大至400 A后，由于靜弧觸頭質量較大，而弧觸頭支撐座固定材料及金屬鋁材質量較小，計算該連接部位溫升可達到420 K，溫度超出支撐材料熔點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為斷路器更換機構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，導致觸頭接觸不良，當負荷電流突增后，觸頭部位發熱導致滅弧室燒蝕故障。

3 治理措施

為避免此類故障，保障該型斷路器同批次更換機構后觸頭狀態滿足運行要求，對同型號斷路器開展行程曲線測試，對某變電站9臺斷路器進行測試發現其中3臺斷路器超程數據不滿足技術要求，具體數據見表2。

表2 斷路器超程測試數據

從表2可以看出3臺斷路器超程數據小于技術要求的25～28 mm。超程也叫超行程，即動、靜觸頭接觸后，機構將繼續超行程運動，超出動靜觸頭位置的那部分。如超程數據偏下，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不滿足要求斷路器調整斷路器機構傳動部位行程，并開展行程曲線測試，確保調節后狀態正常。以表2中斷路器3為例，調整前該斷路器超程23.4 mm，如圖7中2條虛線間縱坐標的插值。調整后斷路器合閘行程曲線如圖8所示，2條虛線見縱坐標的差值為26.2 mm，調整后斷路器所有參數滿足技術要求規定。

圖7 斷路器3調整前合閘行程曲線

圖8 斷路器3調整后合閘行程曲線

4 結 論

1)通過斷路器錄波波形分析、現場解體檢查及理論計算分析，結合斷路器觸頭結構特點，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)更換機構后的斷路器應按要求開展分/合閘時間測試，回路電阻測試，觸頭行程和超行程測試，分/合閘速度測試，分/合閘時間線圈電流波形測試，確保斷路器狀態滿足運行要求。

3)加強設備缺陷管理，針對性開展缺陷排查治理，可有效杜絕同批次設備同類型缺陷引發設備故障。