500 kV斷路器滅弧室電壽命評估技術研究

李 東，尹 啟

（南方電網超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖655000）

0 簡介

斷路器的運行狀態通常由其電壽命決定，在電力系統運行過程中，斷路器頻繁開斷以及斷路器開斷次數達到上限時，需要針對斷路器開展檢修工作，分析觸頭的磨損量［1-2］。同時，系統反措中也有要求，需校核斷路器本身開斷短路電流能力是否符合運行的要求，針對多次開斷短路電流的斷路器，評估其對滅弧室電氣性能的累計效應［3-4］。

當前，電力系統的規模越來越大，然而系統的阻抗相對逐漸降低，如果系統出現短路情況，對于系統的穩定運行產生重大的破壞，并且，這種短路電流加重了斷路器電弧燒蝕的累積效應［5-6］。其中，交流濾波器斷路器大量投入使用，由于電網負荷的改變，引起斷路器工作狀態的不停改變，特別是系統中的容性負載，降低了滅弧室弧觸頭的使用壽命［7-10］。

為了體現斷路器的開斷水平，在額定短路電流的情況下，斷路器能夠投切的次數，采用這種實驗的方式，測定斷路器的電氣壽命［11-14］。當斷路器進行投切操作時，會發生電弧燒蝕的現象，在電弧的作用下，觸頭表面不斷遭到破壞，這種情況稱為電磨損［15-16］，影響電磨損的因素主要有滅弧室的結構、投切電流、投切速度和電弧持續時間等［17-18］。

目前，對斷路器滅弧室觸頭接觸狀態非解體式的評估方法主要有四種，分別是［19-20］：1）靜態電阻測量法；2）N-Ib壽命曲線分析技術；3）觸頭超程時間建模技術；4）動態電阻測量法。在斷路器運行過程中，會形成一定的電弧，由于電弧的作用，使得斷路器滅弧室的觸頭和噴口表面出現一定的損壞，隨著斷路器的操作次數的增加，便形成了電弧的累積效應，造成永久的損壞。于是，本文通過分析斷路器滅弧室的運行狀態，實現定量分析斷路器工作電壽命的目的，有利于斷路器運行狀態的評估，從而提出準確有效的檢修措施。大量的運行經驗表明，影響斷路器滅弧室的電壽命主要有兩個方面：弧觸頭和噴口。本文根據這兩個方面的工作狀態，提出了相應的試驗檢測技術和評估方法。

1 試驗樣機及其材料選擇

本文選擇的試驗樣機為具有CYA4液壓彈簧操動機構的500 kV瓷柱式LW15-550型斷路器，主觸頭選擇模式為銅鍍銀合金，弧觸頭采用的是CuW70合金，斷路器結構示意圖如圖1所示。滅弧室采用單壓式、變開距雙向吹弧熄弧，壓氣缸在操作機構的帶動下在其內部產生高壓的SF6氣體，高速流過噴口，將在動、靜弧觸頭之間產生的電弧熄滅，在開斷大電流時利用電流本身能量產生的膨脹作用實現熄弧效果，在開斷小電流時，直接利用壓氣效應熄弧。滅弧室內正常載流主觸頭與弧觸頭分離，保證了斷路器的電壽命和可靠性，單斷口結構，結構簡單，布置緊湊，安全性和可靠性進一步提高。其中，動觸頭使用的材料為Φ170×17.5鉻青銅管QCr0.5，靜觸頭使用的材料為210×30鉻青銅管QCr0.5，動弧觸頭和靜弧觸頭使用的材料為銅鎢合金CuW70/鉻銅QCr0.5，中間觸頭使用的材料為鉻青銅QCr0.5，噴口使用的材料為聚四氟乙烯F4+7%BNφ35/φ 110×190。

圖1 斷路器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the arc extinguishing chamber of the test prototype

因為斷路器投切過程產生的電弧會燒蝕表面材料，從而引起材料的電磨損，斷路器表面材料一共需要經歷3個時期，依次為老煉時期、穩定時期與失效時期［21-24］。影響表面材料性能最關鍵的時期是穩定時期，當材料中的Cu元素與W元素配比合理，才能增加表面材料運行的穩定時期［25-27］。

2 斷路器滅弧室觸頭性能試驗研究

斷路器滅弧室的觸頭運動階段能夠當成是由四個重要階段組成，依次為合閘階段、主觸頭分離階段、弧觸頭分離階段和分閘階段［28-30］。經由動態電阻測量技術，能夠分析動靜弧觸頭的表面情況與長度情況，如圖2所示。該技術選擇測量斷路器弧觸頭的電阻變化值，也就是伏安值，進行分析。通過建立斷路器弧觸頭運動模型，當斷路器處于分閘狀態時，分析這個時期電阻值，同時，考慮斷路器自身特點，便能夠獲得斷路器分閘狀態觸頭的準確狀態。還能夠分析出不同阻值時，觸頭運動長度，這種情況可以定義為有效接觸電阻位移。

圖2 動態電阻測試儀接線圖Fig.2 Wiring diagram of dynamic resistance tester

通過采用不同的試驗電流，測試斷路器的動態電阻，230 mm到220 mm為斷路器的靜觸頭銅鉻段，220 mm到205 mm為斷路器的銅鎢段，205 mm到195 mm為動觸指摩擦靜觸頭倒角部分。斷路器的動觸頭觸指內部接觸平面長度為12 mm。通過圖3能夠發現，試驗電流越大，斷路器形成的動態接觸電阻越平穩，產生的波動也越小，并且，試驗電流越小，形成的動態接觸電阻峰值越高，產生的波動越大。

圖3 不同電流時動態接觸電阻曲線分閘部分Fig.3 The opening part of the dynamic contact resistance curve at different currents

通過實驗能夠發現，斷路器的接觸電阻有效位移里得到的平均電阻值，可以反映斷路器弧觸頭的表面情況，并且有效位移可以反映斷路器弧觸頭的有效長度。當斷路器每次動作后，由于電弧的作用，平均電阻值和有效長度將會出現一定的改變，采集這些動作后的值，進行對比，便能夠準確反映出斷路器弧觸頭表面的變化情況。

3 500 kV斷路器電壽命試驗過程動態電阻趨勢研究

當試驗累積開斷電流能量不斷提高的情況下，斷路器弧觸頭的有效接觸行程將不斷變小，而且，斷路器的接觸電阻值穩定性不斷減小，隨著觸頭動作行程的提高，形成的觸頭接觸電阻越來越大，如圖4和圖5所示。

圖4 觸頭動作行程和接觸電阻的關系Fig.4 The relationship between contact stroke and contact resistance

圖5 斷口弧觸頭接觸位移、電阻與累積電流關系圖Fig.5 The relationship between the contact displacement，resistance and accumulated current of the fracture arc contact

當試驗開斷電流不斷增加的情況下，斷路器弧觸頭形成的有效接觸位移越來越小，同時，平均接觸電阻越來越大。為了分析斷路器的開斷電流累積作用，經由相關試驗可以得到，隨著斷路器開斷能量的不斷提高，斷路器的有效接觸位移越來越小，具有指數降低的趨勢，如圖6所示。

圖6 有效接觸位移趨勢分布圖Fig.6 Trend distribution diagram of effective contact displacement

為了得到斷路器滅弧室的電壽命，需要分析累積開斷能量和有效接觸位移的關系、累積開斷能量和平均接觸電阻的關系。假設累積開斷能量為Q（∑I2×104kJ），那么進行有效接觸位移指數擬合，可得有效接觸位移L和累積開斷能量Q的關系為：

隨著斷路器累積開斷能量的提高，形成的平均接觸電阻越來越大，兩者具有指數增加的趨勢，如圖7所示。

圖7 平均接觸電阻趨勢分布圖Fig.7 Trend distribution graph of average contact resistance

假如累積開斷能量Q為（∑I2×104kJ），那么進行平均接觸電阻指數擬合，可得平均接觸電阻Rˉ和累積能量Q的關系公式為：

當斷路器的有效接觸位移L為0～5 mm的情況下，隨著有效接觸位移的增加，平均接觸電阻快速減小；隨著有效接觸位移的繼續增加，平均接觸電阻減小的趨勢降低，如圖8所示。

圖8 平均接觸電阻隨位移變化趨勢分布圖Fig.8 Distribution of average contact resistance with displacement

通過對斷路器弧觸頭有效接觸行程對應的平均接觸電阻，進行冪函數擬合分析，能夠獲得平均接觸電阻和有效接觸位移L的關系為：

通過分析斷路器觸頭質量減少量和其動作電流，便能夠分析斷路器觸頭質量的侵蝕量。依照燃弧時間與電流最大值，便能夠分析斷路器動作產生的庫侖量。由于斷路器動作過程中，電流波形呈現衰減的特征，那么能夠得到如下關系：

在式（4）里，C代表庫侖量；t代表燃弧時間；Im代表電流峰值；f代表頻率。于是，單位庫侖量的斷路器觸頭質量減少量有：

4 斷路器觸頭燒蝕情況分析

由于斷路器每次進行動作操作時，產生的放電電弧持續燒蝕觸頭，加劇了觸頭的損耗。當斷路器完成一次動作后，觸頭表面出現一定的改變，包括微觀形狀、材料成分以及組分，如果在放電電弧嚴重的情況下，引起觸頭出現裂紋、材料蒸發、熔化和掉渣等，使得斷路器工作性能發生一定的改變。當斷路器運行一定次數后，造成觸頭不能正常工作，斷路器失去保護的作用。為了分析斷路器觸頭燒蝕情況，當某個弧觸頭經過累積短路電流燒蝕后，分析該弧觸頭的金相，觀察其微觀形貌，并且開展能譜分析，從而獲得斷路器弧觸頭通過多次電弧燒蝕后，弧觸頭表面變化的宏觀和微觀情況。

宏觀上，斷路器弧觸頭在電弧的多次作用下，外表面變黑，如圖9所示。試驗發現，斷路器靜弧觸頭表面產生了一些小孔洞，具有一定的龜裂狀，而且圓弧狀的觸頭表面出現一定的磨損，形成了一種凹凸不平的現象。斷路器動弧觸頭同樣在電弧的作用下，出現了龜裂的現象，形成的裂紋深度沒有靜弧觸頭的大，這是因為動弧觸頭的結構可以有效降低電弧的燒蝕作用，減少了動弧觸頭的磨損量，動弧觸頭表面材料呈現一定程度的磨損，產生了形變。

圖9 觸頭表面宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of the contact surface

微觀上，試驗內容含有金相試驗，通過金相分析，實現斷路器的微觀形貌分析，如圖10所示。通過圖10（b）可以發現，斷路器觸頭表面出現一定程度的裂紋，這種裂紋由外到內，不斷發展，最深處裂紋超過500μm。產生裂紋的原因是在電弧的作用下，斷路器觸頭表面的金屬Cu材料出現熔化和蒸發，由于金屬W材料熔點遠遠高于金屬Cu，當Cu材料熔化和蒸發后，使得觸頭表面出現微裂紋，同時，由于高溫、高熱的環境，斷路器內部形成一定的金屬蒸汽壓力，這種壓力加劇了裂紋的縱深發展。當電弧消失后，斷路器觸頭表面材料出現一定程度的凝固，通過電弧的不斷燒蝕，觸頭材料表面形態再次發生變化。

圖10 觸頭金相檢測對比Fig.10 Comparison of metallographic detection of contacts

微觀上，試驗內容還含有能譜分析，結果如表1所示。由于電弧的作用，使得能譜里含有了微量Fe和Al元素，這是由于電弧燒蝕了觸頭座鑄鐵材料以及少量的噴口氧化鋁填料。

表1 能譜分析結果Table 1 Energy spectrum analysis results

5 結語

本文選擇的試驗樣機為具有CYA4液壓彈簧操動機構的500 kV瓷柱式LW15-550型斷路器，主觸頭選擇模式為銅鍍銀合金，弧觸頭采用的是CuW70合金，開展斷路器滅弧室電壽命的相關試驗研究，研究發現：

1）試驗電流越大，斷路器形成的動態接觸電阻越平穩，產生的波動也越小，并且，試驗電流越小，形成的動態接觸電阻峰值越高，產生的波動越大。

2）斷路器的接觸電阻有效位移里得到的平均電阻值，可以反映斷路器弧觸頭的表面情況，并且有效位移可以反映斷路器弧觸頭的有效長度。當斷路器每次動作后，由于電弧的作用，平均電阻值和有效長度將會出現一定的改變，采集這些動作后的值，進行對比，便能夠準確反映出斷路器弧觸頭的表面變化情況。

3）由于斷路器每次進行動作操作時，產生的放電電弧持續燒蝕觸頭，加劇了觸頭的損耗。當斷路器完成一次動作后，觸頭表面出現一定的改變，包括微觀形狀、材料成分以及組分，如果在放電電弧嚴重的情況下，引起觸頭出現裂紋、材料蒸發、熔化和掉渣等，使得斷路器工作性能發生一定的改變。當斷路器運行一定次數后，造成觸頭不能正常工作，斷路器失去保護的作用。