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(國網(wǎng)安徽省電力公司,安徽 合肥 230061)

1 引言

在電力系統(tǒng)中，斷路器是重要的電器設(shè)備之一，用來實(shí)現(xiàn)電力線路的關(guān)合、開斷、保護(hù)和控制。如果它們在運(yùn)行中發(fā)生故障或誤動(dòng)作，將會(huì)造成嚴(yán)重的后果，會(huì)影響到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。10kV開關(guān)是電力系統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，其數(shù)量眾多、分布廣泛，發(fā)生故障的幾率較高，危害也較大[1]。對(duì)該電壓等級(jí)斷路器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究、對(duì)其性能和壽命做出分析評(píng)判有十分重要的意義。本項(xiàng)目對(duì)從系統(tǒng)中普遍采用的且運(yùn)行若干年限的12kV真空斷路器進(jìn)行試驗(yàn)研究和技術(shù)分析，通過相關(guān)的試驗(yàn)和測試手段檢測性能參數(shù)，了解各參數(shù)的變化情況，以考查斷路器的機(jī)械性能、絕緣性能和電性能，評(píng)判斷路器和滅弧室的質(zhì)量狀態(tài)，為斷路器和滅弧室的使用和檢修維護(hù)提供參考，提高斷路器運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

2 斷路器電性能的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

斷路器運(yùn)行時(shí)長期通過電流，可引起一次回路零件尤其是絕緣件性能劣化，短時(shí)分合電流時(shí)的電弧會(huì)使觸頭燒損，使滅弧室的電氣性能降低，這就有了斷路器和滅弧室的電氣使用壽命，即電壽命的問題。以下通過溫升試驗(yàn)、主回路電阻測量和滅弧室接觸電阻測量來評(píng)判斷路器的長期通流能力；通過開斷關(guān)合電流試驗(yàn)來考查斷路器開斷關(guān)合大電流的能力；最后對(duì)觸頭淺表層結(jié)構(gòu)和縱剖面結(jié)構(gòu)進(jìn)行理化分析并檢測屏蔽筒附著物成分，掌握滅弧室在開斷大電流后觸頭和屏蔽罩的燒蝕狀況。

檢驗(yàn)斷路器的短路性能是非常最重要的試驗(yàn)，需要檢驗(yàn)其開斷和關(guān)合短路電流的能力。

本試驗(yàn)開斷電流和恢復(fù)電壓由合成回路提供，其原理圖如圖1所示。整個(gè)回路由兩部分組成，一部分是由電抗器組Li和電容器組Ci組成的電流源，另一部分是由電抗器組Lu和電容器組Cu組成的電壓源。試驗(yàn)前，試品斷路器安裝在圖1中的SD位置，使斷路器處于閉合狀態(tài)。主合閘開關(guān)HK1打開，輔助開關(guān)FD閉合。另外將其它設(shè)備準(zhǔn)備就位。

圖1 開斷試驗(yàn)合成回路

這幾相開斷的最大電流有效值都等于或超過了額定短路開斷電流有效值31.5kA，其中2號(hào)C相成功開斷了33.72kA的電流。1號(hào)B相和2號(hào)C相分別在開斷32.06kA和34.23kA時(shí)失敗，從后面的圖可以看到，二者觸頭與其他觸頭相比有較為嚴(yán)重的金屬熔化燒蝕的痕跡[2]。

以下以2號(hào)斷路器為例，示出開斷成功時(shí)的部分波形圖，如圖2所示。試品斷路器開斷時(shí)引燃電弧，電壓有一個(gè)階躍上升，隨后的電壓值因?yàn)殡娀∪紵牟环€(wěn)定而有所波動(dòng)，隨著電流值下降，電壓值也跟著下降，直至電流值降為零，電弧熄滅為止。

2號(hào)斷路器C相成功開斷的最大電流有效值為33.72kA，在開斷34.23kA時(shí)失敗，波形見圖3。電流在第一個(gè)過零點(diǎn)未被成功開斷，而是繼續(xù)反向增長，并在經(jīng)歷5個(gè)振蕩周期后自然衰減為零。

以下挑選出6副圖片進(jìn)行對(duì)比，可看出兩臺(tái)斷路器在合閘后2ms左右的電壓波形有明顯的不同。

從圖4中可以看出，1號(hào)斷路器在合閘瞬間，測得的斷路器兩側(cè)的電壓值立即陡然下降，隨后呈阻尼振蕩趨勢，波形平滑，并且由于銅條等電路連接線是感性阻抗，所以電壓波形超前電流波形。

圖2 2號(hào)斷路器C相開斷試驗(yàn)部分波形圖

圖3 2號(hào)斷路器C相開斷失敗波形圖

9號(hào)斷路器合閘后的電壓波形也呈阻尼振蕩的形狀，但合閘之后1.5ms左右的波形與1號(hào)斷路器的波形有所不同，電壓出現(xiàn)了一個(gè)明顯的毛刺或尖峰。將9號(hào)斷路器開斷不同電流時(shí)的波形拉伸放大后，可對(duì)合閘后的電壓畸變做進(jìn)一步的分析。放大后的波形見圖5所示。

從圖5可見，9號(hào)斷路器關(guān)合小電流時(shí)，在合閘后1.5ms電壓波形上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)尖峰，電壓會(huì)有瞬間的升高和下降。

圖4 1號(hào)、9號(hào)斷路器關(guān)合電流波形對(duì)比

影響真空斷路器關(guān)合的一個(gè)關(guān)鍵問題是合閘彈跳。由于真空斷路器均采用對(duì)接式觸頭，且合閘速度較高，觸頭在合閘時(shí)就可能產(chǎn)生彈跳，產(chǎn)生的過電壓對(duì)電氣設(shè)備的絕緣可能造成傷害甚至損壞，而且彈跳過大會(huì)使觸頭易燒傷或熔焊，彈跳時(shí)間過長也可能損傷波紋管，使波紋管受強(qiáng)迫振動(dòng)而出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致滅弧室漏氣，所以合閘彈跳越小越好[3]。9號(hào)斷路器在關(guān)合后出現(xiàn)的電壓尖峰可認(rèn)為是合閘彈跳引起的過電壓，尖峰的持續(xù)時(shí)間就是合閘彈跳的持續(xù)時(shí)間。

兩臺(tái)斷路器關(guān)合后電壓波形的不同反映了它們合閘彈跳程度的不同，9號(hào)斷路器的合閘彈跳時(shí)間比1號(hào)斷路器的長，這可從它們機(jī)械特性參數(shù)的不同尋找原因。對(duì)比二者的合閘試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，它們最主要的差別在于超行程的不同，9號(hào)斷路器的合閘超行程平均值為3.6mm而1號(hào)斷路器的合閘超行程平均值為5.1mm，相差較大。

對(duì)于真空斷路器的對(duì)接式觸頭來說，超行程是指觸頭接觸后產(chǎn)生閉合力的動(dòng)觸頭部件繼續(xù)運(yùn)動(dòng)的距離。超行程不但在分閘時(shí)使動(dòng)觸頭獲得一定的初始沖擊動(dòng)能，提高動(dòng)觸頭的初始加速度和拉斷觸頭熔焊點(diǎn)，而且在合閘時(shí)使觸頭能夠借助于觸頭彈簧力得到平滑的緩沖，減輕沖擊力的影響。9號(hào)斷路器的合閘超行程較小，觸頭簧壓縮量小，觸頭彈簧力不足，使得觸頭在剛性碰撞的沖擊力作用下發(fā)生反彈；另一方面，9號(hào)斷路器的合閘速度平均值為0.77m/s，比1號(hào)斷路器0.73m/s的合閘速度平均值稍大，較高的合閘速度引起的沖擊也較強(qiáng)。以上原因造成了9號(hào)斷路器具有相對(duì)較長的合閘彈跳時(shí)間，反映在關(guān)合波形上就是一個(gè)明顯的電壓尖峰。

圖5 9號(hào)斷路器關(guān)合電流放大圖

滅弧室目前的制造工藝有常規(guī)工藝和一次封排工藝，與常規(guī)工藝相比，一次封排工藝生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)效率高而且質(zhì)量好，提高了產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和一致性。剖開滅弧室發(fā)現(xiàn)，兩種工藝的滅弧室內(nèi)部形狀有所不同，兩種工藝滅弧室的主要差別在于動(dòng)、靜導(dǎo)電桿的屏蔽罩和觸頭片。常規(guī)工藝滅弧室靜端屏蔽罩較短，后面有排氣孔，而一次封排工藝滅弧室的靜端屏蔽罩較長；常規(guī)工藝滅弧室動(dòng)端屏蔽罩很短，位于波紋管之前，而一次封排工藝滅弧室動(dòng)端屏蔽罩幾乎包住了波紋管，這樣可使波紋管免受開斷時(shí)電弧或飛濺的金屬熔融物的傷害。

真空滅弧室的主屏蔽罩環(huán)繞著電弧間隙，在開斷電流時(shí)，電弧會(huì)使觸頭材料熔化和蒸發(fā)，有大量金屬蒸汽和液滴向真空滅弧室四周噴濺，主屏蔽罩可對(duì)絕緣外殼起到保護(hù)作用，防止電弧生成物沉積在真空滅弧室外殼的內(nèi)表面上，使真空滅弧室絕緣性能下降[4]。另外交流電流過零時(shí)，滅弧室內(nèi)剩余的金屬蒸汽和導(dǎo)電粒子徑向快速地?cái)U(kuò)散到屏蔽罩上，在屏蔽罩表面冷卻、復(fù)合和凝結(jié)，有利于電弧熄滅后殘余等離子體的衰減，提高電流過零后弧隙介質(zhì)強(qiáng)度，改善滅弧室的開斷性能。

電弧燃燒時(shí)使觸頭材料熔化、蒸發(fā)，產(chǎn)生的金屬蒸汽和液滴向四周濺射，以下對(duì)觸頭進(jìn)行理化分析，以了解大電流燃弧對(duì)觸頭表面顯微形貌和材料成分的影響。用掃描電鏡觀察經(jīng)歷過開斷大電流試驗(yàn)后的觸頭表面形貌，并配合能譜分析儀對(duì)觸頭表面燒蝕嚴(yán)重區(qū)域的成分及含量進(jìn)行探測，最后對(duì)觸頭實(shí)施局部切割制成縱剖面樣本，對(duì)觸頭縱剖面進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜分析[5]。

圖6的能譜分析結(jié)果顯示，該區(qū)域Cu含量為27.50%、Cr含量為55.74%，對(duì)比原始材料中50：50的Cu、Cr含量比，可知燒蝕嚴(yán)重區(qū)域Cu含量大幅下降，造成Cr含量上升。這可能是因?yàn)殡娀∽饔孟掠|頭材料表面的Cu受高溫作用蒸發(fā)的結(jié)果。

圖6 燒蝕較嚴(yán)重區(qū)域的能譜分析結(jié)果

3 斷路器絕緣性能的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)

高壓開關(guān)的絕緣性能是一個(gè)很重要的質(zhì)量指標(biāo)，關(guān)系到設(shè)備和人身安全。絕緣一旦失效就會(huì)造成對(duì)地或相間短路，電弧在無拘束的情況下，除了會(huì)造成難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失外，還可能發(fā)生人身傷亡等惡性事故，所以，要求斷路器有較長年限的絕緣壽命，高壓開關(guān)的型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)和電力部門的交接試驗(yàn)中都把高壓開關(guān)的絕緣性能試驗(yàn)作為必試項(xiàng)目。本項(xiàng)目對(duì)斷路器試品進(jìn)行工頻耐壓試驗(yàn)和局部放電測量試驗(yàn)，并對(duì)一次回路絕緣件進(jìn)行局放測量，以評(píng)判其在運(yùn)行一段時(shí)間后的耐壓水平和局部放電水平。

局部放電是指在電場作用下發(fā)生在絕緣體內(nèi)局部區(qū)域中的放電現(xiàn)象，而絕緣體整體部分并未發(fā)生貫穿性放電，仍然保持絕緣的性能。隨著開關(guān)設(shè)備電壓等級(jí)的提高和各種有機(jī)絕緣材料的廣泛應(yīng)用，電力設(shè)備的局部放電問題越來越突出。局部放電既是設(shè)備絕緣劣化的征兆，又是造成絕緣劣化的重要原因，因此對(duì)局部放電進(jìn)行有效檢測對(duì)于開關(guān)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[6]。

當(dāng)高壓電氣設(shè)備發(fā)生局部放電時(shí)，放電電量先聚集在與放電點(diǎn)相鄰的接地金屬部分，形成電流脈沖并向各個(gè)方向傳播。根據(jù)電磁原理可得導(dǎo)體中電流密度隨著表面積的增加成指數(shù)下降。從而可知道高頻局放電流只在導(dǎo)體表面很薄的一層范圍內(nèi)傳輸。對(duì)于內(nèi)部放電，放電電量聚集在接地屏蔽的內(nèi)表面，因此如果屏蔽層連續(xù)時(shí)無法在外部檢測到放電信號(hào)。但情況不是這樣，屏蔽層通常在絕緣部位、墊圈連接處、電纜絕緣終端等部位出現(xiàn)破損而導(dǎo)致不連續(xù)，這足以讓高頻信號(hào)傳輸?shù)皆O(shè)備外層而被檢測出來。

放電產(chǎn)生的電磁波通過金屬箱體的接縫處或氣體絕緣開關(guān)的襯墊傳播出去，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)電壓，通過設(shè)備的金屬箱體外表面而傳到地下去，這些電壓脈沖就是暫態(tài)對(duì)地電壓(TEV)。電壓脈沖在金屬殼的內(nèi)表面?zhèn)鞑?，最終從開口、接頭、蓋板等的縫隙處傳出，然后沿著金屬殼外表傳到大地，用電容性探測器就可檢測到放電脈沖。這是TEV測量方法的基本原理。從局放TEV讀數(shù)的測量結(jié)果可見，一般從0開始加壓時(shí)，TEV測量值較低，在3dB左右，升至20kV或25kV之后，TEV讀數(shù)增大較快，等加壓到42kV時(shí)，TEV讀數(shù)達(dá)到最大，一般在40～45dB之間。

局放試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的異常現(xiàn)象主要有[7]：

2號(hào)斷路器的局放試驗(yàn)過程中，斷口間加壓至15kV時(shí)，TEV測量值出現(xiàn)波動(dòng)，讀數(shù)有時(shí)達(dá)60dB，立即降壓至零然后重新升壓測量，在加壓至15kV時(shí)，TEV測量值又出現(xiàn)60dB的偏高讀數(shù)，第三次試驗(yàn)時(shí)依然如此。12號(hào)斷路器的局放試驗(yàn)過程中，單獨(dú)對(duì)A相、B相和C相的上觸頭加壓超過30kV時(shí)，TEV的讀數(shù)都接近或達(dá)到了測量的上限60dB；單獨(dú)對(duì)B相和C相下觸頭加壓至42kV時(shí)，TEV讀數(shù)也達(dá)到了60dB。對(duì)12號(hào)斷路器重復(fù)各局放試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以上異常狀況不具有可重復(fù)性，比如，對(duì)C相上下觸頭分別加壓再次測量局放時(shí)，TEV讀數(shù)恢復(fù)了平穩(wěn)增長的走勢，加壓至42kV時(shí)尚未超過40dB。

另外，比較同一斷路器在各加壓方式下的測量結(jié)果，可以看到大部分TEV測量值都是隨著電壓的上升而增長，但有些情況在某一電壓等級(jí)下，TEV值會(huì)有突然的增加，比前后電壓等級(jí)下的測量值都高，即出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)，比如7號(hào)斷路器在斷口間加壓至30kV時(shí)，TEV值有較大增長，而增加電壓到35kV時(shí)，TEV值卻出現(xiàn)下降[8]；另外，一般TEV值在斷路器加壓超過15kV或20kV之后才會(huì)有比較大的增長，而部分?jǐn)嗦菲髟陔妷荷?0kV之前，TEV讀數(shù)就已經(jīng)超過了10dB，比如12號(hào)斷路器。在局放試驗(yàn)中出現(xiàn)的異常

情況主要是TEV讀數(shù)異常偏高達(dá)到上限、出現(xiàn)拐點(diǎn)或升高較早。

4 結(jié)論

通過機(jī)械動(dòng)作試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、回路電阻測量、開斷關(guān)合電流試驗(yàn)、耐壓和局放試驗(yàn)等，獲得了斷路器的機(jī)械特性參數(shù)、機(jī)構(gòu)零部件尺寸變化、局放TEV數(shù)值等一系列很有價(jià)值的數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：使用了5～9年的滅弧室的自閉力和反力都滿足要求。部分滅弧室真空度低于出廠要求，個(gè)別的已降至10-2Pa，但尚未對(duì)耐壓和開斷能力造成影響。部分滅弧室波紋管的內(nèi)壁已出現(xiàn)微小的褐色銹斑；運(yùn)行5～9年的斷路器和滅弧室的耐壓性能沒有下降，采用TEV方法能夠發(fā)現(xiàn)由斷路器一次回路元件松動(dòng)引起的局放異常，是一種方便快捷、具有有效捕捉能力的方法；運(yùn)行5～9年的斷路器一次回路完整性未遭破壞，依然具有正常通流能力，其開斷能力也能夠滿足要求。

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