張恭源，馬宏明，程志萬，彭兆裕，何順

（1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，昆明 650011；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

電力系統(tǒng)的安全可靠性引起了重視[1]。每年有37%-48%的電力系統(tǒng)事故是由電氣設(shè)備故障所引起的[2]。開關(guān)柜在電氣設(shè)備中所占比例較大，其可靠操作直接影響了整個電網(wǎng)的安全運行[3-4]。開關(guān)柜性能影響因素十分復(fù)雜，檢修難度大、耗時長，檢修費用甚至占用了變電站維護費用的30%左右[5]。因此對開關(guān)柜工作狀態(tài)進行有效的檢測，及時發(fā)現(xiàn)開關(guān)的早期缺陷，對于保障電網(wǎng)的安全可靠運行有著十分重要的意義。

開關(guān)柜斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數(shù)倍的涌流以及動、靜弧觸頭間的機械磨損會造成觸頭變形并產(chǎn)生金屬蒸汽，損害滅弧室的絕緣性能[6-9]，在分合閘的過程中發(fā)生重燃現(xiàn)象，并對外輻射很高頻率的電磁波信號。滅弧室內(nèi)的觸頭系統(tǒng)是導(dǎo)電回路最重要的組成部分，其狀態(tài)的好壞直接影響著斷路器的開斷能力。長期運行中的斷路器觸頭在電化學(xué)及化學(xué)的腐蝕作用下，其接觸部分的電阻會逐漸增大，因此就有了針對斷路器接觸電阻檢測的回路電阻法[10-13]，但該方法不能實現(xiàn)在線監(jiān)測，且測試過程復(fù)雜。針對這一問題，提出了一種基于輻射電磁波信號開關(guān)柜重燃現(xiàn)象的檢測方法。

1 檢測原理

1.1 單相重燃機理

開關(guān)柜分閘時，當(dāng)動靜觸頭剛剛分離時，觸頭間SF6介質(zhì)的耐受電壓低于動靜觸頭間承受的電壓時，動靜觸頭將會立即擊穿燃弧，在擊穿瞬間，動靜觸頭間電流迅速增加，在空間產(chǎn)生一個突變的磁場，該磁場繼而激發(fā)一個突變電場，該電場繼而激發(fā)一個突變的磁場，往復(fù)循環(huán)，就在空間中激發(fā)出一個很高頻率的電磁波信號。擊穿發(fā)生后，電弧中的電流變化接近于工頻電流。隨著動靜觸頭間距逐漸增大，電弧在過零點處自然熄滅，不會再激發(fā)出高頻率的電磁波信號。因此，在斷路器滅弧特性良好的情況下，開關(guān)柜分閘時只會輻射出一次電磁波信號，后續(xù)電弧燃燒期間不會再激發(fā)其他電磁波信號。正常狀態(tài)下熄弧滅弧原理圖如圖1所示。

圖1 正常狀態(tài)下熄弧滅弧原理圖

然而，開關(guān)柜斷路器在多次操作過程中，高于額定電流數(shù)倍的涌流以及動、靜弧觸頭間的機械磨損會造成觸頭變形并產(chǎn)生金屬蒸汽，使滅弧室的滅弧性能下降。當(dāng)斷路器經(jīng)過多次燒蝕后，觸頭表面形成多個微小尖刺，這些尖刺在電場的作用下會形成多個極不均勻的電場區(qū)。另外，開關(guān)多次動作后會在滅弧室內(nèi)產(chǎn)生金屬顆粒，這些金屬顆粒位于滅弧室底部。當(dāng)開關(guān)動作時，滅弧室內(nèi)的氣體劇烈運動，這些顆粒會在氣流的帶動下運動，使得顆粒處于不同的電場區(qū)，顆粒間的電位不同，他們之間，他們與觸頭間都可能產(chǎn)生放電，繼而激發(fā)電磁波信號，顆粒的數(shù)量越多，滅弧室的內(nèi)電場越不均勻。因而，經(jīng)過多次燒蝕后的斷路器，在開斷過程中同樣會存在一個因第一次燃弧而產(chǎn)生的向外輻射的電磁波信號。但除了該信號外，由于滅弧室內(nèi)及觸頭表面存在多個極不均勻的電場區(qū)，在第一次燃弧熄滅后的短時間內(nèi)，可能會出現(xiàn)電弧重燃現(xiàn)象，再次向外輻射電磁波信號，這就導(dǎo)致了在數(shù)個ms后再次出現(xiàn)電磁波脈沖信號。有重燃現(xiàn)象時熄弧滅弧原理圖如圖2所示。

圖2 重燃狀態(tài)下熄弧滅弧原理圖

1.2 重燃判據(jù)的建立

正常狀態(tài)下開關(guān)柜的觸頭在分合閘過程中只會在空間中輻射一個電磁波信號，而燒蝕磨損嚴(yán)重的觸頭會輻射多個電磁波信號，有時信號的脈寬還會有所改變，我們可以由此來判斷開關(guān)柜重燃現(xiàn)象是否發(fā)生。

開關(guān)柜在分合閘過程中是A、B、C三相同時操作，所以斷路器燃弧滅弧能力良好時，一般會在空間中輻射三相電磁波脈沖信號。由于裝配時的工藝誤差，A、B、C三相會在分合閘時存在三相不同期時間，所以燃弧時輻射的電磁波信號會在時間域里分布開來，呈現(xiàn)三個電磁波脈沖信號。如果裝配工藝十分精確，會存在兩相或三相同時分合閘，這時電磁波信號就會發(fā)生重疊，信號的數(shù)量就會少于三個，呈現(xiàn)兩個或一個脈沖信號。

開關(guān)柜斷路器的觸頭表面在電弧高溫?zé)g及機械摩擦后，容易形成極不均勻電場，從而產(chǎn)生重燃現(xiàn)象。如圖3所示，假設(shè)C相斷路器觸頭表面劣化發(fā)生重燃，會輻射多于一個電磁波信號，檢測設(shè)備檢測到的信號就會多于四個。

圖3 C相劣化重燃

2 現(xiàn)場測試

根據(jù)以上電弧重燃檢測原理，在某220 kV變電站內(nèi)35 kV斷路器的滅弧特性展開現(xiàn)場測試。該斷路器屬于電容器組無功投切開關(guān)SF6斷路器，額定電壓40 kV，額定電流800 A。在測試現(xiàn)場，將電磁波信號傳感器靠近被測斷路器開關(guān)柜縫隙，使得電磁波信號更加清晰準(zhǔn)確。

2.1 #1斷路器

#1斷路器分閘過程的測試結(jié)果如圖4所示。從圖中我們可以看到，#1斷路器分閘過程中輻射出的三個電磁波信號幅值均在2.5 V以內(nèi)，各相脈沖信號清晰，持續(xù)時間短，說明該斷路器滅弧性能良好，在分閘過程中沒有發(fā)生重燃現(xiàn)象。

圖4 #1斷路器分閘過程測試結(jié)果

2.2 #2斷路器

#2斷路器分閘過程的測試結(jié)果如圖5所示。#2斷路器分閘過程中輻射出的電磁波信號幅值約為3 V左右，并且存在4個脈沖。根據(jù)檢測原理，此斷路器滅弧性能下降，在分閘過程存在電弧重燃現(xiàn)象。后續(xù)對該斷路器進行了解體，證實了檢測結(jié)果。

圖5 #2斷路器分閘過程測試結(jié)果

3 結(jié)束語

1）分閘過程中輻射電磁波信號可用來判斷開關(guān)柜是否發(fā)生重燃現(xiàn)象；

2）狀態(tài)良好的斷路器在分閘過程輻射的電磁波信號脈沖清晰、持續(xù)時間短，數(shù)量為3個，滅弧性能下降的斷路器在分閘過程中輻射的電磁波信號持續(xù)時間較長，單相重燃時輻射數(shù)量為4個；

3）現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，#1斷路器不存在電弧重燃現(xiàn)象，而#2斷路器滅弧性能下降，存在電弧重燃現(xiàn)象，與解體分析結(jié)論一致。