10kv真空斷路器的常見故障分析

馮世坤

摘 要：文章以我廠使用的ABB VD4真空斷路器為例，介紹了其工作原理，并對常見的故障現(xiàn)象與原因進(jìn)行了分析，探討了相應(yīng)的預(yù)防及處理措施，最后提出了減少10kv真空斷路器故障的幾點(diǎn)建議。

關(guān)鍵詞：真空斷路器；常見故障；斷路器維護(hù)

前言

VD4真空斷路器適用在以空氣為絕緣的戶內(nèi)式開關(guān)系統(tǒng)中。只要在正常的使用條件及斷路器的技術(shù)參數(shù)范圍內(nèi)，VD4真空斷路器就可以滿足電網(wǎng)在正常或事故狀態(tài)下的各種操作，包括關(guān)合和開斷短路電流。

真空斷路器具有適合頻繁操作、防燃、防爆、運(yùn)行可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，是一種很少需要維護(hù)的開關(guān)設(shè)備，但隨著使用時間的增長，故障的出現(xiàn)是不可避免的。

1 真空斷路器的主要工作原理

1.1 真空包內(nèi)的屏敞保護(hù)層

在真空包內(nèi)有一層用紫銅片制成的屏敞層，主要作用是防止觸頭在燃弧過程中生產(chǎn)的大量金屬蒸汽和液滴噴濺，污染絕緣外殼的內(nèi)壁，造成管內(nèi)絕緣強(qiáng)度下降，其次，可以改善管內(nèi)電場分布，也可吸收電弧能量，冷凝電弧生成物，提高真空弧室開斷電流能力。

1.2 真空滅弧室工作原理

真空包內(nèi)的真空滅弧室是利用高真空工作絕緣滅弧介質(zhì)，靠密封在真空中的一對觸頭來實(shí)現(xiàn)電力電路的通斷功能的一種電真空器件。當(dāng)其斷開一定數(shù)值的電流時，動靜觸頭在分離的瞬間，電流收縮到觸頭剛分離的一點(diǎn)上，出現(xiàn)電極間電阻劇烈增大和溫度迅速提高，直至發(fā)生電極金屬的蒸發(fā)，同時形成極高的電場強(qiáng)度，導(dǎo)致極強(qiáng)烈的發(fā)射和間隙擊穿，產(chǎn)生真空電弧，當(dāng)工頻電流接近零時，同時也是觸頭開距的增大，真空電弧的等離子體很快向四周擴(kuò)散，電弧電流過零后，觸頭間隙的介質(zhì)迅速由導(dǎo)電體變?yōu)榻^緣體，于是電流被分?jǐn)唷?/p>

由于滅弧室的靜態(tài)壓力極低，約10-2～10-6pa，所以只需很小的觸頭間隙就可達(dá)到很高的電介質(zhì)強(qiáng)度。分閘過程中的高溫產(chǎn)生了金屬蒸氣離子和電子組成的電弧等離子體，使電流將持續(xù)一段很短的時間。由于觸頭上形螺旋槽，電流曲折路徑效應(yīng)形成的磁場作用在電弧上，使電弧以每秒10～100米的速度在觸頭表面旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，直到電弧熄滅。這樣即使在切斷很大的電流時，也可避免觸頭表面的局部過熱與不均勻的灼燒。電弧在電流自然過零時熄滅，殘留的離子、電子和金屬蒸氣只需在毫秒級時間內(nèi)即可復(fù)合或凝聚在觸頭表面屏蔽罩上，因此，滅弧室斷口的電介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)極快。對真空滅弧來說，由于觸頭間隙小，金屬蒸氣產(chǎn)生的電弧等離子體導(dǎo)電率高，電弧電壓極低。加外，燃弧時間短，伴生的電弧能量極小，綜上各點(diǎn)都有利于觸頭壽命的增加，也有利于真空滅弧室性能的提高。[1]

2 真空斷路器的常見故障

真空斷路器的常見故障主要分電氣回路故障和機(jī)械故障兩個方面。主要表現(xiàn)為真空滅弧室的漏氣、絕緣故障、拒動和誤動等。

2.1 真空滅弧室的漏氣問題

2.1.1 故障現(xiàn)象與原因

真空斷路器運(yùn)行時，正常情況下，其滅弧室的屏蔽罩顏色應(yīng)無異常變化，真空度正常。若運(yùn)行中或合閘之前（一端帶電壓）真空滅弧室出現(xiàn)紅色或乳白色輝光，說明真空度下降，影響滅弧性能。

真空度降低將嚴(yán)重影響真空斷路器開斷過電流的能力，并導(dǎo)致斷路器的使用壽命急劇下降，嚴(yán)重時會引起開關(guān)爆炸。

真空滅弧室、動靜觸頭結(jié)構(gòu)、屏蔽罩的封接、殼體材料、波紋管材質(zhì)和加工方法等都會影響真空滅弧室的性能。高壓真空斷路器應(yīng)用或保護(hù)環(huán)境的污穢等級、濕度、鹽霧等選擇不夠合適，有害氣體、凝露造成波紋管點(diǎn)狀腐蝕，可導(dǎo)致波紋管和蓋板及封接面的漏氣。

隨著真空滅弧室使用時間的增長和開斷次數(shù)增多，其真空度也可逐步下降，下降到一定程度將會影響它的開斷能力和耐壓水平。真空斷路器的觸頭多為對接式結(jié)構(gòu)，在分合操作中可能產(chǎn)生不同程度的反彈現(xiàn)象不論分閘反彈還是合閘反彈都會給運(yùn)行帶來危害。分合閘時的沖擊速度及沖擊力較大發(fā)生彈跳都可能產(chǎn)生觸頭和導(dǎo)電桿的變形，甚至產(chǎn)生裂紋，反彈導(dǎo)致波紋管經(jīng)受強(qiáng)迫振動可能產(chǎn)生裂紋，使滅弧室漏氣。

2.1.2 故障預(yù)防

真空斷路器在使用過程中必須定期檢查滅弧室管內(nèi)的真空度。目前檢查方法有：（1）對玻璃外殼真空滅弧室可以定期目測巡視檢查，正常時內(nèi)部的屏蔽罩等部件表面顏色應(yīng)很明亮，在開斷電流時發(fā)出淺藍(lán)色弧光。當(dāng)真空度下降很嚴(yán)重時，內(nèi)部顏色就會變得灰暗，開斷電流時將發(fā)出暗紅色弧光。（2）定期（3年左右）進(jìn)行一次工頻耐壓試驗(yàn)。當(dāng)動靜觸頭保持額定開距條件下，如果工頻耐受電壓不低于額定工頻耐受電壓，則表明真空度滿足使用要求。如果在升壓過程中，真空滅弧室內(nèi)部發(fā)生持續(xù)擊穿或輝光放電，則表明真空滅弧室真空度已嚴(yán)重下降，已不能繼續(xù)使用。

2.1.3 故障處理

保證高壓真空斷路器超行程、觸頭行程在規(guī)定范圍，合理的選擇使用和儲存環(huán)境，是解決真空滅弧室漏氣問題的重要措施。

當(dāng)發(fā)生斷路器真空度降低時，必須更換真空泡，或更換真空斷路器，并做好行程、同期、彈跳等特性試驗(yàn)。

2.2 絕緣故障

2.2.1 故障現(xiàn)象與原因

固封極柱技術(shù)，是真空斷路器技術(shù)的巨大進(jìn)步，真空斷路器的極柱絕緣經(jīng)歷了空氣絕緣-復(fù)合絕緣-固封絕緣。這就形成了三代真空斷路器。在第一代空氣絕緣中，帶電部分完全裸露在空氣中，它的絕緣水平隨著空氣中的濕度、灰塵以及運(yùn)輸過程的磕碰而變化，并易受小動物等異物的影響。在第二代復(fù)合絕緣中，將滅弧室保護(hù)在環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)。但這種套筒沒有完全把高壓帶電部分包起來，里面還會受灰塵、潮氣、昆蟲等影響。第三代絕緣也就是固封極柱，它通過APG工藝，利用環(huán)氧樹脂將滅弧室及上下出線端全部包封。這樣做，不僅縮小了滅弧室尺寸，而且徹底不受外界環(huán)境（灰塵、潮氣等）的影響，提高了耐氣候性，此時環(huán)氧樹脂不僅作為一次部分的主絕緣，而又是它的機(jī)械支撐，其電場分布和應(yīng)力分布優(yōu)于各種形狀的絕緣隔板結(jié)構(gòu)。endprint

目前，真空開關(guān)的使用狀況是三代真空斷路器共存。其中， 由于第三代固封極柱真空斷路器的極柱固封技術(shù)是一種嶄新的技術(shù)，在國外也只有極少制造公司掌握這種技術(shù)，如ABB公司在1997年用固封極柱開發(fā)出VMl型免維護(hù)真空斷路器。2003年，我國同時研制出兩種固封極柱真空斷路器：VEP型和VSM型。第三代固封極柱真空斷路器在市場的占有量還有限，大部分真空斷路器是第二代復(fù)合絕緣，受外界環(huán)境影響較大。運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量和電場應(yīng)力都會使絕緣產(chǎn)生老化。絕緣故障在真空開關(guān)設(shè)備中仍居多，其威脅是不言而喻的。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，1998年至2008年我國運(yùn)行的高壓開關(guān)設(shè)備共發(fā)生絕緣故障398次，其中6～35kv絕緣故障共300次，占總絕緣故障的75.4%。而6～35kv高壓開關(guān)設(shè)備絕緣故障中，真空開關(guān)設(shè)備的絕緣故障共138次，占絕緣故障的46%，仍然居多。[2]

2.2.2 故障預(yù)防

（1）選擇真空斷路器時就考慮使用環(huán)境和平時維護(hù)檢修的條件，選擇質(zhì)量可靠的產(chǎn)品。

（2）在安裝、調(diào)試、檢修過程中工裝工藝到位，防止操作過程中機(jī)構(gòu)運(yùn)動對絕緣體的外力破壞。

（3）在運(yùn)行時的環(huán)境得到充分保證，減少灰塵、潮氣等對設(shè)備的影響；減小維護(hù)周期，定期對開關(guān)的絕緣部分包括絕緣拉桿進(jìn)行必要的清掃和外觀檢查。

（4）定期按規(guī)程規(guī)范對絕緣進(jìn)行檢測。另外，加強(qiáng)絕緣壽命預(yù)測對減少絕緣事故有著重要的意義。[3]

2.2.3 故障處理

一旦發(fā)生絕緣事故，找準(zhǔn)事故原因采取相應(yīng)對策的原則，對損壞的絕緣器件進(jìn)行更換，并進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。

2.3 拒動、誤動故障

2.3.1 故障現(xiàn)象及原因

（1）真空斷路器合閘失靈

電氣方面的故障主要有：合閘電壓過低（操作電壓低于0.85額定電壓）或合閘電源整流部分故障；合閘電源容量不夠；合閘線圈斷線或合閘線圈匝間短路二次接線接錯等。

操動機(jī)構(gòu)的故障主要有：合閘過程中分閘鎖扣未扣住，分閘鎖扣的尺寸不對；輔助開關(guān)的行程調(diào)得過大，使觸片變形彎曲，接觸不良。

（2）真空斷路器分閘失靈

電氣方面的故障主要有：分閘電壓過低（操作電壓低于0.85額定電壓）；分閘線圈斷線；輔助開關(guān)接觸不良。

操動機(jī)構(gòu)的故障主要有：分閘鐵芯的行程調(diào)整不當(dāng)；分閘鎖扣扣住過量；分閘鎖扣銷子脫落。

（3）VD4真空斷路器只能合分閘一次

只要將VD4真空斷路器中的防跳繼電器KO線圈回路切斷，VD4真空斷路器就能恢復(fù)正常操作了。

切斷防跳繼電器KO線圈回路有兩種方法：一種是拆除防跳繼電器KO線圈回路A或B端，并將拆除后的線頭包扎好。另一種方法是將CSL216B線路保護(hù)裝置的合閘出口#7線改接在VD4真空斷路器的CZ12端子上，使防跳繼電器KO沒有工作電源而失去作用。因?yàn)镃SL216B線路保護(hù)裝置中還有防跳繼電器TBJ，取消VD4真空斷路中的防跳繼電器KO不會給線路保護(hù)和斷路器造成影響。

（4）真空斷路器運(yùn)行中斷相

真空斷路器接通高壓電動機(jī)時，有時會出現(xiàn)斷相，使電動機(jī)缺相運(yùn)行而燒壞電動機(jī)。真空斷路器出現(xiàn)合閘斷相的可能原因如下：

斷路器超行程（觸頭彈簧被壓縮的數(shù)值）不滿足要求，影響該相觸頭的正常接觸。這可通過調(diào)節(jié)絕緣拉桿的長度，并重復(fù)測量多次，才能保證其超行程的正確性和接觸的穩(wěn)定性。

斷路器行程不滿足要求。在保證超行程的前提下，通過調(diào)節(jié)分閘定位件的墊片，使三相行程均滿足要求，并三相同步。

由于真空斷路器的觸頭為對接式，觸頭材料較軟，在分、合閘數(shù)百次后觸頭易變形，使斷路器超行程變化，影響觸頭的正常接觸。

（5）真空斷路器彈簧操作機(jī)構(gòu)合閘儲能回路故障

儲能不正常是真空斷路器較常見的故障之一，特別是棘輪、棘爪驅(qū)動的儲能機(jī)構(gòu)，故障幾率較高。儲能機(jī)構(gòu)要完成儲能動作，主要取決于儲能電機(jī)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、定位件這3個環(huán)節(jié)。緊緊抓住這3個環(huán)節(jié)，很容易找出故障的癥結(jié)。

2.3.2 故障預(yù)防

真空斷路器的拒動和誤動故障基本上都是由操作機(jī)構(gòu)及控制回路故障所引起， 其故障預(yù)防和處理應(yīng)注意以下幾個方面。

（1）防止松動與蹩勁。機(jī)構(gòu)在操作時會發(fā)生沖擊和振動，所有緊固處應(yīng)有防松措施，一些受力較大的活銷，不能單用開銷定位，防止由于操作時各連板上的力不平衡，造成活銷蹩勁，從而剪斷開口銷。

（2）防止銹蝕和臟污。銹蝕和臟污會顯著降低機(jī)構(gòu)操作可靠性，使操作系統(tǒng)的機(jī)械特性變壞，甚至釀成分合閘拒動事故?；瑒虞S承由于銹蝕和臟污，摩擦系數(shù)可以高達(dá)0.3，即使采用了滾柱和滾子軸承，銹蝕和臟污也會使它的摩擦系數(shù)增大到0.1，這比正常條件下的數(shù)值大一個數(shù)量級，將引起肘節(jié)和脫扣機(jī)構(gòu)工作的不穩(wěn)定。保持機(jī)構(gòu)所處環(huán)境條件的清潔度，定期去除機(jī)構(gòu)上（特別是旋轉(zhuǎn)、滑動配合）的臟污，經(jīng)常注意潤滑，在軸和銷上噴涂的硫化鉬固體潤滑劑等可取得很好的效果。

（3）防止機(jī)構(gòu)進(jìn)水。進(jìn)水會使機(jī)構(gòu)的絕緣件受潮，加速金屬零件的銹蝕。

（4）提高控制回路的可靠性。要保持接線可靠，不致因操作一定次數(shù)后振動脫落絕緣件有足夠的絕緣；輔助開關(guān)固定要牢固，不因操作而變動或竄動，其聯(lián)動機(jī)構(gòu)要調(diào)整到位，并防止變動；輔助開關(guān)的節(jié)點(diǎn)要防止銹蝕。

2.3.3 故障處理

斷路器的基本操作過程可以簡單地描述為：儲能→合閘準(zhǔn)備→合閘→合閘保持（鎖扣）→完成合閘動作→分閘→（脫扣）→完成分閘動作。

上述任何一個環(huán)節(jié)出問題，都將影響斷路器的合、分操作。因此，分析故障點(diǎn)時，首先要分清各功能塊，再采取分步排除法，逐個排查。

在此需強(qiáng)調(diào)指出，在斷路器發(fā)生拒動、空合等情況時于分析檢修斷路器主體之前，要充分判斷一下原因是否出在控制及二次元件如輔助開關(guān)、端子排等方面，然后再進(jìn)行斷路器的分析診斷。

3 結(jié)束語

通過以上對真空斷路器在運(yùn)行中所出現(xiàn)故障的分析，結(jié)合真空電弧理論知識和運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）最好選用外殼由兩個高氧化鋁陶瓷管組成、屏蔽罩固定于2個陶瓷管之間、屏蔽罩與動靜觸頭間的分布電容要求完全相等、內(nèi)部電場均勻、結(jié)構(gòu)簡單的真空滅弧室結(jié)構(gòu)。

（2）觸頭材料要求含氣量低、開斷能力大、抗熔焊、截流電流小、電磨損速率小、接觸電阻小。銅鉻觸頭最適合。

（3）應(yīng)加強(qiáng)對真空斷路器的合閘彈跳和分閘反彈的監(jiān)督力度。

（4）加強(qiáng)對真空斷路器的開距、超行程、剛分、剛合速度等特性測試。斷路器在選型時，盡量選擇機(jī)構(gòu)布局簡單、易于拆裝、工藝性好、互換性強(qiáng)的產(chǎn)品。

（5）今后在設(shè)備選型時，應(yīng)特別加強(qiáng)對制造工藝的要求和對其它輔助設(shè)備的技術(shù)要求。

（6）按產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范對真空斷路器定期維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

[1]廈門ABB開關(guān)有限公司. VD4真空開關(guān)產(chǎn)品說明書[Z].

[2]GB/T 11022-2011.高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].

[3]GB 17701-2008.設(shè)備用斷路器[S].endprint