高壓斷路器弧觸頭燒蝕試驗(yàn)及理論分析計(jì)算

陳 功，程 壯，陳昌旭

（長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430000）

1 研究背景

隨著電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，電壓等級(jí)不斷提升，電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性要求越來(lái)越高。高壓SF6斷路器作為調(diào)節(jié)無(wú)功投切、系統(tǒng)控制與保護(hù)的重要設(shè)備，對(duì)于電力系統(tǒng)，特別是110 kV 以上的輸電系統(tǒng)，有著非常關(guān)鍵的作用。為保證電力系統(tǒng)長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要高壓SF6斷路器能夠在頻繁動(dòng)作的條件下仍擁有較長(zhǎng)的電壽命。斷路器電壽命一旦超出使用范圍，滅弧室內(nèi)部就極易發(fā)生重?fù)舸?，降低設(shè)備的絕緣性能，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性造成嚴(yán)重影響［1-2］。

目前的斷路器電壽命預(yù)測(cè)方法一般是測(cè)量斷路器開(kāi)斷電流與燃弧時(shí)間，如開(kāi)斷電流加權(quán)累積法、基于N-I 壽命曲線法、燃弧時(shí)間電流積分法等［3-4］，然而這些方法并不能直接檢測(cè)觸頭的燒蝕狀態(tài)［3］?；∮|頭狀態(tài)是影響斷路器電壽命的重要參數(shù)，一般以弧觸頭的電磨損量來(lái)評(píng)價(jià)斷路器的電壽命［5-6］。動(dòng)態(tài)電阻法是測(cè)量弧觸頭狀態(tài)的主要方法，其原理是通過(guò)持續(xù)測(cè)量斷路器分閘過(guò)程中觸頭間的動(dòng)態(tài)接觸電阻，得到動(dòng)態(tài)電阻-時(shí)間、動(dòng)態(tài)電阻-行程等曲線［7-10］，根據(jù)該曲線對(duì)觸頭狀態(tài)進(jìn)行診斷。從動(dòng)態(tài)電阻曲線中可提取觸頭電阻與接觸行程等觸頭的狀態(tài)參數(shù)，其中弧觸頭接觸行程是表征弧觸頭電磨損的重要參數(shù)［11-13］。也有學(xué)者使用觸頭的質(zhì)量損失表征弧觸頭電磨損量［14］，該方法一般用于低壓斷路器，因?yàn)樵诓徊鸾飧邏簲嗦菲鳒缁∈业那闆r下很難對(duì)觸頭質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，因此有一定的使用局限性。

本文以LW36-126 型戶外自能式SF6斷路器為研究對(duì)象，利用武漢大學(xué)大容量斷路器合成試驗(yàn)回路對(duì)觸頭進(jìn)行了大電流燒蝕試驗(yàn)，每次燒蝕試驗(yàn)中保證一定的開(kāi)斷電流與燃弧時(shí)間，以期得到相同的觸頭燒蝕量。每次燒蝕試驗(yàn)后，利用動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量裝置對(duì)試品斷路器弧觸頭狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，得到了弧觸頭接觸行程的減少量。通過(guò)對(duì)弧觸頭燒蝕機(jī)理的理論分析，計(jì)算得到了每次燒蝕試驗(yàn)弧觸頭接觸行程的變化量，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)設(shè)置

2.1 試驗(yàn)斷路器

表1 為試品斷路器的基本參數(shù)。SF6斷路器觸頭系統(tǒng)由主觸頭與弧觸頭并聯(lián)組成，主觸頭用于承載工作電流，當(dāng)斷路器開(kāi)斷電流時(shí)，電流將全部轉(zhuǎn)移到弧觸頭。弧觸頭的接觸行程一般大于主觸頭，主觸頭采用銅鍍銀金屬材料，弧觸頭采用銅鎢合金材料，試品斷路器弧觸頭尺寸如圖1所示。

表1 試品斷路器參數(shù)

圖1 弧觸頭尺寸

2.2 試驗(yàn)回路

2.2.1 燒蝕試驗(yàn)回路

由于高壓SF6斷路器直接開(kāi)斷故障電流的物理過(guò)程可分為大電流階段、相互作用階段、高電壓階段［15-16］，大電流和高電壓并不同時(shí)出現(xiàn)在弧隙上，而大電流階段是對(duì)斷路器觸頭燒蝕最嚴(yán)重的階段，相對(duì)而言，相互作用階段與高電壓階段對(duì)觸頭的燒蝕可以忽略。因此，可利用大電流開(kāi)斷階段來(lái)模擬斷路器開(kāi)斷電流的燒蝕。

本文的模擬燒蝕試驗(yàn)回路基于武漢大學(xué)高壓大容量斷路器合成試驗(yàn)回路搭建，試驗(yàn)回路可進(jìn)行10 ～110 kV電壓等級(jí)斷路器的合成試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)回路的電流源采用電容與電抗器串聯(lián)的振蕩回路，電容值為16.8 mF，電感值為0.6 mH，單相輸出最大電流可達(dá)63 kA，其原理如圖2所示。

圖2 燒蝕試驗(yàn)回路

完整的燒蝕試驗(yàn)流程如下：①給電容器充電至設(shè)定電壓值；②合閘斷路器閉合，回路產(chǎn)生工頻短路電流；③試品斷路器開(kāi)斷短路電流，觸頭產(chǎn)生燒蝕；④輔助斷路器動(dòng)作，對(duì)回路進(jìn)行保護(hù)。模擬燒蝕試驗(yàn)中，選取試品斷路器的75%額定短路電流作為觸頭的模擬燒蝕電流，即30 kA（有效值）。

2.2.2 動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量回路

動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量回路如圖3 所示，測(cè)量回路電源采用大容量鉛酸蓄電池，可提供12V 的直流電壓。測(cè)量過(guò)程中，控制試品斷路器先合閘后分閘，在合分閘過(guò)程中通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量?jī)x器測(cè)量觸頭的動(dòng)態(tài)接觸電阻。

圖3 動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量回路

動(dòng)態(tài)電阻測(cè)試步驟如下：

（1）將電流線與電壓線分別接至斷路器斷口兩端，連接操動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)線；

（2）通過(guò)斷路器動(dòng)特性測(cè)試儀發(fā)信號(hào)至操作機(jī)構(gòu)，操作機(jī)構(gòu)控制試品斷路器完成先合閘后分閘的動(dòng)作；

（3）合閘時(shí)回路連通，蓄電池在斷路器兩端施加直流電流；

（4）斷路器分閘并開(kāi)斷電流。

為防止蓄電池由于長(zhǎng)時(shí)間短路而損壞，合閘與分閘觸發(fā)信號(hào)之間的時(shí)間間隔設(shè)置為250 ms。在試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)態(tài)電阻分析儀采集分閘過(guò)程中斷口電壓、電流與觸頭動(dòng)作速度信號(hào)，輸出斷路器合分閘過(guò)程的動(dòng)態(tài)電阻-行程曲線。動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)特性測(cè)試儀參數(shù)如表2所示。

表2 斷路器動(dòng)特性測(cè)試儀參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試品斷路器的觸頭總共進(jìn)行34 次模擬燒蝕試驗(yàn)和多組動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量試驗(yàn)，每次燒蝕試驗(yàn)中開(kāi)斷電流值與燃弧時(shí)間基本保持一定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到觸頭接觸行程與燒蝕試驗(yàn)次數(shù)的關(guān)系，如圖4所示。曲線中前5次總接觸行程與弧觸頭接觸行程測(cè)量結(jié)果具有一定分散性，而之后基本呈現(xiàn)線性減小的變化趨勢(shì)，主觸頭接觸行程基本保持不變。觸頭接觸行程的變化證明了在開(kāi)斷電流過(guò)程中電弧對(duì)弧觸頭產(chǎn)生了嚴(yán)重的燒蝕，使接觸行程顯著減?。欢饔|頭由于只承受工作電流，因此受電弧影響較小。將總接觸行程（Lc）與弧觸頭接觸行程（La）曲線進(jìn)行線性擬合，擬合曲線與原曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.95與0.96，得到的擬合公式如下：

由公式（1）與（2）可以得到，觸頭的初始總接觸行程為23.99 mm，與其額定值（動(dòng)觸頭接觸行程）25～28 mm 接近，證明試驗(yàn)前觸頭燒蝕程度并不嚴(yán)重；弧觸頭接觸行程的初始值為17.43 mm，每次燒蝕試驗(yàn)中電弧對(duì)弧觸頭的燒蝕導(dǎo)致觸頭總接觸行程的變化量ΔLc恒定，為0.34mm；弧觸頭接觸行程在每次燒蝕中的變化量ΔLa為0.32mm。

圖4 觸頭接觸行程隨燒蝕試驗(yàn)次數(shù)曲線

3.2 弧觸頭燒蝕機(jī)理

高壓SF6斷路器觸頭的分閘過(guò)程可主要分為4個(gè)階段：合閘狀態(tài)到主觸頭分離；主觸頭分離到弧觸頭分離；弧觸頭分離后燃弧；電弧熄滅直到完全分?jǐn)唷Ｈ鐖D5所示。

圖5 滅弧室開(kāi)斷電流過(guò)程

高壓斷路器弧觸頭材料一般為銅鎢合金，銅和鎢的熔化和汽化溫度差異很大，銅金屬與鎢金屬的熔點(diǎn)分別為1 358 K 與3 680 K，沸點(diǎn)分別為2 840 K與5 928 K。在汽化溫度相差很大的各組分的非均質(zhì)材料中，電弧會(huì)在汽化溫度更高的材料上形成弧根，對(duì)能量的需求量更小，因此認(rèn)為觸頭材料燒蝕過(guò)程主要分為以下5 個(gè)階段［17］：①銅金屬與鎢金屬均為固態(tài)（＜1 358 K）；②銅金屬熔化，鎢金屬為固態(tài)（1 358 K）；③銅金屬蒸發(fā)，鎢金屬為固態(tài)（2 840 K）；④鎢金屬熔化（3680 K）；⑤鎢金屬蒸發(fā)（5 928 K）。

部分損失的觸頭材料會(huì)以金屬固體形式附著在滅弧室內(nèi)壁或噴口上，降低觸頭對(duì)地的絕緣能力。此外，弧觸頭在燒蝕后，表面形貌會(huì)發(fā)生明顯變化，弧觸頭端部會(huì)變得越來(lái)越尖，不僅會(huì)降低觸頭之間的絕緣能力，而且會(huì)在觸頭動(dòng)作過(guò)程中造成間隙電場(chǎng)的畸變，降低電流過(guò)零后的間隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度，降低斷路器短路電流開(kāi)斷能力，同樣也會(huì)增加關(guān)合過(guò)程中的預(yù)擊穿過(guò)程的時(shí)間，加速弧觸頭的侵蝕。

3.3 燒蝕量ΔL計(jì)算

觸頭接觸行程是衡量SF6斷路器電壽命的重要指標(biāo)，觸頭接觸行程過(guò)小會(huì)對(duì)斷路器產(chǎn)生以下嚴(yán)重影響：

（1）開(kāi)斷故障電流無(wú)法從主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭，從而導(dǎo)致主觸頭燃弧，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致電弧無(wú)法熄滅造成滅弧室爆炸［18-19］。

該試驗(yàn)采集的樣品沒(méi)有完全覆蓋畢節(jié)市所管轄的范圍，試驗(yàn)結(jié)果尚不能完全代表本地區(qū)所有小檗藥材的質(zhì)量；同時(shí)試驗(yàn)尚未對(duì)小檗堿和生物總堿以外的其他生物堿進(jìn)行分析，下一步將進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，以得出更為全面的試驗(yàn)結(jié)果，為畢節(jié)試驗(yàn)區(qū)中藥材的種植和發(fā)展提供參考依據(jù)。

（2）弧觸頭損失的金屬材料附著在滅弧室內(nèi)壁，降低了其絕緣能力［18］。

（3）動(dòng)靜觸頭之間的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生畸變，降低觸頭間介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)能力［5］。

（4）噴口提前打開(kāi)，氣缸內(nèi)氣體達(dá)不到預(yù)定壓力，降低SF6氣體吹弧能力。

本文中，對(duì)觸頭燒蝕量的計(jì)算做如下假設(shè)：

（1）電弧與觸頭端面接觸面積在整個(gè)開(kāi)斷過(guò)程中保持不變。

（2）觸頭材料的蒸發(fā)出現(xiàn)在整個(gè)燃弧時(shí)間過(guò)程中，即忽略觸頭表面溫度達(dá)到鎢金屬熔點(diǎn)之前觸頭的燒蝕。

（3）觸頭表面的能量輸入僅由電極區(qū)壓降功率提供。

（4）觸頭表面能量耗散主要因?yàn)橛|頭材料的蒸發(fā)與觸頭熱傳導(dǎo)，忽略液滴飛濺影響。

當(dāng)斷路器開(kāi)斷短路電流時(shí)，觸頭燒蝕率可表示為［19］

式中：m 為觸頭損失質(zhì)量，kg；Q 為燃弧階段通過(guò)的電荷量，C；ΔUeff為電弧陰極區(qū)或陽(yáng)極區(qū)壓降，V；hvap為單位質(zhì)量的觸頭材料從20℃到氣化點(diǎn)的熱量，J/kg。

由于弧觸頭為CuW80 合金材料，hvap可近似計(jì)算為［17］

在試驗(yàn)過(guò)程中，靜弧觸頭為正極，觸頭陽(yáng)極區(qū)壓降ΔUeff+與陰極區(qū)壓降ΔUeff-相近，一般為10～20V，在本文計(jì)算中可取ΔUeff+=15 V［20］。

根據(jù)假設(shè)（2），每次的燒損質(zhì)量m可表示為

式中：ρ 為金屬材料密度，kg/m3，CuW80合金的ρ 為15.15×103kg/m3；r 為觸頭半徑，mm，圖1 中r 為9.5 mm；ΔLc為弧觸頭燒蝕長(zhǎng)度，mm。

燃弧階段通過(guò)觸頭的電荷量為開(kāi)斷電流有效值與燃弧時(shí)間的乘積。燒蝕試驗(yàn)過(guò)程中短路電流一般在第二個(gè)過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷，在第一個(gè)半波燃弧時(shí)間約為6 ms，短路電流有效值為30 kA；第二個(gè)半波燃弧時(shí)間為10 ms，短路電流有效值約為18 kA。取5次燒蝕試驗(yàn)中觸頭通過(guò)的電荷量平均值作為Q的計(jì)算值，得到Q=352.8 C。

根據(jù)式（3）～（5），可以得到在本文試驗(yàn)條件下（開(kāi)斷電流30 kA，燃弧時(shí)間16 ms），每次燒蝕試驗(yàn)中觸頭燒蝕量為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，弧觸頭燒蝕量計(jì)算值較試驗(yàn)值0.32 mm偏小，分析原因如下：

（1）靜弧觸頭端部實(shí)際為半球形，燒蝕后逐漸變尖，并沒(méi)有整體脫落，因此按照實(shí)際金屬損失質(zhì)量計(jì)算的觸頭接觸行程減少量偏小。

（2）觸頭金屬材料損失過(guò)程中會(huì)有部分液滴飛濺，實(shí)際情況的hvap值比計(jì)算值偏小。

4 結(jié)論與分析

本文對(duì)LW36-126型試品斷路器進(jìn)行了開(kāi)斷電流燒蝕試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)電阻試驗(yàn)，試驗(yàn)得到了在開(kāi)斷30 kA（有效值）電流情況下弧觸頭的燒蝕量，并通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行了驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）開(kāi)斷電流電弧會(huì)對(duì)觸頭產(chǎn)生燒蝕，微觀上主要體現(xiàn)在Cu 蒸汽的逸出以及鎢蒸汽逸出和液滴飛濺，宏觀上為弧觸頭接觸行程與總接觸行程的變化。

（2）在整個(gè)開(kāi)斷短路電流過(guò)程中，由于電弧對(duì)主觸頭并未產(chǎn)生嚴(yán)重的燒蝕，主觸頭接觸行程基本保持不變；而弧觸頭承擔(dān)了絕大部分電弧能量，弧觸頭材料在每次開(kāi)斷電流后產(chǎn)生了損失，弧觸頭接觸行程逐漸減小。

（3）觸頭接觸行程參數(shù)可通過(guò)動(dòng)態(tài)電阻測(cè)量得到。試品斷路器在每次燒蝕試驗(yàn)中的觸頭接觸行程減少量的試驗(yàn)值（0.32 mm）與計(jì)算值（0.27 mm）基本一致。試驗(yàn)中保證開(kāi)斷電流值與燃弧時(shí)間一定，得到的每次觸頭燒蝕量相同，證明了開(kāi)斷電流值與燃弧時(shí)間是影響觸頭燒蝕最重要的兩個(gè)因素。

（4）觸頭接觸行程是衡量高壓斷路器電壽命的重要參數(shù)，接觸行程過(guò)小會(huì)影響滅弧室開(kāi)斷電流能力與絕緣性能。