礦用負荷中心高壓真空開關分斷能力研究

李燕杰，賈 楠，房文景，楊澤程

(1.山西潞安(礦業(yè))集團李村煤礦，山西 長治 046000；2.潞州區(qū)能源局，山西 長治 046000)

1 礦用負荷中心高壓真空開關運行工況

礦用負荷中心集高壓真空開關、干式變壓器、組合開關及保護裝置于一體，具有容量大、多路多電壓輸出、通訊集中、移動方便等特點，在煤礦綜采工作面得到廣泛應用。其中，高壓真空開關主要用于變壓器的通斷和保護，特別是短路故障。因此，供配電設計時，必須用配電網的最大三相短路電流校驗其短路分斷能力[1]，以確保高壓真空開關的額定短路分斷電流大于其最近點的三相短路電流。通常情況下，分斷能力校驗均是以開關額定短路分斷電流為準，然而受電網系統(tǒng)、運行環(huán)境、操作頻率等因素的影響，其實際分斷能力將小于額定短路分斷電流。2019年8月，李村煤礦發(fā)生一起負荷中心組合開關損壞事故，究其原因就是高壓真空開關斷路器短路分斷能力不足、拒分。實物對比如圖1所示。

圖1 負荷中心組合開關損壞前后對比圖

負荷中心通常放置在工作面巷道列車或地軌上，隨工作面回采，每7～10d移動一次，期間受巷道成型、單軌吊、地軌平直度等影響，時常伴隨有較強烈的顛簸、振動；負荷中心每15d至少做一次斷電試驗[2]，以檢驗甲烷閉鎖效果；工作面巷道淋水多，相對濕度大，檢修頻繁。總之，負荷中心高壓真空開關運行環(huán)境惡劣，操作頻繁且時常帶負荷分斷。

2 分斷能力分析

2.1 電網系統(tǒng)

當前，真空開關斷路器的額定分斷電流由交流分量的有效值表征，前提是觸頭分離時刻的直流分量不超過20%，衰減標準時間常數(shù)為45ms[3]。但隨著電力系統(tǒng)中發(fā)電機、變壓器容量增大、輸電網電壓等級提高以及快速切換裝置投入，各元件的X/R比值增大，致使短路電流直流分量百分數(shù)提高，衰減時間常數(shù)增大。經計算，直流分量衰減時間常數(shù)為45ms，假設快速切換裝置40ms分斷故障，直流分量含量仍高達41%，此時短路電流是交流分量和直流分量的疊加?？紤]直流分量影響后，斷路器實際分斷能力對應的交流分量數(shù)值I1與額定分斷電流I2的關系為：

式中，I1為斷路器分斷的交流分量有效值，kA；I2為斷路器額定分斷電流，kA；tm為斷路器最短分斷時間，ms；tn為直流分量衰減標準時間常數(shù)，ms；td為直流分量衰減實際時間常數(shù)，ms。可見，當直流分量衰減時間常數(shù)大于標準時間常數(shù)時，K<1，表明斷路器實際分斷能力低于斷路器額定分斷能力，直流分量衰減越慢，斷路器等效分斷能力下降越大[4]，大致為額定值的0.7～0.9。換言之，按短路電流交流分量校核斷路器分斷能力時，要留有10%～30%的安全裕度[5]。

2.2 斷路器結構

真空斷路器成功分斷的核心條件是確保介質恢復強度高于暫態(tài)電壓恢復強度，之所以采用高真空作為其滅弧介質和滅弧后觸頭間隙的絕緣介質就是因為高真空具有較高的絕緣強度。此外，影響分斷能力的諸多要素最終都變現(xiàn)為觸頭熔焊，而觸頭的損壞程度取決于電弧能量。

A=0.45Evlt2

(2)

式中，A為電弧能量，J；E為電弧電位梯度，V/m，在大電流范圍內可設為常數(shù)；l為動靜觸頭距離，m；v為觸頭速度m/s；t為燃弧時間，s?？芍谄渌麠l件一定的前提下，電弧能量隨燃弧時間顯著提高，當行程確定時，燃弧時間又取決于觸頭運動速度，尤其是剛分速度[6]。因此，研究真空斷路器的分斷能力，從某種意義上講就是設法增強介質絕緣強度，提高觸頭剛分速度。

2.2.1 觸頭

真空電弧是一種高溫等離子體，弧體溫度可到七八千度，斷路器頻繁分斷，尤其是帶負荷操作，會使觸頭表面變得凹凸不平。一方面會引起接觸電阻增大，溫度上升，形成惡性循環(huán)；另一方面這些凹凸缺陷會引起周圍電場分布不均，部分區(qū)域甚至會增強幾十倍，當電場強度達到一定值后極易引起場致發(fā)射、真空擊穿，降低真空開關的分斷能力[7]。

2.2.2 滅弧室

高壓真空開關分合閘振動信號為沖擊型非周期信號，分合閘瞬間運動觸頭的加速度可達500～1000g，運行速度急速上升，與靜觸頭碰撞產生的沖擊力帶動連桿與底座振動。運行中，滅弧室內動靜觸頭不斷分合，不斷承受機械應力的作用，久而久之將引起滅弧室內運動部件老化，氣密性降低，絕緣強度下降，進而導致開關的分斷能力降低。

2.2.3 分斷機構

剛分速度即兩觸頭分離時的瞬間速度。此時，動力主要有觸頭彈簧壓力、儲能彈簧拉力、分斷線圈勵磁力，阻力主要有永久磁體磁場力、各機械零件連接處的摩擦力、運動系統(tǒng)的重力等[8]。

1)觸頭彈簧。觸頭彈簧為壓簧，能夠保證開關合閘時動靜觸頭間的接觸壓力，大小符合胡克定律：

F=kx

(3)

式中，F(xiàn)為壓應力，N；k為彈性系數(shù)，N/m；x為壓縮量，m。

當斷路器分合閘，尤其是帶負載分合閘時，動靜觸頭間會產生高溫高壓電弧。高溫環(huán)境下，壓簧的材料內部組織激活能增加，位錯的滑移量增大，蠕變速率增加，且溫度越高，蠕變現(xiàn)象越顯著。材料蠕變將使其彈性系數(shù)下降，由式(3)可知，此時觸頭彈簧的壓應力減小，進而導致剛分速度下降[9]。楊茜[10]等試驗實測，隨著環(huán)境溫度的升高，斷路器的平均分斷速度同樣會下降，并且值得注意的是，斷路器常溫狀態(tài)25℃歷經兩個溫度等級的高溫試驗后，即使再回到初始溫度，其分斷速度比最初常溫時的速度減小了3.45%。

2)儲能彈簧。儲能彈簧為拉簧，因其功能簡單、可靠性高、維護工作量少等優(yōu)點，在斷路器中作為分斷動力被廣泛使用。開關運行中，儲能彈簧長期處于靜止的拉伸狀態(tài)，根據彈簧的應力松弛理論，在位移不變的情況下，隨著時間的延長，初載荷逐漸減小，即隨著時間的積累，分斷動力減小，斷路器的分斷性能會降低。黎小峰[11]等通過建立斷路器動力學仿真模型，測的ZN12型高壓斷路器分斷彈簧在服役12、24、48個月后，其應力松弛量分別為其初始值的4.4%、8.3%、14.7%；分斷完成時間由初始狀態(tài)的21ms，分別增加到23.4ms、25.7ms、30.1ms。

3)電容。 目前，高壓真空開關多為永磁操作機構，其分斷線圈的勵磁能量來自于電容器的電場儲能，通過向激磁線圈釋放能量，電能轉換為磁能，磁能再轉換成動觸頭的機械能。儲能電容器的參數(shù)直接影響著永磁操作機構真空斷路器的分合閘動態(tài)性能。張來福[12]通過對不同電容量的永磁操作機構進行性能測試，得到電容器容量減少時，分斷電流峰值減小，電壓減少較大，動觸頭分斷速度減低。

真空斷路器中的電容通常為電解電容，并且鋁電解電容居多，其電阻約占內部阻抗的50%以上。分合閘時的操作大電流可達20A，頻繁分合閘將加速電解液揮發(fā)，加快電解液中的溶劑和可溶物之間或者可溶物和可溶物之間化學反應，引起電解液的電導率降低，進而導致電容的等效串聯(lián)電阻變大，靜態(tài)容量變小。此外，負荷中心高壓真空開關與變壓器一體，開關內部溫度高于電容器額定工作溫度。著名電容器制造商紅寶石公司指出：在紋波電流一定的情況下，電解電容的工作環(huán)境溫度每升高10℃，使用壽命就會縮短50%[13]。總之，受環(huán)境溫度與電容器內部溫升的共同影響，負荷中心高壓真空斷路器的電容容量將縮小，壽命將縮短，分斷性能將逐漸降低。

4)電源電壓。斷路器控制回路通過電壓互感器(10kV/0.1kV)從主回路獲取能量。在控制回路中分成三路，一路直接給設備保護器供電，一路通過整流轉換為直流電為電容儲能，另一回路通過變壓器降壓、整流后連接到繼電器。當斷路器負荷側發(fā)生短路時，尤其是靠近開端處金屬性三相短路，巨大的電流會引起電壓互感器一、二次側電壓下降。趙鈺[14]依托故障模擬平臺，通過交流調壓器模擬控制回路的交流電壓，分別拾取100V、90V、70V時的斷路器分斷線圈響應時間，發(fā)現(xiàn)當交流電壓減小時，峰值電流減小，分斷線圈響應時間增加。短路電流越大，響應時間越長。

5)連桿機構。受負荷中心移動顛簸和頻繁分合閘操作時的振動沖擊雙重影響，斷路器內部機械連桿銜接處將發(fā)生偏移、卡澀、松動、變形等現(xiàn)象，這些缺陷均會增加觸頭運動阻力，降低剛分速度，減低分斷性能。

可見，隨著運行時間與分合閘操作次數(shù)的積累，高壓真空開關斷路器分斷能力會有所下降，加之電網直流分量的影響，其實際短路分斷電流遠小于額定短路開關電流。

3 優(yōu)化方案

3.1 科學設備選型

美國電氣和電子工程師協(xié)會指出[15]，考慮直流分量后，斷路器的分斷能力應大于實際計算三相短路電流周期分量值的1.25倍，保留25%的余量。此外，長期運行、頻繁操作，觸頭、滅弧室、分斷機構等部件磨損均易引起分斷能力下降，僅儲能彈簧應力松弛影響就可能大于5%。因此，在新設備購置時，斷路器的短路分斷電流要結合供電實際，并留有不少于30%的安全裕度。目前，礦用新型高壓真空開關研制時，將額定短路分斷電流由12.5kA升級到25kA正是處于安全裕度考慮[16]。

3.2 合理定值匹配

綜采工作面單個負荷中心高壓真空開關D2的電源通常直接引自采區(qū)變電所高壓配電裝置D1，即終端負荷只有一臺負荷中心，不存在總分關系。供電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 綜采工作面負荷中心供電系統(tǒng)圖

鑒于D1安裝固定，環(huán)境干燥，分合閘操作較少，分斷能力相對穩(wěn)定的特點，在定值匹配方面，可充分發(fā)揮其遠后備保護作用。D2投入速斷和過流保護，定值計算參考《煤礦井下供電的三大保護細則》。D1投入速斷和限時速斷保護。其中，D1的限時速斷定值為D2的速斷定值的1.1～1.2倍，動作時限為0.3～0.5s，D1的速斷定值由T2變壓器二次側三相短路時流過一次側的電流不小于1.5的靈敏度系數(shù)進行逆向計算[17]。此時，即使D2分斷能力不足、拒分，D1可及時切除故障。

3.3 完善試驗制度

電力設備預防性試驗規(guī)程指出，高壓真空斷路器一般在大修后才進行分、合閘時間測試[18]，周期相對較長。為及時掌握設備性能變化，應結合現(xiàn)場運行條件，制定更切合現(xiàn)場實際的試驗制度，明確試驗項目，測試周期等。山西省煤生字第761號文件規(guī)定，除新裝和大修外，運行中的高壓真空斷路器分、合閘時間測試周期為1～3a。

3.4 加強日常檢修

注重控制回路二次線緊固，操作連桿機構整型、潤滑等。

4 結 語

受電網系統(tǒng)和運行工況的共同影響，礦用負荷中心高壓真空開關的分斷能力將逐漸下降。實際供配電設計中，尤其是選用服役多年的舊設備時，不能簡單地將其額定短路分斷電流作為校驗依據，而是要保留不低于30%的安全裕度，并結合預防性試驗、保護匹配等因素綜合分析。