高壓斷路器弧觸頭接觸故障模擬及診斷技術(shù)研究

馬晨昱，丁惠敏

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2.云南電網(wǎng)曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 引言

SF6斷路器是利用SF6氣體作為滅弧介質(zhì)和絕緣介質(zhì)的一種斷路器，因其優(yōu)秀的滅弧性能，被廣泛地應(yīng)用在電力系統(tǒng)中，且設(shè)備的使用量在逐年遞增［1-3］。SF6斷路器在電力系統(tǒng)中處于至關(guān)重要的位置，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)對整個(gè)電網(wǎng)起著決定性的影響。觸頭系統(tǒng)是SF6斷路器的關(guān)鍵部件，由主觸頭和弧觸頭組成［4-6］。在斷路器合閘時(shí)，弧觸頭先合主觸頭后合，觸頭系統(tǒng)決定合閘過程中滅弧室內(nèi)的電場分布；在斷路器分閘時(shí)，主觸頭先分，弧觸頭后分，觸頭系統(tǒng)影響開斷過程中氣缸的初始壓氣量，弧觸頭主要承擔(dān)關(guān)合和開斷電流的責(zé)任，故觸頭系統(tǒng)狀態(tài)的好壞直接影響斷路器的性能和使用壽命［7-9］。

目前，運(yùn)維人員主要利用回路電阻測量評估已投運(yùn)的SF6斷路器觸頭系統(tǒng)狀態(tài)［10-12］，但回路電阻不能反映弧觸頭運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不能判斷弧觸頭磨損情況，不能全方位評估斷路器觸頭狀態(tài)［13-15］。故研究人員研究測量SF6斷路器動(dòng)態(tài)接觸電阻，以能全面掌握SF6斷路器關(guān)合和開斷過程中回路電阻全過程的變化量，從而反映SF6斷路器觸頭系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)［16-18］。例如，SF6斷路器在裝配的過程會(huì)出現(xiàn)觸頭系統(tǒng)不對中，從而影響滅弧室內(nèi)電場分布和觸頭系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性；運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)觸頭系統(tǒng)振動(dòng)導(dǎo)致弧觸頭表面燒蝕嚴(yán)重，最終影響使用壽命；SF6斷路器長期運(yùn)行觸頭系統(tǒng)中的弧觸頭形狀會(huì)發(fā)生變化，如果不及時(shí)掌握，會(huì)影響SF6斷路器開斷性能［19-21］。以上出現(xiàn)的不良狀態(tài)，通過測量SF6斷路器動(dòng)態(tài)接觸電阻都能很好地反映出來。

1 試驗(yàn)平臺和方案

SF6斷路器動(dòng)態(tài)接觸電阻測量原理如圖1所示，將一個(gè)大電流源串聯(lián)在斷路器觸頭回路中，操作斷路器進(jìn)行合分，回路中會(huì)產(chǎn)生大電流（100 A以上），記錄整個(gè)動(dòng)作過程中回路中的電流、斷路器斷口兩端電壓和斷路器行程曲線。利用U/I 得到斷路器全過程動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線，并結(jié)合行程曲線，可以了解斷路器運(yùn)動(dòng)過程中接觸電阻的變化曲線。

圖1 動(dòng)態(tài)接觸電阻測量原理圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic contact resistance measurement

選用110 kV GIS斷路器作為弧觸頭接觸故障模擬試驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)示意圖如圖2 所示。斷路器觸頭行程120 mm，弧觸頭接觸行程24±3 mm，主觸頭接觸行程12 mm，合閘時(shí)間不大于100 ms，分閘時(shí)間25～37 ms，合閘速度2.5～3.5 m/s，分閘速度4.5～5.5 m/s，合閘同期5 ms，分閘同期3 ms。

圖2 樣機(jī)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the prototype

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不對中模擬試驗(yàn)

弧觸頭不對中模擬試驗(yàn)?zāi)M斷路器滅弧室弧觸頭裝配不對中情況，通過改變靜弧觸頭與靜支板配合定位槽的位置模擬的弧觸頭不對中3 種狀態(tài)，分別偏移中心軸線0 mm、0.2 mm 和0.5 mm，如表1 所示。每種狀態(tài)下測量10次動(dòng)態(tài)接觸電阻，然后進(jìn)行比較。

對3種情況下多次測量的動(dòng)態(tài)電阻進(jìn)行平均值擬合，并將3 種情況的曲線進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3。對使用工裝正常安裝的對中產(chǎn)品進(jìn)行測試，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1mm 及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為372 μΩ。更換弧觸頭為表1 中不對中1情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為13.9 mm及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為384 μΩ。更換弧觸頭為表1中不對中2情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為11.9 mm及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為453 μΩ。

表1 弧觸頭不對中狀態(tài)表Table 1 State table of arc contact misalignment

圖3 弧觸頭不同偏心距離動(dòng)態(tài)接觸電阻比較曲線圖Fig.3 Comparison curve of dynamic contact resistance of arc contacts with different eccentric distances

通過圖3 可以知道：1）隨著不對中情況越來越嚴(yán)重，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差越來越小，靜弧觸頭偏心0.5 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.2 mm。2）隨著不對中情況越來越嚴(yán)重，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值越來越大，靜弧觸頭偏心0.5 mm，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻值平均大了81 μΩ。

2.2 弧觸頭接觸不良試驗(yàn)方案

靜弧觸頭螺絲松動(dòng)模擬試驗(yàn)?zāi)M斷路器弧觸頭接觸不良情況，通過改變靜弧觸頭底座的固定螺栓緊固狀態(tài)實(shí)現(xiàn)斷路器弧觸頭接觸不良模擬，分3 種狀態(tài)如表2 所示。通過力矩扳手改變每種固定螺栓緊固狀態(tài)，測量10次動(dòng)態(tài)接觸電阻，然后進(jìn)行比較。

對3種情況下多次測量的動(dòng)態(tài)電阻進(jìn)行平均值擬合，并將3 種情況的曲線進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4。對固定螺栓緊固狀態(tài)產(chǎn)品進(jìn)行測試，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1 mm及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為372 μΩ。更換弧觸頭為表2 中扭矩40 N·m情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為15.1 mm及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為443 μΩ。更換弧觸頭為表2中松脫1 mm情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻測量，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差為18.9 mm及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值為593 μΩ。

圖4 弧觸頭緊固狀態(tài)不同動(dòng)態(tài)接觸電阻比較曲線圖Fig.4 Curves of comparison of dynamic contact resistances in different tightening states of arc contacts

表2 弧觸頭接觸不良狀態(tài)表Table 2 Bad contact state of arc contact

通過圖4可以知道：1）隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態(tài)到松脫1 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差增大了3.8 mm。2）隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態(tài)到松脫1 mm，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均大了221 μΩ。

3 診斷方法的具體應(yīng)用

根據(jù)試驗(yàn)研究趨勢并結(jié)合斷路器生產(chǎn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了基于動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線測量的高壓斷路器弧觸頭接觸故障診斷技術(shù)，采用斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值診斷斷路器弧觸頭狀態(tài)，主要診斷方法如下［22-24］：

1）對某一廠家某一型號某一電壓等級斷路器新出廠產(chǎn)品進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線測試，記錄其弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值。

2）通過10臺以上的測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合斷路器設(shè)計(jì)參數(shù)，制定該種斷路器基于動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線測量弧觸頭接觸故障診斷基準(zhǔn)參量，主要包括斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值及動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線圖3個(gè)方面。

3）對已投運(yùn)斷路器，停電檢修時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線測量，測得斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值，并與弧觸頭接觸故障診斷基準(zhǔn)參量進(jìn)行比較［25-27］：

①如果超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值大于基準(zhǔn)參量的20%，該斷路器需要重點(diǎn)關(guān)注，其后續(xù)停電檢修測量有繼續(xù)增大的趨勢，需對滅弧室進(jìn)行檢修；如果超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值大于基準(zhǔn)參量的50%，對滅弧室進(jìn)行檢修。

②如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準(zhǔn)參量的10%該斷路器需要重點(diǎn)關(guān)注，其后續(xù)停電檢修測量有繼續(xù)增大的趨勢，需對滅弧室進(jìn)行檢修；如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準(zhǔn)參量的20%，對滅弧室進(jìn)行檢修。

4）對于新組裝斷路器，裝配好后進(jìn)行動(dòng)態(tài)接觸電阻曲線測量，測得斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差及超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值，并與弧觸頭接觸故障診斷基準(zhǔn)參量進(jìn)行比較［28-30］：

①如果超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值大于基準(zhǔn)參量的20%，該斷路器需要重新裝配弧觸頭。

②如果弧觸頭和主觸頭的超程差大于基準(zhǔn)參量的30%重新裝配弧觸頭。

4 結(jié)語

本文對高壓斷路器弧觸頭接觸故障進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究，主要包括弧觸頭不對中和弧觸頭接觸不良兩種情況，具體研究結(jié)論如下：

1）弧觸頭不對中模擬試驗(yàn)：隨著不對中情況越來越嚴(yán)重，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差越來越小，靜弧觸頭偏心0.5 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.2 mm；隨著不對中情況越來越嚴(yán)重，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均值越來越大，靜弧觸頭偏心0.5 mm，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻平均大了81 μΩ。

2）弧觸頭接觸不良模擬試驗(yàn)：隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態(tài)到松脫1 mm，斷路器弧觸頭和主觸頭的超程差減小了3.8 mm；隨著固定螺栓越來越松，固定螺栓從緊固狀態(tài)到松脫1 mm，超程差區(qū)域的動(dòng)態(tài)接觸電阻值平均大了221 μΩ。