某大型發(fā)電機(jī)斷路器直阻測量異常原因分析

馬榮亮，楊樹鋒，冉 帥

（中國長江電力股份有限公司 溪洛渡電廠，云南 昭通 657300）

0 引言

近年來國內(nèi)新建的大型水電站普遍采用發(fā)電機(jī)—變壓器單元接線方式。為適應(yīng)機(jī)組的開、停機(jī)操作，減少高壓斷路器的操作次數(shù)，增加電廠運(yùn)行調(diào)度的靈活性，滿足發(fā)電機(jī)-變壓器單元實(shí)現(xiàn)快速短路保護(hù)以及在發(fā)電機(jī)側(cè)進(jìn)行同期操作的要求[1]，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)斷路器(發(fā)電機(jī)斷路器，genemtor circuit breaker，簡稱GCB)。相較于普通高壓斷路器，GCB額定電流大，因此對GCB的電接觸可靠性提出了很高的要求[2-3]。

某水電廠設(shè)備檢修時(shí)，GCB預(yù)防性試驗(yàn)出現(xiàn)了C相回路電阻測試結(jié)果異常，現(xiàn)場測量回路電阻值超過了設(shè)備廠家規(guī)定值。針對回路電阻測試結(jié)果異常，結(jié)合設(shè)備檢查情況，筆者對測試結(jié)果異常的原因進(jìn)行了分析。

1 GCB回路電阻異?，F(xiàn)象

某水電站GCB投運(yùn)后，根據(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中相關(guān)規(guī)定，定期對GCB使用直流壓降法進(jìn)行回路電阻測試。2020年12月試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某臺斷路器C相的回路電阻超規(guī)定值，廠家設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中要求斷路器與隔離開關(guān)的總回路電阻要不大于5 μΩ。

斷路器上次回路電阻的測量結(jié)果均合格。為查找本次回路電阻異常原因，對斷路器進(jìn)行了開蓋檢查，采用內(nèi)窺鏡對斷路器傳動(dòng)系統(tǒng)、主觸頭、弧觸頭、轉(zhuǎn)動(dòng)絕緣子等部位進(jìn)行了詳細(xì)檢查。均未發(fā)現(xiàn)明顯影響回路電阻的問題。

表1 GCB回路電阻測量結(jié)果

檢查后采用手動(dòng)慢速合閘，斷路器C相回路電阻測量值為3.5 μΩ。采用常規(guī)的電動(dòng)操作合閘，斷路器C相回路電阻測量值均不合格。

表2 不同操作方式下C相回路電阻測量結(jié)果

斷路器回路電阻測試與試驗(yàn)電流大小、通流時(shí)間有很大關(guān)系。單純小電流、短時(shí)間條件下測量阻值超標(biāo)不能就貿(mào)然判定斷路器發(fā)生故障[4-8]。但大型發(fā)電機(jī)出口斷路器現(xiàn)場不具備通交流大電流后測量回路電阻的條件。因此需要對回路電阻測量異常原因進(jìn)行分析，對設(shè)備進(jìn)行更全面的檢查。

2 回路電阻增大影響因素分析

此型斷路器額定電流為25 kA，機(jī)組額定功率斷路器運(yùn)行電流約20.8 kA，斷路器回路電阻增大可能會引起主回路發(fā)熱增加，影響設(shè)備的安全運(yùn)行。通常接觸點(diǎn)的溫升可由式（1）計(jì)算：

式中：Ik—通流大小（A）；Rj—接觸電阻（Ω）；L—系數(shù)，通常取值 2.4×10-8（V2/K2）；T—觸頭的平均溫度（K）。

由上式可知，觸點(diǎn)的溫升與接觸電阻的平方成正比，若接觸電阻增大，觸頭發(fā)熱將導(dǎo)致電阻進(jìn)一步增大，形成惡性循環(huán)，因此回路電阻的增大存在斷路器溫升超過標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)險(xiǎn)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)分析斷路器回路電阻為導(dǎo)電回路的接觸電阻。GCB主導(dǎo)電回路為線接觸，采用自力型觸頭。接觸電阻由接觸表面的收縮電阻與接觸表面電阻兩部分組成[9-10]。影響接觸電阻的綜合因素經(jīng)驗(yàn)公式見公式（2）：

式中：Rj—接觸電阻（μΩ）；Fj—接觸壓力（N）；Kc—材料表面狀況系數(shù)，接觸面均為銅鍍銀時(shí)取值為80；m—接觸形式相關(guān)系數(shù)，線接觸取值0.7。

運(yùn)行中的GCB的電接觸點(diǎn)，其接觸電阻有可能變化，尤其是在有電弧產(chǎn)生的滅弧室的主觸頭，其變化更加明顯。

水電站機(jī)組參與電網(wǎng)調(diào)峰，發(fā)電機(jī)斷路器操作次數(shù)多，根據(jù)統(tǒng)計(jì)此臺GCB投運(yùn)以來，總操作次數(shù)1 000余次，未開斷過短路電流。GCB的操作可能造成觸頭機(jī)械磨損、電弧燒蝕、化學(xué)分解物腐蝕和污染[11-14]，從而影響GCB觸頭性能。

綜合分析可能造成接觸電阻增加的原因包括[15-17]：①電弧高溫?zé)g，弧觸頭接觸表面的接觸電阻增加；②主觸頭在短路開斷電流的轉(zhuǎn)移過程中可能出現(xiàn)熔疤而增加接觸電阻；③主導(dǎo)電回路的滑動(dòng)觸頭在短路開斷過程中因操作振動(dòng)引起的接觸點(diǎn)彈跳而動(dòng)態(tài)接觸不良可能出現(xiàn)熔疤；④電弧分解物附著在中間觸頭的接觸面上引起接觸電阻增大，導(dǎo)致短路開斷過程中或動(dòng)熱穩(wěn)定電流試驗(yàn)時(shí)中間觸頭的某些接觸點(diǎn)產(chǎn)生熔疤；⑤中間滑動(dòng)觸頭的接觸點(diǎn)在滑動(dòng)過程中卡入絕緣的電弧分解物，使接觸電阻增大。對于水平位置的中間滑動(dòng)觸頭，因觸頭自重導(dǎo)致某些接觸點(diǎn)的接觸壓力減小，出現(xiàn)觸點(diǎn)卡入電弧分解物可能性更大。

3 解體檢查情況

為確定GCB回路電阻異常的原因，此設(shè)備返廠解體檢查。解體過程對可能影響回路電阻的各類因素進(jìn)行逐項(xiàng)檢查，觸頭表面平整，未發(fā)現(xiàn)熔疤。觸指壓力未發(fā)現(xiàn)明顯異常。導(dǎo)電環(huán)上、觸指與導(dǎo)電環(huán)的接觸面上布滿了一層黑色粉末狀污染物。GCB解體檢查時(shí)觸頭情況如圖1、圖2所示：

圖1 觸指上的黑色污染物圖

圖2 靜觸頭（導(dǎo)電環(huán)）表面污染物

清除導(dǎo)電環(huán)及觸指上的黑色物質(zhì)前后，測量回路電阻測量結(jié)果如表3所示：

表3 斷路器清潔前后回路電阻測量結(jié)果

4 原因分析

根據(jù)斷路器解體檢查情況及斷路器導(dǎo)電環(huán)、觸指清理前后回路電阻測量數(shù)據(jù)分析，影響接觸電阻的主要因素為表面膜電阻，接觸電阻由兩部分組成，即收縮電阻和表面膜電阻[18-19]。根據(jù)收縮電阻特性，在導(dǎo)電環(huán)表面平整度、觸指壓力未發(fā)生明顯變化的情況下基本不變。表面膜電阻為在電接觸的接觸面上，由于污染而覆蓋著一層導(dǎo)電性很差的物質(zhì)。

滅弧室內(nèi)的黑色物質(zhì)具有絕緣特性，黑色污染物（包括硫化物和氟化物）與斷路器內(nèi)所涂抹的VP980潤滑脂混合后造成導(dǎo)電脂稠度和粘性的變化。斷路器采取不同合閘方式時(shí)，不同的速度夾角下導(dǎo)致潤滑脂的膜厚度的差異[20-21]。接觸電阻隨膜厚的增加而增加。污染物與潤滑脂膜厚度的差異造成斷路器未解體檢修前，電動(dòng)操作合閘、手動(dòng)慢速合閘兩種操作方式下膜電阻的差異導(dǎo)致回路電阻的不同。

5 結(jié)論

本文通過對某發(fā)電機(jī)斷路器在不同操作合閘方式下主回路電阻測量值出現(xiàn)異常后，綜合設(shè)備解體檢查處理情況，對產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）GCB回路電阻測試結(jié)果異常的主要原因?yàn)橹饔|頭上附著了一層黑色燃弧產(chǎn)物，在不同的操作方式下膜電阻不同而導(dǎo)致。

（2）黑色燃弧產(chǎn)物與潤滑（導(dǎo)電）脂的混合物在高溫、大電流情況下的絕緣特性尚未有明確的研究結(jié)論。設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)導(dǎo)電回路膜電阻的變化以及是否會導(dǎo)致導(dǎo)電接觸面狀態(tài)的變化不明確的情況下，斷路器回路電阻增大時(shí)需要及時(shí)采取措施，消除設(shè)備隱患。