126 kV斷路器觸頭燒蝕故障分析及措施

馬飛越，李寧，馬青，李辛，陳磊，白濤

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750011；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司銀川供電公司，寧夏 銀川750011；3.國網(wǎng)寧夏電力有限公司石嘴山供電公司，寧夏 石嘴山 753000)

0 引 言

斷路器作為變電站中最重要的設(shè)備之一，是應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)中多種任務(wù)和需求的開關(guān)裝置，能夠在正常運(yùn)行條件下關(guān)合、持續(xù)承載和開斷額定電流，也能關(guān)合在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載和開斷不超過其指定的額定短路電流值的所有電流[1-3]。瓷柱式斷路器屬于外殼帶電的斷路器，具有處于高電位的滅弧室外殼，相較于罐式斷路器具有成本低，對(duì)安裝空間的要求小，滅弧介質(zhì)的用量更小的特點(diǎn)[4-6]。在合閘位置時(shí)，斷路器近似看作理想導(dǎo)體；在分閘位置時(shí)，斷路器看作理想絕緣體。在電網(wǎng)中某個(gè)地點(diǎn)發(fā)生短路的情況下，斷路器在電流開斷的時(shí)刻需要觸頭間隙的電導(dǎo)率在很短的時(shí)間內(nèi)下降13至15個(gè)數(shù)量級(jí)，是電力系統(tǒng)保護(hù)鏈中的最后環(huán)節(jié)，在運(yùn)行可靠性方面必須滿足非常高的要求[7-8]。

本文針對(duì)一起126 kV瓷柱式斷路器滅弧室內(nèi)部觸頭燒蝕故障，從設(shè)備故障情況、現(xiàn)場檢查及理論計(jì)算分析，確定故障原因，并制定對(duì)應(yīng)的排查措施以避免類似故障發(fā)生。

1 斷路器故障情況

1.1 故障基本情況

2019年12月22日，某220 kV變電站126 kV斷路器帶負(fù)荷運(yùn)行(最大電流約430 A)6 min后，后臺(tái)保護(hù)顯示系統(tǒng)出現(xiàn)零序電流，A、B相電流正常，C相電流斷斷續(xù)續(xù)，故障持續(xù)時(shí)間2 097 ms后，保護(hù)動(dòng)作跳閘，A、B相開斷成功，C相電流仍然存在，持續(xù)時(shí)間約400 ms。故障錄波如圖1所示，圖中通道53表示A相電流，通道54表示B相電流，通道55表示C相電流，通道56表示零序電流。斷路器退出運(yùn)行后進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)斷路器合閘位置時(shí)C相無法測出回路電阻，且分、合閘時(shí)間測試顯示C相無數(shù)值。

1.2 故障斷路器解體情況

對(duì)該變電站C相故障斷路器進(jìn)行現(xiàn)場解體檢查，拆解后照片如圖2、圖3所示，拆解顯示本體內(nèi)部傳動(dòng)無明顯異常，傳動(dòng)連桿及連接軸銷正常。滅弧室內(nèi)部燒蝕嚴(yán)重，其中動(dòng)主觸頭及靜主觸頭接觸部位邊沿已熔化成不規(guī)則卷曲狀，靜弧觸頭內(nèi)部固定連接支撐件已熔斷，靜弧觸頭掉落在滅弧室內(nèi)部。

圖1 斷路器故障錄波

圖2 本體內(nèi)部傳動(dòng)連接情況

圖3 滅弧室觸頭燒蝕情況

2 故障原因分析

通過故障錄波情況顯示C相斷路器電流在運(yùn)行過程中出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，斷路器分閘后仍出現(xiàn)電流，可將該斷路器故障電流分為4個(gè)階段：

第一階段，斷路器內(nèi)部觸頭燒蝕后未可靠接觸，正常運(yùn)行條件下C相斷路器未流過負(fù)荷電流，該階段出現(xiàn)零序電流，持續(xù)時(shí)長850 ms；

第二階段，C相斷路器出現(xiàn)間歇性的電流，零序電流出現(xiàn)間歇性，持續(xù)時(shí)間1 240 ms；

第三階段，斷路器再次出現(xiàn)電流為零情況，并持續(xù)1 105 ms，此時(shí)斷路器零序過流保護(hù)動(dòng)作；

第四階段，斷路器分閘動(dòng)作后，C相斷路器再次出現(xiàn)電流，電流持續(xù)時(shí)間約400 ms。

從現(xiàn)場解體情況可以看出，斷路器滅弧室內(nèi)部動(dòng)主觸頭、靜主觸頭及靜弧觸頭支架燒蝕較為嚴(yán)重。結(jié)合故障錄波過程分析，可以確認(rèn)該故障斷路器滅弧室主觸頭未可靠接觸，導(dǎo)致電流開始從弧觸頭流通，正常運(yùn)行時(shí)斷路器負(fù)荷電流較小，由于弧觸頭未有效接觸時(shí)電阻較大，當(dāng)負(fù)荷電流增大后長期運(yùn)行，斷路器持續(xù)發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致觸頭燒蝕。

結(jié)合斷路器負(fù)荷電流變化情況分析，斷路器正常運(yùn)行時(shí)觸頭接觸不良缺陷一直存在，主觸頭未有效接觸且動(dòng)靜弧觸頭接觸不良，一直在發(fā)熱運(yùn)行，但負(fù)荷電流不大，發(fā)熱量較小。當(dāng)12月22日負(fù)荷突然增大時(shí)(電流約430 A，持續(xù)6 min)，發(fā)熱加劇導(dǎo)致靜弧觸頭固定座燒損脫落無法通流，即出現(xiàn)第一階段情況。第二階段電流轉(zhuǎn)移到主觸頭，因動(dòng)靜主觸頭未可靠接觸，主觸頭之間開始放電拉弧燒蝕，電流出現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的情況，即第二階段情況。主觸頭本身處于虛接狀態(tài)，并經(jīng)燒蝕后無電流通路，導(dǎo)致零序電流保護(hù)啟動(dòng)，即第三階段，在2 097 ms后保護(hù)啟動(dòng)跳閘，錄波圖顯示A、B相開斷成功。第四階段，C相斷路器在跳閘后經(jīng)過一段時(shí)間電流出現(xiàn)復(fù)燃，電流復(fù)燃的原因初步分析是由于主觸頭之間電弧燒蝕產(chǎn)生的高溫熔融物噴濺，使斷口出現(xiàn)了間歇性擊穿。斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)如圖4所示，斷路器觸頭具體燒蝕情況見圖5、圖6。

圖4 斷路器滅弧室結(jié)構(gòu)

圖5 靜弧觸頭燒斷

圖6 主觸頭燒蝕部位

從圖5、圖6可以看出斷路器弧觸頭燒蝕及主觸頭燒蝕均在觸頭接觸不良狀態(tài)通流發(fā)熱產(chǎn)生，解體檢查斷路器機(jī)構(gòu)、連桿等傳動(dòng)部件正常，可見該斷路器內(nèi)部觸頭配合調(diào)整不到位引起觸頭插入深入不足。經(jīng)調(diào)查該臺(tái)產(chǎn)品于故障兩年前更換過機(jī)構(gòu)，分、合閘時(shí)間及回路電阻測試正常，未進(jìn)行超行程測試，導(dǎo)致觸頭未可靠接觸是觸頭燒蝕的根本原因。斷路器主觸頭由于該線路正常情況下負(fù)荷較小，正常運(yùn)行條件下負(fù)荷電流約為100 A，導(dǎo)致該缺陷未能及時(shí)暴露，電流增大后缺陷暴露，是觸頭燒蝕的誘因。

該型斷路器產(chǎn)品超行程技術(shù)要求有一個(gè)公差范圍，每臺(tái)產(chǎn)品出廠數(shù)據(jù)并不完全一致，因此斷路器更換機(jī)構(gòu)后必須要重新進(jìn)行超行程測試，若測試結(jié)果不滿足技術(shù)要求，需要重新調(diào)整匹配。該型斷路器產(chǎn)品的超行程技術(shù)要求如表1所示。

表1 超行程技術(shù)要求

通過表1可以看出觸頭超行程沒有進(jìn)行測試時(shí)，無法保證主觸頭接觸行程滿足技術(shù)要求，該斷路器主觸頭接觸行程僅為5～8 mm，斷路器設(shè)備更換機(jī)構(gòu)后僅進(jìn)行回路電阻測試，但由于觸頭輕微接觸時(shí)回路電阻未見明顯異常，隨著設(shè)備動(dòng)作后振動(dòng)等作用造成觸頭出現(xiàn)接觸不良情況。

當(dāng)動(dòng)靜弧觸頭接觸不良時(shí)，其觸頭接觸部位存在接觸電阻，接觸電阻等于收縮電阻和表面膜電阻之和，通流回路總電阻為導(dǎo)體電阻與接觸電阻之和[9-10]，則斷路器滅弧室觸頭部位的熱源主要來自于導(dǎo)電回路產(chǎn)生的焦耳熱損耗Q。

Q=KfI2Rt

(1)

式中：Kf—考慮交變電流的集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)電阻影響的附加損耗系數(shù)；

I—回路電流；

R—回路總電阻；

t—通流時(shí)間。

如果斷路器觸頭所有焦耳熱均被導(dǎo)電回路吸收，短時(shí)間內(nèi)不考慮熱交換情況，按照弧觸頭導(dǎo)電回路單相導(dǎo)體金屬材質(zhì)質(zhì)量計(jì)算，其中弧觸頭回路電流沿著弧觸頭接觸部位，流過弧觸頭支撐座與整個(gè)滅弧室導(dǎo)體相連?；∮|頭接觸不良時(shí)回路總電阻2 mΩ,短時(shí)間通流時(shí)間60 s。當(dāng)電流由100 A增大至400 A后，由于靜弧觸頭質(zhì)量較大，而弧觸頭支撐座固定材料及金屬鋁材質(zhì)量較小，計(jì)算該連接部位溫升可達(dá)到420 K，溫度超出支撐材料熔點(diǎn)后熔斷并造成支撐座燒損后弧觸頭脫落；因此，該126 kV斷路器觸頭燒蝕原因?yàn)閿嗦菲鞲鼡Q機(jī)構(gòu)后未按要求開展行程曲線測試，斷路器觸頭超程不滿足要求，導(dǎo)致觸頭接觸不良，當(dāng)負(fù)荷電流突增后，觸頭部位發(fā)熱導(dǎo)致滅弧室燒蝕故障。

3 治理措施

為避免此類故障，保障該型斷路器同批次更換機(jī)構(gòu)后觸頭狀態(tài)滿足運(yùn)行要求，對(duì)同型號(hào)斷路器開展行程曲線測試，對(duì)某變電站9臺(tái)斷路器進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)其中3臺(tái)斷路器超程數(shù)據(jù)不滿足技術(shù)要求，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 斷路器超程測試數(shù)據(jù)

從表2可以看出3臺(tái)斷路器超程數(shù)據(jù)小于技術(shù)要求的25～28 mm。超程也叫超行程，即動(dòng)、靜觸頭接觸后，機(jī)構(gòu)將繼續(xù)超行程運(yùn)動(dòng)，超出動(dòng)靜觸頭位置的那部分。如超程數(shù)據(jù)偏下，即斷路器合閘后觸頭的插入深度不足，與該站觸頭燒蝕斷路器故障原因一致，因此制定治理措施對(duì)不滿足要求斷路器調(diào)整斷路器機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部位行程，并開展行程曲線測試，確保調(diào)節(jié)后狀態(tài)正常。以表2中斷路器3為例，調(diào)整前該斷路器超程23.4 mm，如圖7中2條虛線間縱坐標(biāo)的插值。調(diào)整后斷路器合閘行程曲線如圖8所示，2條虛線見縱坐標(biāo)的差值為26.2 mm，調(diào)整后斷路器所有參數(shù)滿足技術(shù)要求規(guī)定。

圖7 斷路器3調(diào)整前合閘行程曲線

圖8 斷路器3調(diào)整后合閘行程曲線

4 結(jié) 論

1)通過斷路器錄波波形分析、現(xiàn)場解體檢查及理論計(jì)算分析，結(jié)合斷路器觸頭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析確定了斷路器觸頭接觸不良是燒蝕故障的根本原因。

2)更換機(jī)構(gòu)后的斷路器應(yīng)按要求開展分/合閘時(shí)間測試，回路電阻測試，觸頭行程和超行程測試，分/合閘速度測試，分/合閘時(shí)間線圈電流波形測試，確保斷路器狀態(tài)滿足運(yùn)行要求。

3)加強(qiáng)設(shè)備缺陷管理，針對(duì)性開展缺陷排查治理，可有效杜絕同批次設(shè)備同類型缺陷引發(fā)設(shè)備故障。