500 kV斷路器滅弧室電壽命評估技術(shù)研究

李 東，尹 啟

（南方電網(wǎng)超高壓輸電公司曲靖局，云南 曲靖655000）

0 簡介

斷路器的運(yùn)行狀態(tài)通常由其電壽命決定，在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，斷路器頻繁開斷以及斷路器開斷次數(shù)達(dá)到上限時(shí)，需要針對斷路器開展檢修工作，分析觸頭的磨損量［1-2］。同時(shí)，系統(tǒng)反措中也有要求，需校核斷路器本身開斷短路電流能力是否符合運(yùn)行的要求，針對多次開斷短路電流的斷路器，評估其對滅弧室電氣性能的累計(jì)效應(yīng)［3-4］。

當(dāng)前，電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，然而系統(tǒng)的阻抗相對逐漸降低，如果系統(tǒng)出現(xiàn)短路情況，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重大的破壞，并且，這種短路電流加重了斷路器電弧燒蝕的累積效應(yīng)［5-6］。其中，交流濾波器斷路器大量投入使用，由于電網(wǎng)負(fù)荷的改變，引起斷路器工作狀態(tài)的不停改變，特別是系統(tǒng)中的容性負(fù)載，降低了滅弧室弧觸頭的使用壽命［7-10］。

為了體現(xiàn)斷路器的開斷水平，在額定短路電流的情況下，斷路器能夠投切的次數(shù)，采用這種實(shí)驗(yàn)的方式，測定斷路器的電氣壽命［11-14］。當(dāng)斷路器進(jìn)行投切操作時(shí)，會發(fā)生電弧燒蝕的現(xiàn)象，在電弧的作用下，觸頭表面不斷遭到破壞，這種情況稱為電磨損［15-16］，影響電磨損的因素主要有滅弧室的結(jié)構(gòu)、投切電流、投切速度和電弧持續(xù)時(shí)間等［17-18］。

目前，對斷路器滅弧室觸頭接觸狀態(tài)非解體式的評估方法主要有四種，分別是［19-20］：1）靜態(tài)電阻測量法；2）N-Ib壽命曲線分析技術(shù)；3）觸頭超程時(shí)間建模技術(shù)；4）動態(tài)電阻測量法。在斷路器運(yùn)行過程中，會形成一定的電弧，由于電弧的作用，使得斷路器滅弧室的觸頭和噴口表面出現(xiàn)一定的損壞，隨著斷路器的操作次數(shù)的增加，便形成了電弧的累積效應(yīng)，造成永久的損壞。于是，本文通過分析斷路器滅弧室的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)定量分析斷路器工作電壽命的目的，有利于斷路器運(yùn)行狀態(tài)的評估，從而提出準(zhǔn)確有效的檢修措施。大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，影響斷路器滅弧室的電壽命主要有兩個方面：弧觸頭和噴口。本文根據(jù)這兩個方面的工作狀態(tài)，提出了相應(yīng)的試驗(yàn)檢測技術(shù)和評估方法。

1 試驗(yàn)樣機(jī)及其材料選擇

本文選擇的試驗(yàn)樣機(jī)為具有CYA4液壓彈簧操動機(jī)構(gòu)的500 kV瓷柱式LW15-550型斷路器，主觸頭選擇模式為銅鍍銀合金，弧觸頭采用的是CuW70合金，斷路器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。滅弧室采用單壓式、變開距雙向吹弧熄弧，壓氣缸在操作機(jī)構(gòu)的帶動下在其內(nèi)部產(chǎn)生高壓的SF6氣體，高速流過噴口，將在動、靜弧觸頭之間產(chǎn)生的電弧熄滅，在開斷大電流時(shí)利用電流本身能量產(chǎn)生的膨脹作用實(shí)現(xiàn)熄弧效果，在開斷小電流時(shí)，直接利用壓氣效應(yīng)熄弧。滅弧室內(nèi)正常載流主觸頭與弧觸頭分離，保證了斷路器的電壽命和可靠性，單斷口結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，布置緊湊，安全性和可靠性進(jìn)一步提高。其中，動觸頭使用的材料為Φ170×17.5鉻青銅管QCr0.5，靜觸頭使用的材料為210×30鉻青銅管QCr0.5，動弧觸頭和靜弧觸頭使用的材料為銅鎢合金CuW70/鉻銅QCr0.5，中間觸頭使用的材料為鉻青銅QCr0.5，噴口使用的材料為聚四氟乙烯F4+7%BNφ35/φ 110×190。

圖1 斷路器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the arc extinguishing chamber of the test prototype

因?yàn)閿嗦菲魍肚羞^程產(chǎn)生的電弧會燒蝕表面材料，從而引起材料的電磨損，斷路器表面材料一共需要經(jīng)歷3個時(shí)期，依次為老煉時(shí)期、穩(wěn)定時(shí)期與失效時(shí)期［21-24］。影響表面材料性能最關(guān)鍵的時(shí)期是穩(wěn)定時(shí)期，當(dāng)材料中的Cu元素與W元素配比合理，才能增加表面材料運(yùn)行的穩(wěn)定時(shí)期［25-27］。

2 斷路器滅弧室觸頭性能試驗(yàn)研究

斷路器滅弧室的觸頭運(yùn)動階段能夠當(dāng)成是由四個重要階段組成，依次為合閘階段、主觸頭分離階段、弧觸頭分離階段和分閘階段［28-30］。經(jīng)由動態(tài)電阻測量技術(shù)，能夠分析動靜弧觸頭的表面情況與長度情況，如圖2所示。該技術(shù)選擇測量斷路器弧觸頭的電阻變化值，也就是伏安值，進(jìn)行分析。通過建立斷路器弧觸頭運(yùn)動模型，當(dāng)斷路器處于分閘狀態(tài)時(shí)，分析這個時(shí)期電阻值，同時(shí)，考慮斷路器自身特點(diǎn)，便能夠獲得斷路器分閘狀態(tài)觸頭的準(zhǔn)確狀態(tài)。還能夠分析出不同阻值時(shí)，觸頭運(yùn)動長度，這種情況可以定義為有效接觸電阻位移。

圖2 動態(tài)電阻測試儀接線圖Fig.2 Wiring diagram of dynamic resistance tester

通過采用不同的試驗(yàn)電流，測試斷路器的動態(tài)電阻，230 mm到220 mm為斷路器的靜觸頭銅鉻段，220 mm到205 mm為斷路器的銅鎢段，205 mm到195 mm為動觸指摩擦靜觸頭倒角部分。斷路器的動觸頭觸指內(nèi)部接觸平面長度為12 mm。通過圖3能夠發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)電流越大，斷路器形成的動態(tài)接觸電阻越平穩(wěn)，產(chǎn)生的波動也越小，并且，試驗(yàn)電流越小，形成的動態(tài)接觸電阻峰值越高，產(chǎn)生的波動越大。

圖3 不同電流時(shí)動態(tài)接觸電阻曲線分閘部分Fig.3 The opening part of the dynamic contact resistance curve at different currents

通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn)，斷路器的接觸電阻有效位移里得到的平均電阻值，可以反映斷路器弧觸頭的表面情況，并且有效位移可以反映斷路器弧觸頭的有效長度。當(dāng)斷路器每次動作后，由于電弧的作用，平均電阻值和有效長度將會出現(xiàn)一定的改變，采集這些動作后的值，進(jìn)行對比，便能夠準(zhǔn)確反映出斷路器弧觸頭表面的變化情況。

3 500 kV斷路器電壽命試驗(yàn)過程動態(tài)電阻趨勢研究

當(dāng)試驗(yàn)累積開斷電流能量不斷提高的情況下，斷路器弧觸頭的有效接觸行程將不斷變小，而且，斷路器的接觸電阻值穩(wěn)定性不斷減小，隨著觸頭動作行程的提高，形成的觸頭接觸電阻越來越大，如圖4和圖5所示。

圖4 觸頭動作行程和接觸電阻的關(guān)系Fig.4 The relationship between contact stroke and contact resistance

圖5 斷口弧觸頭接觸位移、電阻與累積電流關(guān)系圖Fig.5 The relationship between the contact displacement，resistance and accumulated current of the fracture arc contact

當(dāng)試驗(yàn)開斷電流不斷增加的情況下，斷路器弧觸頭形成的有效接觸位移越來越小，同時(shí)，平均接觸電阻越來越大。為了分析斷路器的開斷電流累積作用，經(jīng)由相關(guān)試驗(yàn)可以得到，隨著斷路器開斷能量的不斷提高，斷路器的有效接觸位移越來越小，具有指數(shù)降低的趨勢，如圖6所示。

圖6 有效接觸位移趨勢分布圖Fig.6 Trend distribution diagram of effective contact displacement

為了得到斷路器滅弧室的電壽命，需要分析累積開斷能量和有效接觸位移的關(guān)系、累積開斷能量和平均接觸電阻的關(guān)系。假設(shè)累積開斷能量為Q（∑I2×104kJ），那么進(jìn)行有效接觸位移指數(shù)擬合，可得有效接觸位移L和累積開斷能量Q的關(guān)系為：

隨著斷路器累積開斷能量的提高，形成的平均接觸電阻越來越大，兩者具有指數(shù)增加的趨勢，如圖7所示。

圖7 平均接觸電阻趨勢分布圖Fig.7 Trend distribution graph of average contact resistance

假如累積開斷能量Q為（∑I2×104kJ），那么進(jìn)行平均接觸電阻指數(shù)擬合，可得平均接觸電阻Rˉ和累積能量Q的關(guān)系公式為：

當(dāng)斷路器的有效接觸位移L為0～5 mm的情況下，隨著有效接觸位移的增加，平均接觸電阻快速減??；隨著有效接觸位移的繼續(xù)增加，平均接觸電阻減小的趨勢降低，如圖8所示。

圖8 平均接觸電阻隨位移變化趨勢分布圖Fig.8 Distribution of average contact resistance with displacement

通過對斷路器弧觸頭有效接觸行程對應(yīng)的平均接觸電阻，進(jìn)行冪函數(shù)擬合分析，能夠獲得平均接觸電阻和有效接觸位移L的關(guān)系為：

通過分析斷路器觸頭質(zhì)量減少量和其動作電流，便能夠分析斷路器觸頭質(zhì)量的侵蝕量。依照燃弧時(shí)間與電流最大值，便能夠分析斷路器動作產(chǎn)生的庫侖量。由于斷路器動作過程中，電流波形呈現(xiàn)衰減的特征，那么能夠得到如下關(guān)系：

在式（4）里，C代表庫侖量；t代表燃弧時(shí)間；Im代表電流峰值；f代表頻率。于是，單位庫侖量的斷路器觸頭質(zhì)量減少量有：

4 斷路器觸頭燒蝕情況分析

由于斷路器每次進(jìn)行動作操作時(shí)，產(chǎn)生的放電電弧持續(xù)燒蝕觸頭，加劇了觸頭的損耗。當(dāng)斷路器完成一次動作后，觸頭表面出現(xiàn)一定的改變，包括微觀形狀、材料成分以及組分，如果在放電電弧嚴(yán)重的情況下，引起觸頭出現(xiàn)裂紋、材料蒸發(fā)、熔化和掉渣等，使得斷路器工作性能發(fā)生一定的改變。當(dāng)斷路器運(yùn)行一定次數(shù)后，造成觸頭不能正常工作，斷路器失去保護(hù)的作用。為了分析斷路器觸頭燒蝕情況，當(dāng)某個弧觸頭經(jīng)過累積短路電流燒蝕后，分析該弧觸頭的金相，觀察其微觀形貌，并且開展能譜分析，從而獲得斷路器弧觸頭通過多次電弧燒蝕后，弧觸頭表面變化的宏觀和微觀情況。

宏觀上，斷路器弧觸頭在電弧的多次作用下，外表面變黑，如圖9所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷路器靜弧觸頭表面產(chǎn)生了一些小孔洞，具有一定的龜裂狀，而且圓弧狀的觸頭表面出現(xiàn)一定的磨損，形成了一種凹凸不平的現(xiàn)象。斷路器動弧觸頭同樣在電弧的作用下，出現(xiàn)了龜裂的現(xiàn)象，形成的裂紋深度沒有靜弧觸頭的大，這是因?yàn)閯踊∮|頭的結(jié)構(gòu)可以有效降低電弧的燒蝕作用，減少了動弧觸頭的磨損量，動弧觸頭表面材料呈現(xiàn)一定程度的磨損，產(chǎn)生了形變。

圖9 觸頭表面宏觀形貌Fig.9 Macro morphology of the contact surface

微觀上，試驗(yàn)內(nèi)容含有金相試驗(yàn)，通過金相分析，實(shí)現(xiàn)斷路器的微觀形貌分析，如圖10所示。通過圖10（b）可以發(fā)現(xiàn)，斷路器觸頭表面出現(xiàn)一定程度的裂紋，這種裂紋由外到內(nèi)，不斷發(fā)展，最深處裂紋超過500μm。產(chǎn)生裂紋的原因是在電弧的作用下，斷路器觸頭表面的金屬Cu材料出現(xiàn)熔化和蒸發(fā)，由于金屬W材料熔點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬Cu，當(dāng)Cu材料熔化和蒸發(fā)后，使得觸頭表面出現(xiàn)微裂紋，同時(shí)，由于高溫、高熱的環(huán)境，斷路器內(nèi)部形成一定的金屬蒸汽壓力，這種壓力加劇了裂紋的縱深發(fā)展。當(dāng)電弧消失后，斷路器觸頭表面材料出現(xiàn)一定程度的凝固，通過電弧的不斷燒蝕，觸頭材料表面形態(tài)再次發(fā)生變化。

圖10 觸頭金相檢測對比Fig.10 Comparison of metallographic detection of contacts

微觀上，試驗(yàn)內(nèi)容還含有能譜分析，結(jié)果如表1所示。由于電弧的作用，使得能譜里含有了微量Fe和Al元素，這是由于電弧燒蝕了觸頭座鑄鐵材料以及少量的噴口氧化鋁填料。

表1 能譜分析結(jié)果Table 1 Energy spectrum analysis results

5 結(jié)語

本文選擇的試驗(yàn)樣機(jī)為具有CYA4液壓彈簧操動機(jī)構(gòu)的500 kV瓷柱式LW15-550型斷路器，主觸頭選擇模式為銅鍍銀合金，弧觸頭采用的是CuW70合金，開展斷路器滅弧室電壽命的相關(guān)試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)：

1）試驗(yàn)電流越大，斷路器形成的動態(tài)接觸電阻越平穩(wěn)，產(chǎn)生的波動也越小，并且，試驗(yàn)電流越小，形成的動態(tài)接觸電阻峰值越高，產(chǎn)生的波動越大。

2）斷路器的接觸電阻有效位移里得到的平均電阻值，可以反映斷路器弧觸頭的表面情況，并且有效位移可以反映斷路器弧觸頭的有效長度。當(dāng)斷路器每次動作后，由于電弧的作用，平均電阻值和有效長度將會出現(xiàn)一定的改變，采集這些動作后的值，進(jìn)行對比，便能夠準(zhǔn)確反映出斷路器弧觸頭的表面變化情況。

3）由于斷路器每次進(jìn)行動作操作時(shí)，產(chǎn)生的放電電弧持續(xù)燒蝕觸頭，加劇了觸頭的損耗。當(dāng)斷路器完成一次動作后，觸頭表面出現(xiàn)一定的改變，包括微觀形狀、材料成分以及組分，如果在放電電弧嚴(yán)重的情況下，引起觸頭出現(xiàn)裂紋、材料蒸發(fā)、熔化和掉渣等，使得斷路器工作性能發(fā)生一定的改變。當(dāng)斷路器運(yùn)行一定次數(shù)后，造成觸頭不能正常工作，斷路器失去保護(hù)的作用。