真空斷路器滅弧能力現場檢測技術

王軍龍，張勁松，汪 雷，謝清松，鄧楓林

(國網安徽省電力有限公司宣城供電公司，安徽 宣城 242000)

目前對于真空斷路器滅弧特性的檢測，仍然停留在非常粗糙的原始階段，僅僅分合閘數次儲能回路正常、分合閘時間正常、斷口耐壓與直流電阻正常即可，如果滅弧觸頭有磨損、真空泄漏或拉桿有摩擦卡澀，這些檢測項目顯然不能有效反映，然而實際滅弧能力下降是肯定的。由此可見，現有的真空斷路器檢測標準還存在很大的不足，對于斷路器機械異常與滅弧能力下降等隱患，有時并不能及時有效地發(fā)現。隨著技術的發(fā)展以及狀態(tài)檢修要求的日益提高，對于35 kV以下電網一次設備中最重要的真空斷路器，亟需一種能方便有效地檢測其滅弧能力的技術手段。

1 真空斷路器滅弧特性檢測思路

本文提出了一種全新的、基于低能量直流模擬故障電流的真空斷路器電弧分斷能力的檢測技術方案，該技術利用最新的檢測研究成果，通過在斷路器觸頭間注入可控的直流電流、電壓，直接反映斷路器的的滅弧能力。

低能量直流模擬故障電流原理如圖1所示。在有條件的情況下，直接利用高壓交流電源，對斷路器實現大電流注流，檢驗斷路器滅弧能力，是最直接有效的方法，然而該方法需要的設備容量體積極為龐大,因為是直接產生短路故障所需要的能量，這通常只有在廠家才可以完成，對于現場預防性試驗，這一方案顯然不現實。

直流電流沒有過零點，同樣機械結構的斷路器開斷直流電流的能力遠遠低于開斷交流電流的，對于低壓開關，一般直流與交流開斷容量之比僅僅1∶10，對于高壓開關設備，一般在1∶100～1∶1 000，因此，如果采用直流電流來代替交流電流，就能用交流實驗設備幾百分之一的設備容量，實現同樣的滅弧能力測試。

為了進一步模擬真實環(huán)境的開斷特性，采用了直流電流源與電壓源共同作用的方式，直流大電流發(fā)生器與高電壓發(fā)生器各自通過限流電阻與隔離二極管連接到被測試的斷路器滅弧室兩端、同時施加直流大電流與高電壓，由該電路結構可知，斷路器觸頭合閘期間,高電壓全部加在限流電阻R1兩端，由于限流電阻的存在，兩個電源均不會過載損壞，當斷路器分閘后，觸頭斷開，大電流發(fā)生器產生的直流電弧作用在觸頭兩端，當電弧熄滅后，高電壓發(fā)生器的高壓立即加在觸頭兩端，這一大電流與高電壓的瞬間切換，非常符合真實運行工況的特點。

如果斷路器滅弧能力正常，大電流應能立即開斷，如果滅弧能力不足，則大電流斷開后會被觸頭間的高電壓重新擊穿導通，但由于直流電流電壓均可控，其整體能量較小，不會損傷滅弧室，通過低能量直流模擬故障電流，就能非常直觀地檢測出斷路器的滅弧能力。限流電阻R1與R2兼作取樣電阻，通過在電阻兩端連接信號檢測電路，就能非常方便地計算斷路器分閘時刻電流電壓的變化情況，掌握電弧燃燒時間、滅弧速度，以及是否存在截流或重擊穿問題，從而非常直觀地檢測出斷路器的滅弧能力。巧妙利用直流電流注入的電氣量的變化直接反映斷路器的滅弧能力，測試方法簡單、原理新穎，實用性強。

2 真空斷路器的電弧分斷特性

2.1 真空中的滅弧機理

真空斷路器是利用高真空工作絕緣滅弧介質,靠密封在真空中的一對觸頭來實現電力電路的通斷功能的一種電真空器件。真空滅弧室是真空斷路器的核心部分，滅弧系統存在真空滅弧室內，密封在真空外殼內部，有兩個電極，一個靜電極和一個動電極，包括屏蔽罩等部件構成。

當一對載流觸頭在真空中分離時產生電弧，但由于真空中不存在氣體，電弧必須在觸頭材料的金屬蒸氣中燃燒，這種電弧就是金屬蒸氣電弧。真空滅弧室中電弧弧柱壓差很大，質量密度差也很大，因而弧柱的金屬蒸汽(帶電質點)將迅速向觸頭外擴散，加劇了去游離作用，加上電弧弧柱被拉長、拉細，從而得到更好的冷卻，電弧迅速熄滅，介質絕緣強度很快得到恢復，從而阻止電弧在交流電流自然過零后重燃。

2.2 真空斷路器電弧分斷原理特點

當其斷開一定數值的電流時,動靜觸頭在分離的瞬間,電流收縮到觸頭剛分離的一點上,進而電極間電阻劇烈增大，溫度迅速提高,直至發(fā)生電極金屬的蒸發(fā), 同時形成極高的電場強度,導致極強烈的發(fā)射和間隙擊穿,產生真空電弧。當工頻電流接近零時,同時也是觸頭開距的增大, 真空電弧的等離子體很快向四周擴散,電弧電流過零后, 觸頭間隙的介質迅速由導電體變?yōu)榻^緣體,于是電流被分斷。真空滅弧室結構如圖2所示。

真空斷路器觸頭結構簡單，主觸頭一般為圓柱形，在周圍設置有螺旋狀滅弧花紋，利用電流自身的磁場與滅弧花紋拉長電弧而熄滅電弧。由于真空斷路器開距很短，動作速度快，正常使用時滅弧能力非常強，以至于常常出現電流未到過零點電弧已經熄滅的截流問題，但是一旦滅弧室出現問題，如漏真空，則因為其開距極短、又沒有強有力的吹弧結構，滅弧能力會急劇下降，以至無法熄滅電弧而爆炸。

2.3 斷路器分合閘滅弧室電流電壓變化曲線

機械特性正常的斷路器，其分合閘過程中的觸頭接觸電阻隨著主觸頭的接觸分離，其狀態(tài)在“短路—電弧導通—開路”三個狀態(tài)之間變化，在觸頭合閘的短路狀態(tài)時，斷路器兩端的電壓接近為零，在電弧導通階段，兩端電壓為12～100 V的電弧燃弧電壓，在觸頭分閘完成階段，兩端電壓為穩(wěn)定的電源電壓。據此，我們只需要檢測斷路器分合閘時刻端部電壓的變化，就能掌握其電弧分斷能力是否正常。

斷路器正常滅弧電壓波形如圖3所示。當觸頭斷開后，產生數10 V的電弧電壓，隨著觸頭拉開，電弧逐漸拉長，弧壓升高而熄滅，最后觸頭兩端電壓變?yōu)殡娫措妷?，完成開斷過程。

截流過電壓波形如圖4所示。斷路器滅弧能力過強，電弧熄滅過快，以至于產生了截流過電壓。

滅弧能力下降電壓波形如圖5所示。斷路器電弧燃弧時間較長，且電弧電壓波動幅度小，說明電弧穩(wěn)定性強，該斷路器顯然滅弧能力有所下降。

重擊穿電壓波形如圖6所示。斷路器電弧熄滅后又再次擊穿重新產生電弧，該斷路器滅弧能力已經嚴重下降。

無法滅弧電壓波形如圖7所示。斷路器完全無法熄滅電弧，說明該斷路器機械結構或滅弧室已完全失效。

通過對斷路器分閘時斷口電壓加以橫向對比，就能非常直觀地發(fā)現斷路器的滅弧能力與機械特性存在的問題，現有技術僅僅檢測合閘時靜態(tài)的接觸電阻或斷口電壓，顯然不能從根本上反映斷路器的滅弧能力。

3 低能量直流模擬交流故障電流原理

交直流斷路器分斷能力對比測試如圖8所示。圖8是一個同參數交流斷路器與直流斷路器直流電流分斷能力的測試線路。通過示波器觀察斷路器分閘后的電弧燃弧時間，可間接了解交直流斷路器對同電流直流電流的分斷能力，結果如表1所示。

表1 交直流斷路器分斷時間對比

由試驗結果可見，當電源電壓較低、電流較小時，因為電弧本身能量小、不穩(wěn)定，交直流斷路器分斷能力接近；當電源電壓升高后，交流斷路器滅弧能力遠低于直流斷路器，對于同樣電流，滅弧時間是直流斷路器的幾十倍，對于中高壓斷路器，交直流斷路器滅弧能力差異更為顯著。對于額定短路開斷能力30 kA的交流斷路器，直流的開斷能力可能只有數百安培，反過來，如果一個交流斷路器能夠迅速開斷數百安培的直流電流，說明其對于幾十千安的交流故障電流開斷應該沒有問題，這就是本文利用低能量直流電流模擬交流故障電流，檢測斷路器滅弧能力的依據。

4 檢測裝置整機結構

真空斷路器滅弧能力現場檢測裝置結構如圖9所示。采用硬件波形處理電路或單片CPU完成所有波形處理與邏輯功能，通過專門配套的數字存儲示波器完成模擬量、電源、存儲、面板顯示等功能，電路設計簡潔可靠、功耗低、思路主流。裝置在使用時，采用附帶的高壓電流鉗直接給斷路器觸頭注入電流電壓，分合閘線圈驅動電路直接觸發(fā)斷路器脫口，通過信號處理后的波形顯示在手持式存儲示波器上，使用十分方便。

5 結語

本文提出了一種全新、基于低能量直流模擬故障電流的真空斷路器滅弧能力檢測技術。該技術利用最新的研究成果，通過低能量直流模擬故障電流，能很直觀地檢測出斷路器的滅弧能力。之所以使用直流代替交流，是因為直流電弧的開斷難度比交流電弧的大，這樣就可以通過較小容量的直流電流電壓，反映交流環(huán)境下的滅弧能力。該技術巧妙利用直流電流注入的電氣量的變化直接反映斷路器的滅弧能力，徹底改變了真空斷路器漏真空等造成的事故難以預防的現狀，具有極好的推廣應用價值。