基于斷路器弧觸頭全壽命周期的動態(tài)電阻測量試驗

陳 功，程 壯，段 濤

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010）

1 研究背景

高壓SF6斷路器由于具有高可靠性、開斷性能好等優(yōu)點(diǎn)，目前在國內(nèi)110 kV及以上電力系統(tǒng)中廣泛使用。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起到保護(hù)與控制的雙重作用，其可靠性與電力系統(tǒng)可靠性有著非常緊密的聯(lián)系。因此，提高高壓斷路器的可靠性對整個電力系統(tǒng)可靠性的提升有著重要意義。高壓斷路器主要由3部分組成，即操動機(jī)構(gòu)、輔助與控制回路、滅弧室。在斷路器所有故障中，導(dǎo)電回路故障占到了21%～31%，僅次于操動機(jī)構(gòu)故障的43%～45%，比二次回路的20%～29%略高［1-3］。高壓斷路器操動機(jī)構(gòu)額定動作次數(shù)一般可達(dá)幾千次，但滅弧室允許開斷額定短路電流的次數(shù)僅有幾十次，遠(yuǎn)小于操動機(jī)構(gòu)的額定動作次數(shù)。因此，滅弧室電壽命決定了高壓斷路器的實際使用壽命，而弧觸頭狀態(tài)是限制滅弧室電壽命的最關(guān)鍵因素。操動機(jī)構(gòu)與輔助控制回路的故障檢測一般使用振動信號［4-5］與分合閘線圈信號［6-7］，型式試驗規(guī)定對滅弧室狀態(tài)的檢測方法主要有主回路電阻檢測、密封試驗及SF6氣體含水量試驗等，然而這些試驗并不能獲取弧觸頭的狀態(tài)信息。

動態(tài)電阻測量（DRM）是測量高壓斷路器分閘或者合閘過程中動靜觸頭的動態(tài)接觸電阻，測量得到的動態(tài)電阻曲線包含了豐富的觸頭狀態(tài)信息。毛文奇等［8-9］通過測量得到了斷路器觸頭的動態(tài)電阻-時間曲線，并從曲線中得到了弧觸頭超出主觸頭的長度；Z.Stanisic等［10-12］介紹了四線法測量斷路器動態(tài)電阻的原理，并得到了典型的動態(tài)電阻-時間曲線；M.Landry 等［13-15］提出利用分閘過程的動態(tài)電阻-行程曲線作為觸頭狀態(tài)診斷曲線，得出分閘速度、金屬氟化物與測試電流是影響DRM結(jié)果的重要因素，并提出在斷路器額定速度分閘時，DRM 直流測試電流需大于700 A 才能保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。但上述DRM試驗均是基于某一特定觸頭狀態(tài)，并未對同一斷路器試品觸頭全壽命周期的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，以得到觸頭狀態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律。

因此，本文首先對兩臺額定電壓分別為40.5 kV與126 kV的SF6斷路器進(jìn)行電燒蝕試驗［16-18］，在燒蝕試驗后對觸頭進(jìn)行DRM，得到了觸頭全壽命周期內(nèi)的動態(tài)電阻曲線。從動態(tài)電阻曲線中提取觸頭電阻與接觸行程參數(shù)，得到了觸頭狀態(tài)參數(shù)在觸頭全壽命周期內(nèi)的變化規(guī)律。電燒蝕試驗采用的是武漢大學(xué)高壓斷路器合成試驗回路電流源部分，模擬了實際開斷故障電流過程中電弧對觸頭的燒蝕過程，可提供最大峰值為63 kA 的工頻試驗電流。每次燒蝕試驗后，利用動態(tài)電阻測試儀與蓄電池電源對被燒蝕相觸頭進(jìn)行DRM試驗。

2 試驗布置

2.1 試驗回路

本文試驗回路主要分為燒蝕試驗回路與DRM試驗回路兩部分（見圖1）。燒蝕試驗回路使用的是武漢大學(xué)高壓大容量合成試驗回路平臺電流源部分，回路主要包含電容器組C、電感L、合閘斷路器、輔助斷路器與被試斷路器，合閘斷路器用于投入回路短路電流，輔助斷路器保護(hù)回路最終成功切斷短路電流。電容器組與電感的取值滿足產(chǎn)生工頻短路電流的需求，回路電流頻率計算公式如下

動態(tài)電阻試驗回路主要包括動態(tài)電阻測試儀、蓄電池與被試斷路器。動態(tài)電阻測試儀采用的是8016型號高壓斷路器動特性測試儀，其基本參數(shù)如表1所示。蓄電池通過瞬間短路的方式作為直流測試電源，本試驗中采用的蓄電池額定電壓為12 V，容量分別為50，100AH 與200AH，產(chǎn)生的直流電流分別為（0.5±0.1），（1.0±0.1）kA與（1.5±0.1）kA。

圖1 試驗回路

表1 動態(tài)電阻測試儀參數(shù)

2.2 被試斷路器

被試斷路器1（試品1）型號為LN2-40.5，為戶內(nèi)SF6斷路器，配備彈簧操動機(jī)構(gòu)，試驗之前已經(jīng)投運(yùn)20 a，并且觸頭沒有經(jīng)過修復(fù)；被試斷路器2（試品2）型號為LW36-126，為戶外SF6斷路器，同樣也配備彈簧操動機(jī)構(gòu)，試驗之前已投運(yùn)10 a，但舊觸頭剛剛被更換，兩個被試斷路器的基本參數(shù)如表2所示。

SF6斷路器的觸頭主要由主觸頭與弧觸頭并聯(lián)而成，主觸頭主要用于長期承載工作電流，因此要求其具有較低的接觸電阻以滿足接觸面允許發(fā)熱要求，主觸頭一般采用銅金屬表層鍍銀材料；弧觸頭主要用于承受開斷與關(guān)合電流產(chǎn)生的電弧燒蝕，要求其具有較強(qiáng)的抗電弧燒蝕能力，因此弧觸頭一般采用CuW80合金材料?；∮|頭長度大于主觸頭，在分?jǐn)喙收想娏鲿r弧觸頭晚于主觸頭分開，從而使弧觸頭承受幾乎全部的電弧燒蝕。但是，如果電流在完全從主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭前，弧觸頭就完成開斷，則會導(dǎo)致主觸頭燃弧，造成主觸頭嚴(yán)重?zé)g，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致滅弧室爆炸，因此必須保證足夠的觸頭接觸行程以完成電流從主觸頭到弧觸頭的轉(zhuǎn)換［19-22］。

2.3 試驗方法

燒蝕試驗電流選取75%額定短路開斷電流，即18.75 kA（試品1）與30 kA（試品2），采用自編程時序控制板對合閘斷路器、被試斷路器與輔助斷路器進(jìn)行分合閘控制，合閘斷路器、被試斷路器與輔助斷路器分別依時序進(jìn)行合閘、分閘操作。

每次燒蝕試驗之后對被燒蝕相進(jìn)行DRM試驗，DRM 中常常采用四線法對被試斷路器觸頭接觸電阻進(jìn)行測量，四線法消除了測試線導(dǎo)線電阻與接觸電阻的影響，因此一般用于準(zhǔn)確測量阻值在10Ω以下的電阻［10-12］。DRM試驗電源采用3組不同容量的12V 蓄電池，以提供（0.5±0.1）kA、（1.0±0.1）kA 與（1.5±0.1）kA 的直流測試電流，每組進(jìn)行5 次試驗，最終結(jié)果取5次試驗的平均值。由于直流測試電流會對觸頭產(chǎn)生預(yù)熱作用，從而對動態(tài)電阻測量結(jié)果產(chǎn)生影響［13］，因此測試電流大小與測試順序會對測試結(jié)果產(chǎn)生一定影響。為保證DRM 測量條件的一致性，每次測量電流保持不變，且采用測試電流從小到大的測試順序。

表2 被試斷路器參數(shù)

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 動態(tài)電阻-行程曲線

由于在觸頭合閘過程中，預(yù)擊穿與觸頭碰撞產(chǎn)生的振動與噪聲會對動態(tài)電阻測量產(chǎn)生干擾，所以一般不使用合閘過程的動態(tài)電阻曲線［13-15］。典型的動態(tài)電阻-行程曲線（見圖2）主要可以分為兩部分，即主觸頭部分與弧觸頭部分。在主觸頭部分的曲線中，主觸頭與弧觸頭并聯(lián)，但由于主觸頭接觸電阻遠(yuǎn)小于弧觸頭接觸電阻，電流基本上全部通過主觸頭，此階段動態(tài)電阻主要是主觸頭的接觸電阻；在主觸頭與弧觸頭部分的交界處動態(tài)電阻陡然上升，此階段揭示了主觸頭的分離過程；在弧觸頭部分曲線中，主觸頭已分開，弧觸頭單獨(dú)接觸，但此階段曲線中存在電流從主觸頭向弧觸頭的轉(zhuǎn)移過程，當(dāng)電流轉(zhuǎn)移完畢后弧觸頭分開，動態(tài)電阻陡增到電弧電阻值。在弧觸頭階段，應(yīng)保證在電流完成從主觸頭向弧觸頭轉(zhuǎn)換后，弧觸頭才能分離，如果在電流轉(zhuǎn)換完成之前弧觸頭分離則會造成主觸頭持續(xù)燃弧，極大降低滅弧使用壽命，嚴(yán)重時甚至造成滅弧室的爆炸［21-22］。

圖2 典型動態(tài)電阻-行程曲線

從動態(tài)電阻-行程曲線中，可以提取4個與斷路器觸頭狀態(tài)相關(guān)的診斷參數(shù)，即：

（1）主觸頭接觸電阻Rm：主觸頭部分動態(tài)電阻的平均值；

（2）主觸頭接觸行程Lm：主觸頭部分曲線的行程，即主觸頭的實際接觸行程；

（3）弧觸頭接觸電阻Ra：弧觸頭部分動態(tài)電阻的平均值；

（4）弧觸頭接觸行程La：弧觸頭部分曲線的行程，即弧觸頭超出主觸頭的接觸行程。

3.2 接觸電阻與接觸行程變化

觸頭接觸電阻大致上隨燒蝕次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢（見圖3），并且測試電流對試品1的影響較試品2更加明顯。試品1的主觸頭電阻值維持在（100～300）μΩ（1.5kA）范圍內(nèi)，弧觸頭電阻值維持在（200～500）μΩ（1.5kA）范圍內(nèi)；對于試品2，主觸頭電阻維持在（50～150）μΩ范圍內(nèi)，并在31 次燒蝕試驗后逐漸增大到250μΩ左右，弧觸頭電阻值維持在（200～400）μΩ范圍內(nèi)，并在31次燒蝕試驗后迅速增加到1000μΩ以上。

試品1 與試品2 斷路器弧觸頭接觸行程隨燒蝕試驗次數(shù)的增加而呈現(xiàn)線性下降趨勢（見圖4），并且測試電流對弧觸頭接觸行程影響并不明顯，只是0.5kA 的測試電流對試品1 弧觸頭接觸行程值產(chǎn)生了較大測量誤差（見圖4（a）），出現(xiàn)了一些測量異常點(diǎn)。由于主觸頭在開斷過程中提前分?jǐn)?，基本沒有承受電弧的燒蝕作用，主觸頭接觸行程在整個試驗過程中基本沒有變化，維持在（7±1）mm 左右，其變化曲線沒有列出。

3.3 DRM測試電流對動態(tài)電阻影響

由于試品1觸頭在本文試驗之前已經(jīng)存在一定程度的燒蝕，測試電流大小對其動態(tài)電阻測試結(jié)果產(chǎn)生了明顯的影響（見圖4），更大的測試電流得到的動態(tài)電阻值更小且更加穩(wěn)定。與之對比，0.5kA的測試結(jié)果波動很大，其測量結(jié)果誤差明顯。然而對于試品2 的觸頭，測試電流值對其動態(tài)電阻影響就不明顯。同時，對每個DRM測試電流下的5組試驗數(shù)據(jù)中的電阻值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差分析可得（見圖5）：主觸頭與弧觸頭電阻組間標(biāo)準(zhǔn)差隨著測試電流的上升而呈現(xiàn)下降的趨勢，并且1.0kA與1.5kA的測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差相近，而0.5kA的測試結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差較大，不同測試電流標(biāo)準(zhǔn)差的差別同樣也在試品1上體現(xiàn)的更加明顯。

圖3 觸頭接觸電阻隨燒蝕試驗次數(shù)曲線

圖4 弧觸頭接觸行程隨燒蝕試驗次數(shù)曲線

為進(jìn)一步證明DRM 測試電流對動態(tài)電阻的影響，對試品1繼續(xù)進(jìn)行了29～38次燒蝕試驗，每兩次試驗后分別使用7組不同大小的測試電流進(jìn)行DRM試驗，30 次與32 次燒蝕試驗后的DRM 采用電流從小到大的順序，34 次與36 次燒蝕試驗后的DRM 采用電流從大到小的順序，每組電流仍測試5 次。當(dāng)測試電流從小到大時，主觸頭與弧觸頭電阻值從大到小變化（見圖6（a）），并且主觸頭電阻在測試電流大于1 000A后趨于穩(wěn)定，弧觸頭電阻值一直呈現(xiàn)下降趨勢，但在測試電流接近1 000A 后減小趨勢變緩；當(dāng)測試電流從大到小時，主觸頭與弧觸頭電阻值基本變化不大（見圖6（b）），甚至弧觸頭電阻值在較大的測試電流下會低于最后較低電流測試結(jié)果。

綜上所述，在LN2-40.5 與LW36-126 型號的高壓斷路器DRM 試驗中推薦采用1 000A 以上并低于額定工作電流的直流測試電流，既可以減少每次測量的分散性，又可以對觸頭進(jìn)行預(yù)熱并經(jīng)過較少的測量次數(shù)得到準(zhǔn)確的動態(tài)電阻曲線。

3.4 觸頭狀態(tài)診斷方法

弧觸頭接觸行程是衡量SF6斷路器電壽命最重要的指標(biāo)，弧觸頭接觸行程過小會導(dǎo)致以下嚴(yán)重影響：

（1）開斷故障電流無法從主觸頭轉(zhuǎn)移到弧觸頭滅弧系統(tǒng)導(dǎo)致主觸頭燃弧，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致無法熄滅電弧使得滅弧室爆炸［19-20，22］；

（2）弧觸頭損失的金屬材料附著在滅弧室內(nèi)壁會降低其絕緣能力［20］；

（3）動靜觸頭之間的電場會產(chǎn)生畸變，將降低介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)能力［23］；

（4）噴口提前打開，氣缸內(nèi)氣體達(dá)不到預(yù)定壓力，會降低SF6氣體吹弧能力。

因此，滅弧室要實現(xiàn)其正常功能必須要保證一定的弧觸頭接觸行程，然而目前的研究并沒有對最小弧觸頭接觸行程進(jìn)行明確規(guī)定，而只是針對觸頭接觸電阻進(jìn)行了規(guī)定。在DRM 測試電流為2 800A下，主觸頭電阻值一般在100 μΩ左右，而弧觸頭電阻值在（200～300）μΩ［13-14］。考慮到本文DRM 測試電流遠(yuǎn)低于2 800A，主觸頭與弧觸頭電阻值可能略大于上述范圍，因此認(rèn)為試品2 的觸頭電阻值在31次試驗之前在允許范圍內(nèi)，31次試驗之后超出正常值范圍，也預(yù)示著觸頭達(dá)到嚴(yán)重?zé)g狀態(tài)。與此同時，試品2 的動態(tài)電阻曲線主觸頭部分開始出現(xiàn)不正常振蕩（見圖7），且隨著燒蝕次數(shù)增加而振動加劇，這種現(xiàn)象是主觸頭嚴(yán)重?zé)g的明顯征兆［13］，但如果該現(xiàn)象出現(xiàn)在動態(tài)電阻曲線弧觸頭部分末端則是正?，F(xiàn)象。由于在本文燒蝕試驗之前，試品1觸頭已經(jīng)有一定程度的燒蝕，且沒有進(jìn)行任何修復(fù)，其主觸頭電阻在第4 次燒蝕試驗之后已達(dá)到200μΩ以上，超出正常值范圍，其弧觸頭電阻同樣也是超過了400 μΩ。因此，可以認(rèn)為試品1的觸頭接觸情況是不理想的，其接觸面存在嚴(yán)重的燒蝕，較大的觸頭接觸電阻很有可能造成其額定電流、額定短時耐受電流、額定峰值耐受電流等能力的降低。

圖5 觸頭接觸電阻標(biāo)準(zhǔn)差隨燒蝕試驗次數(shù)曲線

圖6 接觸電阻隨測試電流變化曲線

圖7 34次燒蝕后試品2動態(tài)電阻-行程曲線

4 結(jié) 論

（1）觸頭動態(tài)接觸電阻隨著斷路器開斷電流次數(shù)增加而增大，弧觸頭接觸行程隨著斷路器開斷故障電流次數(shù)增加而減小，其減小量主要受電流值與燃弧時間影響。

（2）LN2-40.5 與LW36-126 型號斷路器推薦采用1 000A 以上并小于斷路器額定電流值的測試電流進(jìn)行DRM 試驗。大于1 000A 的測試電流既可以對觸頭進(jìn)行預(yù)熱，將接觸電阻降低到與實際運(yùn)行工況較接近的水平，又可以減小多次測量的分散度，提高測量的準(zhǔn)確性。

（3）弧觸頭接觸行程（La）是影響滅弧室電壽命最重要的參數(shù)，La必須保證一最小值才能實現(xiàn)滅弧室正常的開斷功能。但是目前的研究結(jié)果并沒有對La的最小值進(jìn)行規(guī)定，對于本文型號為LW36-126的試品，其La最小值為7.2 mm，與主觸頭接觸行程相近。

（4）在DRM測試電流1 000 A以上時，主觸頭電阻值一般在200 μΩ以下為正常，弧觸頭電阻值在400μΩ以下為正常，超出此范圍預(yù)示著主觸頭或弧觸頭存在過度燒蝕，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)。