高压断路器弧触头烧蚀试验及理论分析计算

2020-01-02陈昌旭

水利水电快报 2019年12期

陈功，程壮，陈昌旭

（长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430000）

1 研究背景

随着电力系统不断发展，电压等级不断提升，电力系统运行的稳定性与可靠性要求越来越高。高压SF6断路器作为调节无功投切、系统控制与保护的重要设备，对于电力系统，特别是110 kV 以上的输电系统，有着非常关键的作用。为保证电力系统长期安全稳定运行，需要高压SF6断路器能够在频繁动作的条件下仍拥有较长的电寿命。断路器电寿命一旦超出使用范围，灭弧室内部就极易发生重击穿，降低设备的绝缘性能，给电力系统的稳定性与可靠性造成严重影响［1-2］。

目前的断路器电寿命预测方法一般是测量断路器开断电流与燃弧时间，如开断电流加权累积法、基于N-I 寿命曲线法、燃弧时间电流积分法等［3-4］，然而这些方法并不能直接检测触头的烧蚀状态［3］。弧触头状态是影响断路器电寿命的重要参数，一般以弧触头的电磨损量来评价断路器的电寿命［5-6］。动态电阻法是测量弧触头状态的主要方法，其原理是通过持续测量断路器分闸过程中触头间的动态接触电阻，得到动态电阻-时间、动态电阻-行程等曲线［7-10］，根据该曲线对触头状态进行诊断。从动态电阻曲线中可提取触头电阻与接触行程等触头的状态参数，其中弧触头接触行程是表征弧触头电磨损的重要参数［11-13］。也有学者使用触头的质量损失表征弧触头电磨损量［14］，该方法一般用于低压断路器，因为在不拆解高压断路器灭弧室的情况下很难对触头质量进行评估，因此有一定的使用局限性。

本文以LW36-126 型户外自能式SF6断路器为研究对象，利用武汉大学大容量断路器合成试验回路对触头进行了大电流烧蚀试验，每次烧蚀试验中保证一定的开断电流与燃弧时间，以期得到相同的触头烧蚀量。每次烧蚀试验后，利用动态电阻测量装置对试品断路器弧触头状态进行测量，得到了弧触头接触行程的减少量。通过对弧触头烧蚀机理的理论分析，计算得到了每次烧蚀试验弧触头接触行程的变化量，与试验结果进行了对比分析。

2 试验设置

2.1 试验断路器

表1 为试品断路器的基本参数。SF6断路器触头系统由主触头与弧触头并联组成，主触头用于承载工作电流，当断路器开断电流时，电流将全部转移到弧触头。弧触头的接触行程一般大于主触头，主触头采用铜镀银金属材料，弧触头采用铜钨合金材料，试品断路器弧触头尺寸如图1所示。

表1 试品断路器参数

图1 弧触头尺寸

2.2 试验回路

2.2.1 烧蚀试验回路

由于高压SF6断路器直接开断故障电流的物理过程可分为大电流阶段、相互作用阶段、高电压阶段［15-16］，大电流和高电压并不同时出现在弧隙上，而大电流阶段是对断路器触头烧蚀最严重的阶段，相对而言，相互作用阶段与高电压阶段对触头的烧蚀可以忽略。因此，可利用大电流开断阶段来模拟断路器开断电流的烧蚀。

本文的模拟烧蚀试验回路基于武汉大学高压大容量断路器合成试验回路搭建，试验回路可进行10 ～110 kV电压等级断路器的合成试验。模拟试验回路的电流源采用电容与电抗器串联的振荡回路，电容值为16.8 mF，电感值为0.6 mH，单相输出最大电流可达63 kA，其原理如图2所示。

图2 烧蚀试验回路

完整的烧蚀试验流程如下：①给电容器充电至设定电压值；②合闸断路器闭合，回路产生工频短路电流；③试品断路器开断短路电流，触头产生烧蚀；④辅助断路器动作，对回路进行保护。模拟烧蚀试验中，选取试品断路器的75%额定短路电流作为触头的模拟烧蚀电流，即30 kA（有效值）。

2.2.2 动态电阻测量回路

动态电阻测量回路如图3 所示，测量回路电源采用大容量铅酸蓄电池，可提供12V 的直流电压。测量过程中，控制试品断路器先合闸后分闸，在合分闸过程中通过动态电阻测量仪器测量触头的动态接触电阻。

图3 动态电阻测量回路

动态电阻测试步骤如下：

（1）将电流线与电压线分别接至断路器断口两端，连接操动机构的控制信号线；

（2）通过断路器动特性测试仪发信号至操作机构，操作机构控制试品断路器完成先合闸后分闸的动作；

（3）合闸时回路连通，蓄电池在断路器两端施加直流电流；

（4）断路器分闸并开断电流。

为防止蓄电池由于长时间短路而损坏，合闸与分闸触发信号之间的时间间隔设置为250 ms。在试验过程中，动态电阻分析仪采集分闸过程中断口电压、电流与触头动作速度信号，输出断路器合分闸过程的动态电阻-行程曲线。动态电阻动特性测试仪参数如表2所示。

表2 断路器动特性测试仪参数

3 试验结果与分析

3.1 试验结果

试品断路器的触头总共进行34 次模拟烧蚀试验和多组动态电阻测量试验，每次烧蚀试验中开断电流值与燃弧时间基本保持一定。根据试验结果可以得到触头接触行程与烧蚀试验次数的关系，如图4所示。曲线中前5次总接触行程与弧触头接触行程测量结果具有一定分散性，而之后基本呈现线性减小的变化趋势，主触头接触行程基本保持不变。触头接触行程的变化证明了在开断电流过程中电弧对弧触头产生了严重的烧蚀，使接触行程显著减小；而主触头由于只承受工作电流，因此受电弧影响较小。将总接触行程（Lc）与弧触头接触行程（La）曲线进行线性拟合，拟合曲线与原曲线的相关系数分别为0.95与0.96，得到的拟合公式如下：

由公式（1）与（2）可以得到，触头的初始总接触行程为23.99 mm，与其额定值（动触头接触行程）25～28 mm 接近，证明试验前触头烧蚀程度并不严重；弧触头接触行程的初始值为17.43 mm，每次烧蚀试验中电弧对弧触头的烧蚀导致触头总接触行程的变化量ΔLc恒定，为0.34mm；弧触头接触行程在每次烧蚀中的变化量ΔLa为0.32mm。

图4 触头接触行程随烧蚀试验次数曲线

3.2 弧触头烧蚀机理

高压SF6断路器触头的分闸过程可主要分为4个阶段：合闸状态到主触头分离；主触头分离到弧触头分离；弧触头分离后燃弧；电弧熄灭直到完全分断。如图5所示。

图5 灭弧室开断电流过程

高压断路器弧触头材料一般为铜钨合金，铜和钨的熔化和汽化温度差异很大，铜金属与钨金属的熔点分别为1 358 K 与3 680 K，沸点分别为2 840 K与5 928 K。在汽化温度相差很大的各组分的非均质材料中，电弧会在汽化温度更高的材料上形成弧根，对能量的需求量更小，因此认为触头材料烧蚀过程主要分为以下5 个阶段［17］：①铜金属与钨金属均为固态（＜1 358 K）；②铜金属熔化，钨金属为固态（1 358 K）；③铜金属蒸发，钨金属为固态（2 840 K）；④钨金属熔化（3680 K）；⑤钨金属蒸发（5 928 K）。

部分损失的触头材料会以金属固体形式附着在灭弧室内壁或喷口上，降低触头对地的绝缘能力。此外，弧触头在烧蚀后，表面形貌会发生明显变化，弧触头端部会变得越来越尖，不仅会降低触头之间的绝缘能力，而且会在触头动作过程中造成间隙电场的畸变，降低电流过零后的间隙介质恢复强度，降低断路器短路电流开断能力，同样也会增加关合过程中的预击穿过程的时间，加速弧触头的侵蚀。

3.3 烧蚀量ΔL计算

触头接触行程是衡量SF6断路器电寿命的重要指标，触头接触行程过小会对断路器产生以下严重影响：

（1）开断故障电流无法从主触头转移到弧触头，从而导致主触头燃弧，严重情况下可能导致电弧无法熄灭造成灭弧室爆炸［18-19］。

该试验采集的样品没有完全覆盖毕节市所管辖的范围，试验结果尚不能完全代表本地区所有小檗药材的质量；同时试验尚未对小檗碱和生物总碱以外的其他生物碱进行分析，下一步将进行进一步深入研究，以得出更为全面的试验结果，为毕节试验区中药材的种植和发展提供参考依据。

（2）弧触头损失的金属材料附着在灭弧室内壁，降低了其绝缘能力［18］。

（3）动静触头之间的电场会产生畸变，降低触头间介质强度恢复能力［5］。

（4）喷口提前打开，气缸内气体达不到预定压力，降低SF6气体吹弧能力。

本文中，对触头烧蚀量的计算做如下假设：

（1）电弧与触头端面接触面积在整个开断过程中保持不变。

（2）触头材料的蒸发出现在整个燃弧时间过程中，即忽略触头表面温度达到钨金属熔点之前触头的烧蚀。

（3）触头表面的能量输入仅由电极区压降功率提供。

（4）触头表面能量耗散主要因为触头材料的蒸发与触头热传导，忽略液滴飞溅影响。

当断路器开断短路电流时，触头烧蚀率可表示为［19］

式中：m 为触头损失质量，kg；Q 为燃弧阶段通过的电荷量，C；ΔUeff为电弧阴极区或阳极区压降，V；hvap为单位质量的触头材料从20℃到气化点的热量，J/kg。

由于弧触头为CuW80 合金材料，hvap可近似计算为［17］

在试验过程中，静弧触头为正极，触头阳极区压降ΔUeff+与阴极区压降ΔUeff-相近，一般为10～20V，在本文计算中可取ΔUeff+=15 V［20］。

根据假设（2），每次的烧损质量m可表示为

式中：ρ 为金属材料密度，kg/m3，CuW80合金的ρ 为15.15×103kg/m3；r 为触头半径，mm，图1 中r 为9.5 mm；ΔLc为弧触头烧蚀长度，mm。

燃弧阶段通过触头的电荷量为开断电流有效值与燃弧时间的乘积。烧蚀试验过程中短路电流一般在第二个过零点开断，在第一个半波燃弧时间约为6 ms，短路电流有效值为30 kA；第二个半波燃弧时间为10 ms，短路电流有效值约为18 kA。取5次烧蚀试验中触头通过的电荷量平均值作为Q的计算值，得到Q=352.8 C。

根据式（3）～（5），可以得到在本文试验条件下（开断电流30 kA，燃弧时间16 ms），每次烧蚀试验中触头烧蚀量为