高压断路器弧触头接触故障模拟及诊断技术研究

马晨昱，丁惠敏

（1.南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖 655000；2.云南电网曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

0 引言

SF6断路器是利用SF6气体作为灭弧介质和绝缘介质的一种断路器，因其优秀的灭弧性能，被广泛地应用在电力系统中，且设备的使用量在逐年递增［1-3］。SF6断路器在电力系统中处于至关重要的位置，设备的运行状态对整个电网起着决定性的影响。触头系统是SF6断路器的关键部件，由主触头和弧触头组成［4-6］。在断路器合闸时，弧触头先合主触头后合，触头系统决定合闸过程中灭弧室内的电场分布；在断路器分闸时，主触头先分，弧触头后分，触头系统影响开断过程中气缸的初始压气量，弧触头主要承担关合和开断电流的责任，故触头系统状态的好坏直接影响断路器的性能和使用寿命［7-9］。

目前，运维人员主要利用回路电阻测量评估已投运的SF6断路器触头系统状态［10-12］，但回路电阻不能反映弧触头运动状态，不能判断弧触头磨损情况，不能全方位评估断路器触头状态［13-15］。故研究人员研究测量SF6断路器动态接触电阻，以能全面掌握SF6断路器关合和开断过程中回路电阻全过程的变化量，从而反映SF6断路器触头系统的运行状态［16-18］。例如，SF6断路器在装配的过程会出现触头系统不对中，从而影响灭弧室内电场分布和触头系统运动特性；运行中会出现触头系统振动导致弧触头表面烧蚀严重，最终影响使用寿命；SF6断路器长期运行触头系统中的弧触头形状会发生变化，如果不及时掌握，会影响SF6断路器开断性能［19-21］。以上出现的不良状态，通过测量SF6断路器动态接触电阻都能很好地反映出来。

1 试验平台和方案

SF6断路器动态接触电阻测量原理如图1所示，将一个大电流源串联在断路器触头回路中，操作断路器进行合分，回路中会产生大电流（100 A以上），记录整个动作过程中回路中的电流、断路器断口两端电压和断路器行程曲线。利用U/I 得到断路器全过程动态接触电阻曲线，并结合行程曲线，可以了解断路器运动过程中接触电阻的变化曲线。

图1 动态接触电阻测量原理图Fig.1 Schematic diagram of dynamic contact resistance measurement

选用110 kV GIS断路器作为弧触头接触故障模拟试验样机，样机示意图如图2 所示。断路器触头行程120 mm，弧触头接触行程24±3 mm，主触头接触行程12 mm，合闸时间不大于100 ms，分闸时间25～37 ms，合闸速度2.5～3.5 m/s，分闸速度4.5～5.5 m/s，合闸同期5 ms，分闸同期3 ms。

图2 样机示意图Fig.2 Schematic diagram of the prototype

2 试验结果及分析

2.1 不对中模拟试验

弧触头不对中模拟试验模拟断路器灭弧室弧触头装配不对中情况，通过改变静弧触头与静支板配合定位槽的位置模拟的弧触头不对中3 种状态，分别偏移中心轴线0 mm、0.2 mm 和0.5 mm，如表1 所示。每种状态下测量10次动态接触电阻，然后进行比较。

对3种情况下多次测量的动态电阻进行平均值拟合，并将3 种情况的曲线进行比较，结果见图3。对使用工装正常安装的对中产品进行测试，断路器弧触头和主触头的超程差为15.1mm 及超程差区域的动态接触电阻平均值为372 μΩ。更换弧触头为表1 中不对中1情况，进行动态接触电阻测量，断路器弧触头和主触头的超程差为13.9 mm及超程差区域的动态接触电阻平均值为384 μΩ。更换弧触头为表1中不对中2情况，进行动态接触电阻测量，断路器弧触头和主触头的超程差为11.9 mm及超程差区域的动态接触电阻平均值为453 μΩ。

表1 弧触头不对中状态表Table 1 State table of arc contact misalignment

图3 弧触头不同偏心距离动态接触电阻比较曲线图Fig.3 Comparison curve of dynamic contact resistance of arc contacts with different eccentric distances

通过图3 可以知道：1）随着不对中情况越来越严重，断路器弧触头和主触头的超程差越来越小，静弧触头偏心0.5 mm，断路器弧触头和主触头的超程差减小了3.2 mm。2）随着不对中情况越来越严重，超程差区域的动态接触电阻平均值越来越大，静弧触头偏心0.5 mm，超程差区域的动态接触电阻值平均大了81 μΩ。

2.2 弧触头接触不良试验方案

静弧触头螺丝松动模拟试验模拟断路器弧触头接触不良情况，通过改变静弧触头底座的固定螺栓紧固状态实现断路器弧触头接触不良模拟，分3 种状态如表2 所示。通过力矩扳手改变每种固定螺栓紧固状态，测量10次动态接触电阻，然后进行比较。

对3种情况下多次测量的动态电阻进行平均值拟合，并将3 种情况的曲线进行比较，结果见图4。对固定螺栓紧固状态产品进行测试，断路器弧触头和主触头的超程差为15.1 mm及超程差区域的动态接触电阻平均值为372 μΩ。更换弧触头为表2 中扭矩40 N·m情况，进行动态接触电阻测量，断路器弧触头和主触头的超程差为15.1 mm及超程差区域的动态接触电阻平均值为443 μΩ。更换弧触头为表2中松脱1 mm情况，进行动态接触电阻测量，断路器弧触头和主触头的超程差为18.9 mm及超程差区域的动态接触电阻平均值为593 μΩ。

图4 弧触头紧固状态不同动态接触电阻比较曲线图Fig.4 Curves of comparison of dynamic contact resistances in different tightening states of arc contacts

表2 弧触头接触不良状态表Table 2 Bad contact state of arc contact

通过图4可以知道：1）随着固定螺栓越来越松，固定螺栓从紧固状态到松脱1 mm，断路器弧触头和主触头的超程差增大了3.8 mm。2）随着固定螺栓越来越松，固定螺栓从紧固状态到松脱1 mm，超程差区域的动态接触电阻平均大了221 μΩ。

3 诊断方法的具体应用

根据试验研究趋势并结合断路器生产及运行经验，提出了基于动态接触电阻曲线测量的高压断路器弧触头接触故障诊断技术，采用断路器弧触头和主触头的超程差及超程差区域的动态接触电阻平均值诊断断路器弧触头状态，主要诊断方法如下［22-24］：

1）对某一厂家某一型号某一电压等级断路器新出厂产品进行动态接触电阻曲线测试，记录其弧触头和主触头的超程差及超程差区域的动态接触电阻平均值。

2）通过10台以上的测试数据，并结合断路器设计参数，制定该种断路器基于动态接触电阻曲线测量弧触头接触故障诊断基准参量，主要包括断路器弧触头和主触头的超程差及超程差区域的动态接触电阻平均值及动态接触电阻曲线图3个方面。

3）对已投运断路器，停电检修时进行动态接触电阻曲线测量，测得断路器弧触头和主触头的超程差及超程差区域的动态接触电阻平均值，并与弧触头接触故障诊断基准参量进行比较［25-27］：

①如果超程差区域的动态接触电阻平均值大于基准参量的20%，该断路器需要重点关注，其后续停电检修测量有继续增大的趋势，需对灭弧室进行检修；如果超程差区域的动态接触电阻平均值大于基准参量的50%，对灭弧室进行检修。

②如果弧触头和主触头的超程差大于基准参量的10%该断路器需要重点关注，其后续停电检修测量有继续增大的趋势，需对灭弧室进行检修；如果弧触头和主触头的超程差大于基准参量的20%，对灭弧室进行检修。

4）对于新组装断路器，装配好后进行动态接触电阻曲线测量，测得断路器弧触头和主触头的超程差及超程差区域的动态接触电阻平均值，并与弧触头接触故障诊断基准参量进行比较［28-30］：

①如果超程差区域的动态接触电阻平均值大于基准参量的20%，该断路器需要重新装配弧触头。

②如果弧触头和主触头的超程差大于基准参量的30%重新装配弧触头。

4 结语

本文对高压断路器弧触头接触故障进行了模拟试验研究，主要包括弧触头不对中和弧触头接触不良两种情况，具体研究结论如下：

1）弧触头不对中模拟试验：随着不对中情况越来越严重，断路器弧触头和主触头的超程差越来越小，静弧触头偏心0.5 mm，断路器弧触头和主触头的超程差减小了3.2 mm；随着不对中情况越来越严重，超程差区域的动态接触电阻平均值越来越大，静弧触头偏心0.5 mm，超程差区域的动态接触电阻平均大了81 μΩ。

2）弧触头接触不良模拟试验：随着固定螺栓越来越松，固定螺栓从紧固状态到松脱1 mm，断路器弧触头和主触头的超程差减小了3.8 mm；随着固定螺栓越来越松，固定螺栓从紧固状态到松脱1 mm，超程差区域的动态接触电阻值平均大了221 μΩ。