断路器分闸过程中辐射电磁波测试研究*

刘 宏，俞 华，王 伟，孙乃君，成 林

(1.国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原 030001；2.国网山西省电力公司大同供电公司,山西 大同 037000；3.国网陕西省电力公司电力科学研究院,陜西 西安 710000)

断路器是工矿企业动力电重要的设备,断路器触头灭弧性能下降会导致分闸能力不足,出现断路器拒动现象,从而影响工矿企业生产的安全稳定运行[1-2]。目前,断路器现场测试主要采用3 种方式[3-5]:(1)回路电阻法,利用停电时机测量断路器触头接触质量,当接触质量不佳时,回路电阻大于规定阈值,从而判定触头接触状态不合格；(2)机械特性测试法,包含断路器分/合闸时间、动作电压、动作行程、三相不同期时间等,主要考核断路器及其附属装置配合情况,尤其是针对断路器机械操作机构检验效果更为突出；(3)外施交流耐压法,考核的是断路器在合闸状态下整体对地绝缘情况以及分闸状态下对断口的绝缘,如果绝缘水平不满足要求,也会出现断路器误动现象。但是,现有这3 种方法对断路器灭弧性能针对性不强,无法准确反映断路器分合状态,尤其与断路器实际灭弧过程缺乏关联[6]。

赵洋[7]分析了灭弧系统中电极结构、电极材料、屏蔽罩和真空度等对断路器灭弧性能的影响,但这些影响因素都是断路器自身特性,是断路器设计阶段结构考虑重点,无法体现断路器自身运行特性；殷培峰等[8]分析了断口电压、动作速度对断路器灭弧特性的影响,但没有考虑触头性能和负载电流等影响因素；陈文革等[9]就高压开关触头间电弧的产生机制及电弧熄灭的方式进行了总结与分析,认为触头表面状态的不均匀或材料微观组织的不均匀是影响弧触头性能的最根本因素,但是也没有提出触头带电检测方法。综上所述,在断路器分、合闸过程中,尚无针对断路器灭弧特性具体检测方法。

1 断路器分闸电磁波原理

断路器灭弧性能受触头烧蚀程度影响较大,触头烧蚀越严重,断路器灭弧性能下降越多,电弧电流难以自行熄灭,甚至会引起断路器分闸失败。断路器分闸过程中在断口呈现很高的电压,往往会出现不稳定的电弧电流,同时向外辐射出丰富的电磁波信号,通过电磁波信号可反推出断路器分闸过程中电弧燃烧情况,进而判断动、静触头状态[10-11]。当断路器触头质量完好时,其分闸过程中辐射出的电磁波信号幅值低、数量少,当断路器触头烧蚀严重时,其分闸过程中辐射出的电磁波信号幅值高、数量多,因此,可通过检测断路器分闸过程中辐射出的电磁波信号含量进而判断断路器灭弧性能。其实,断路器在合闸过程中也会辐射电磁波,但触头灭弧性能对分闸的影响程度往往大于合闸,且因触头灭弧性能下降导致分闸失败的案例居多,因此,本文在此着重开展断路器分闸过程辐射电磁波测试研究工作。

此外,110 kV 及以上电压等级断路器多为SF6断路器,断路器分闸过程中电弧重燃受灭弧介质影响较大,无法准确反映触头质量。与此同时,高电压等级断路器离地距离高,电磁波信号衰减程度大,需要高性能的特高频传感器才能准确捕捉信号,检测装置研制费用昂贵。而工矿企业用电主要集中在10 kV 和35 kV 两种电压等级,多采用断路器,其分闸过程中电弧重燃与触头质量关系较为直接,不受灭弧介质影响,便于建立电磁波-灭弧特性-触头质量对应关系,另外,断路器离地距离不高,信号衰减相对较少,只需传统特高频传感器即可完成非接触式测试,现场操作简便。

2 断路器分闸模拟试验平台

断路器分闸过程中辐射电磁波信号受开断电压、分闸速度、负荷类型、触头烧蚀程度等因素影响[12-13]。其中,开断电压和分闸速度是断路器设计参数,设计满足要求后往往不会随着运行发生改变,而负荷类型与触头烧蚀程度与运行关系密切,运维人员更加关注后者对断路器灭弧性能的影响。如何区别各种因素对电磁波信号的干扰从而通过电磁波达到分析断路器灭弧特性优劣是本文研究的重点。

图1 所示为断路器分闸模拟试验接线图,利用无晕变压器实现电压升高,保护电阻防止试验回路击穿烧毁变压器,高压探头测量断路器开断电压,特高频传感器测量分闸过程中辐射出的电磁波信号,绝缘拉杆模拟断路器分闸速度,位移传感器测量断路器分闸速度,负载可实现电阻和电容自动切换。图2 所示为断路器分闸模拟试验实物图。

图1 断路器分闸模拟试验接线图

图2 断路器分闸模拟试验实物图

2.1 开断电压影响

开断电压越高,断路器分闸过程中触头之间积聚能量越大,产生电弧的电流、电压也随之变大,而辐射出的电磁波信号的幅值、数量、持续时间也随之增多[14]。图3 所示为实验室模拟单台断路器分闸过程中辐射电磁波信号图谱,横坐标为持续时间,纵坐标为电磁波信号幅值。试验分别测试了开断电压在0.3 kV、1 kV、1.9 kV、2.8 kV 4 种状态下的断路器分闸信号,电磁波幅值由1 V 增大到4 V,数量由1个增大到数十个,持续时间由1 ms 增大到3 ms。因此,在实际测试过程中,只能通过同一电压等级且相同开断电压的断路器进行对比分析,对于不同开断电压的断路器分闸辐射电磁波信号不具有可对比性。

图3 开断电压对辐射电磁波信号影响

2.2 分闸速度影响

断路器分闸过程中分闸速度越快,其燃烧电弧越容易熄灭,因此,辐射出的电磁波信号的幅值、数量和持续时间越小[15]。图4 所示单台断路器在不同动作速度下分闸过程中辐射电磁波信号图谱,实验模拟了分闸速度在0.147 m/s、0.209 m/s、0.346 m/s、0.430 m/s、0.599 m/s 5 种情况,信号幅值由5 V 降低至2 V,信号数量和持续时间也大幅缩小。一般情况下,即使操作机构运行老旧的断路器,其分闸速度也会大于1 m/s,因此,现场测试不需要考虑分闸速度对电磁波信号影响。

图4 分闸速度对辐射电磁波信号影响

2.3 负荷类型影响

负荷的变化,主要影响断路器分闸过程中开断电流是容性还是阻性。容性电流会导致断路器开断电压不能畸变,引发电磁波信号含量丰富,而阻性电流不会影响开断电压,电流相对容易熄灭。图5 所示单台断路器对电容和电阻两种负载进行分闸测试,电容性负载分闸过程中辐射出电磁波信号幅值在4 V 左右,信号数量较多,而电阻性负载分闸过程中辐射出电磁波信号幅值在2 V 左右,信号数量较少。现场测试过程中,断路器开断两种负载情况均为普遍,因此,只能针对各自不同负荷类型进行具体分析,二者无法确定统一的故障判断阈值。

图5 负荷类型对辐射电磁波信号影响

2.4 触头烧蚀影响

触头烧蚀严重,会影响断路器灭弧性能,进而导致断路器在分闸过程中辐射出的电磁波含量增多,这也是利用辐射电磁波法测量断路器灭弧特性的关键原理。图6 所示单台断路器采用不同触头在分闸过程中辐射电磁波信号图谱,严重烧蚀的触头其电磁波幅值在2 V,信号相对分散且持续时间较长,而轻微烧蚀的触头其电磁波幅值在1 V,信号相对较为集中且持续时间较短。可以看出严重烧蚀的触头在分闸过程中辐射电磁波幅值相对较高,信号持续时间较长,因此,对于三相同期分闸的同型号断路器,可通过分闸过程中电磁波信号比对判断各个断路器的触头烧蚀程度。

图6 触头烧蚀对辐射电磁波信号影响

3 现场测试

对某35 kV 断路器1＃、2＃进行分闸测试,1＃断路器测试波形如图7 所示。由于三相断路器分闸时间不完全同期,从电磁波接收信号上可看出3 条单独的脉冲信号即为1＃断路器三相分闸过程中分别辐射的电磁波信号。此外,1＃断路器在分闸过程中辐射出的电磁波信号幅值约为3 V 左右,各电磁波脉冲清晰,信号持续时间短,表明其灭弧性能良好。

图7 1＃断路器分闸过程电磁波波形

2＃断路器测试波形如图8 所示,在分闸过程中辐射出的电磁波信号幅值约为3 V 左右,但各相电磁波脉冲信号均持续较长时间,其中某一相持续时间远大于其余两相。表明其灭弧性能可能不及＃1断路器。从图9 看出,2＃断路器B 相解体发现动、静触头存在明显的黑灰色烧蚀痕迹。

图8 2＃断路器分闸过程电磁波

图9 2＃断路器动、静触头解体照片

4 结论

断路器分闸过程会辐射出含量丰富的电磁波,当断路器灭弧性能下降时,电磁波的信号幅值、数量和持续时间也将增大。通过搭建模拟实验平台,分析了开断电压、分闸速度、负荷类型和触头烧蚀程度对电磁波信号的影响,并提出针对性的分析方法。最后,通过现场测试,对比了两台断路器分闸过程中的辐射电磁波信号,并结合解体验证结果证明本文所述方法的有效性。