500 kV断路器灭弧室电寿命评估技术研究

李 东，尹 启

（南方电网超高压输电公司曲靖局，云南 曲靖655000）

0 简介

断路器的运行状态通常由其电寿命决定，在电力系统运行过程中，断路器频繁开断以及断路器开断次数达到上限时，需要针对断路器开展检修工作，分析触头的磨损量［1-2］。同时，系统反措中也有要求，需校核断路器本身开断短路电流能力是否符合运行的要求，针对多次开断短路电流的断路器，评估其对灭弧室电气性能的累计效应［3-4］。

当前，电力系统的规模越来越大，然而系统的阻抗相对逐渐降低，如果系统出现短路情况，对于系统的稳定运行产生重大的破坏，并且，这种短路电流加重了断路器电弧烧蚀的累积效应［5-6］。其中，交流滤波器断路器大量投入使用，由于电网负荷的改变，引起断路器工作状态的不停改变，特别是系统中的容性负载，降低了灭弧室弧触头的使用寿命［7-10］。

为了体现断路器的开断水平，在额定短路电流的情况下，断路器能够投切的次数，采用这种实验的方式，测定断路器的电气寿命［11-14］。当断路器进行投切操作时，会发生电弧烧蚀的现象，在电弧的作用下，触头表面不断遭到破坏，这种情况称为电磨损［15-16］，影响电磨损的因素主要有灭弧室的结构、投切电流、投切速度和电弧持续时间等［17-18］。

目前，对断路器灭弧室触头接触状态非解体式的评估方法主要有四种，分别是［19-20］：1）静态电阻测量法；2）N-Ib寿命曲线分析技术；3）触头超程时间建模技术；4）动态电阻测量法。在断路器运行过程中，会形成一定的电弧，由于电弧的作用，使得断路器灭弧室的触头和喷口表面出现一定的损坏，随着断路器的操作次数的增加，便形成了电弧的累积效应，造成永久的损坏。于是，本文通过分析断路器灭弧室的运行状态，实现定量分析断路器工作电寿命的目的，有利于断路器运行状态的评估，从而提出准确有效的检修措施。大量的运行经验表明，影响断路器灭弧室的电寿命主要有两个方面：弧触头和喷口。本文根据这两个方面的工作状态，提出了相应的试验检测技术和评估方法。

1 试验样机及其材料选择

本文选择的试验样机为具有CYA4液压弹簧操动机构的500 kV瓷柱式LW15-550型断路器，主触头选择模式为铜镀银合金，弧触头采用的是CuW70合金，断路器结构示意图如图1所示。灭弧室采用单压式、变开距双向吹弧熄弧，压气缸在操作机构的带动下在其内部产生高压的SF6气体，高速流过喷口，将在动、静弧触头之间产生的电弧熄灭，在开断大电流时利用电流本身能量产生的膨胀作用实现熄弧效果，在开断小电流时，直接利用压气效应熄弧。灭弧室内正常载流主触头与弧触头分离，保证了断路器的电寿命和可靠性，单断口结构，结构简单，布置紧凑，安全性和可靠性进一步提高。其中，动触头使用的材料为Φ170×17.5铬青铜管QCr0.5，静触头使用的材料为210×30铬青铜管QCr0.5，动弧触头和静弧触头使用的材料为铜钨合金CuW70/铬铜QCr0.5，中间触头使用的材料为铬青铜QCr0.5，喷口使用的材料为聚四氟乙烯F4+7%BNφ35/φ 110×190。

图1 断路器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the arc extinguishing chamber of the test prototype

因为断路器投切过程产生的电弧会烧蚀表面材料，从而引起材料的电磨损，断路器表面材料一共需要经历3个时期，依次为老炼时期、稳定时期与失效时期［21-24］。影响表面材料性能最关键的时期是稳定时期，当材料中的Cu元素与W元素配比合理，才能增加表面材料运行的稳定时期［25-27］。

2 断路器灭弧室触头性能试验研究

断路器灭弧室的触头运动阶段能够当成是由四个重要阶段组成，依次为合闸阶段、主触头分离阶段、弧触头分离阶段和分闸阶段［28-30］。经由动态电阻测量技术，能够分析动静弧触头的表面情况与长度情况，如图2所示。该技术选择测量断路器弧触头的电阻变化值，也就是伏安值，进行分析。通过建立断路器弧触头运动模型，当断路器处于分闸状态时，分析这个时期电阻值，同时，考虑断路器自身特点，便能够获得断路器分闸状态触头的准确状态。还能够分析出不同阻值时，触头运动长度，这种情况可以定义为有效接触电阻位移。

图2 动态电阻测试仪接线图Fig.2 Wiring diagram of dynamic resistance tester

通过采用不同的试验电流，测试断路器的动态电阻，230 mm到220 mm为断路器的静触头铜铬段，220 mm到205 mm为断路器的铜钨段，205 mm到195 mm为动触指摩擦静触头倒角部分。断路器的动触头触指内部接触平面长度为12 mm。通过图3能够发现，试验电流越大，断路器形成的动态接触电阻越平稳，产生的波动也越小，并且，试验电流越小，形成的动态接触电阻峰值越高，产生的波动越大。

图3 不同电流时动态接触电阻曲线分闸部分Fig.3 The opening part of the dynamic contact resistance curve at different currents

通过实验能够发现，断路器的接触电阻有效位移里得到的平均电阻值，可以反映断路器弧触头的表面情况，并且有效位移可以反映断路器弧触头的有效长度。当断路器每次动作后，由于电弧的作用，平均电阻值和有效长度将会出现一定的改变，采集这些动作后的值，进行对比，便能够准确反映出断路器弧触头表面的变化情况。

3 500 kV断路器电寿命试验过程动态电阻趋势研究

当试验累积开断电流能量不断提高的情况下，断路器弧触头的有效接触行程将不断变小，而且，断路器的接触电阻值稳定性不断减小，随着触头动作行程的提高，形成的触头接触电阻越来越大，如图4和图5所示。

图4 触头动作行程和接触电阻的关系Fig.4 The relationship between contact stroke and contact resistance

图5 断口弧触头接触位移、电阻与累积电流关系图Fig.5 The relationship between the contact displacement，resistance and accumulated current of the fracture arc contact

当试验开断电流不断增加的情况下，断路器弧触头形成的有效接触位移越来越小，同时，平均接触电阻越来越大。为了分析断路器的开断电流累积作用，经由相关试验可以得到，随着断路器开断能量的不断提高，断路器的有效接触位移越来越小，具有指数降低的趋势，如图6所示。

图6 有效接触位移趋势分布图Fig.6 Trend distribution diagram of effective contact displacement

为了得到断路器灭弧室的电寿命，需要分析累积开断能量和有效接触位移的关系、累积开断能量和平均接触电阻的关系。假设累积开断能量为Q（∑I2×104kJ），那么进行有效接触位移指数拟合，可得有效接触位移L和累积开断能量Q的关系为：

随着断路器累积开断能量的提高，形成的平均接触电阻越来越大，两者具有指数增加的趋势，如图7所示。

图7 平均接触电阻趋势分布图Fig.7 Trend distribution graph of average contact resistance

假如累积开断能量Q为（∑I2×104kJ），那么进行平均接触电阻指数拟合，可得平均接触电阻Rˉ和累积能量Q的关系公式为：

当断路器的有效接触位移L为0～5 mm的情况下，随着有效接触位移的增加，平均接触电阻快速减小；随着有效接触位移的继续增加，平均接触电阻减小的趋势降低，如图8所示。

图8 平均接触电阻随位移变化趋势分布图Fig.8 Distribution of average contact resistance with displacement

通过对断路器弧触头有效接触行程对应的平均接触电阻，进行幂函数拟合分析，能够获得平均接触电阻和有效接触位移L的关系为：

通过分析断路器触头质量减少量和其动作电流，便能够分析断路器触头质量的侵蚀量。依照燃弧时间与电流最大值，便能够分析断路器动作产生的库仑量。由于断路器动作过程中，电流波形呈现衰减的特征，那么能够得到如下关系：

在式（4）里，C代表库仑量；t代表燃弧时间；Im代表电流峰值；f代表频率。于是，单位库仑量的断路器触头质量减少量有：

4 断路器触头烧蚀情况分析

由于断路器每次进行动作操作时，产生的放电电弧持续烧蚀触头，加剧了触头的损耗。当断路器完成一次动作后，触头表面出现一定的改变，包括微观形状、材料成分以及组分，如果在放电电弧严重的情况下，引起触头出现裂纹、材料蒸发、熔化和掉渣等，使得断路器工作性能发生一定的改变。当断路器运行一定次数后，造成触头不能正常工作，断路器失去保护的作用。为了分析断路器触头烧蚀情况，当某个弧触头经过累积短路电流烧蚀后，分析该弧触头的金相，观察其微观形貌，并且开展能谱分析，从而获得断路器弧触头通过多次电弧烧蚀后，弧触头表面变化的宏观和微观情况。

宏观上，断路器弧触头在电弧的多次作用下，外表面变黑，如图9所示。试验发现，断路器静弧触头表面产生了一些小孔洞，具有一定的龟裂状，而且圆弧状的触头表面出现一定的磨损，形成了一种凹凸不平的现象。断路器动弧触头同样在电弧的作用下，出现了龟裂的现象，形成的裂纹深度没有静弧触头的大，这是因为动弧触头的结构可以有效降低电弧的烧蚀作用，减少了动弧触头的磨损量，动弧触头表面材料呈现一定程度的磨损，产生了形变。

图9 触头表面宏观形貌Fig.9 Macro morphology of the contact surface

微观上，试验内容含有金相试验，通过金相分析，实现断路器的微观形貌分析，如图10所示。通过图10（b）可以发现，断路器触头表面出现一定程度的裂纹，这种裂纹由外到内，不断发展，最深处裂纹超过500μm。产生裂纹的原因是在电弧的作用下，断路器触头表面的金属Cu材料出现熔化和蒸发，由于金属W材料熔点远远高于金属Cu，当Cu材料熔化和蒸发后，使得触头表面出现微裂纹，同时，由于高温、高热的环境，断路器内部形成一定的金属蒸汽压力，这种压力加剧了裂纹的纵深发展。当电弧消失后，断路器触头表面材料出现一定程度的凝固，通过电弧的不断烧蚀，触头材料表面形态再次发生变化。

图10 触头金相检测对比Fig.10 Comparison of metallographic detection of contacts

微观上，试验内容还含有能谱分析，结果如表1所示。由于电弧的作用，使得能谱里含有了微量Fe和Al元素，这是由于电弧烧蚀了触头座铸铁材料以及少量的喷口氧化铝填料。

表1 能谱分析结果Table 1 Energy spectrum analysis results

5 结语

本文选择的试验样机为具有CYA4液压弹簧操动机构的500 kV瓷柱式LW15-550型断路器，主触头选择模式为铜镀银合金，弧触头采用的是CuW70合金，开展断路器灭弧室电寿命的相关试验研究，研究发现：

1）试验电流越大，断路器形成的动态接触电阻越平稳，产生的波动也越小，并且，试验电流越小，形成的动态接触电阻峰值越高，产生的波动越大。

2）断路器的接触电阻有效位移里得到的平均电阻值，可以反映断路器弧触头的表面情况，并且有效位移可以反映断路器弧触头的有效长度。当断路器每次动作后，由于电弧的作用，平均电阻值和有效长度将会出现一定的改变，采集这些动作后的值，进行对比，便能够准确反映出断路器弧触头的表面变化情况。

3）由于断路器每次进行动作操作时，产生的放电电弧持续烧蚀触头，加剧了触头的损耗。当断路器完成一次动作后，触头表面出现一定的改变，包括微观形状、材料成分以及组分，如果在放电电弧严重的情况下，引起触头出现裂纹、材料蒸发、熔化和掉渣等，使得断路器工作性能发生一定的改变。当断路器运行一定次数后，造成触头不能正常工作，断路器失去保护的作用。