基于35kV SF6无功补偿断路器运维护方案的探讨

广东电网有限责任公司佛山供电局 李志锦

在电力系统中存在众多的无功负载，正常情况下这些负载吸收的无功功率由发电厂提供。由于电力系统中负荷在一天中随着用户的的投入或退出，无功的需求也随之变化，系统中的电压也随之变化，而系统发电机组所提供的无功吸能在一定范围内进行调整，为保证系统的的电压合格率及可靠性，当系统中的无功不足时，系统中会投入容性无功进行补偿，提高电压水平。由于系统中和负荷是时刻变化的，需要的无功也是时刻变化的，需要断路器频繁投入或退出无功容量，由于无功的断路器频繁操作会出现回路电阻增加的缺陷，严重时影响断路器的安全运行。

某500kV变电站的主变压器变低配置某高压电器有限公司生产的LW36-72.5（W）/T4000-50型SF6断路器4台。其中三台用于无功补偿电容器支路，一台用于500kV主变35kV侧出线。其中用于无功补偿电容器支路在运行半年后，在试验中发现断路器的主回路电阻值大幅上升且超出产品标准的情况，检查断路器的动作次数不超过300次，现场对产品的安装状态进行了重新检查，确认产品安装符合技术要求，传动连杆和各处紧固螺栓无松动。排除是由于安装问题引起断路器的主回路电阻超标情况。为设备运行安全，更换了该批断路器的极柱并进行解体分析，制定相应运行维护措施。

1 SF6断路器的异常及检查情况

灭弧室拆解后检查：三相灭弧室弧触头烧蚀正常，主触头和主触指未见明显烧蚀痕迹。电阻最大相从弧触头看烧蚀要更厉害一些，但没有过度烧蚀（图1），该断路器使用于无功补偿工况，该触头烧蚀情况属于正常现象；产品超行程的检查。拆解灭弧室与支柱瓷套，测量灭弧室刚合点尺寸以及分闸时绝缘拉杆销端面与瓷套端面的距离并与质量跟踪卡数值进行对比分析，此数据满足要求，复测数据和装配时数据基本一致且满足标准要求，说明产品超行程配置没有问题，不会存在触头没有接触可靠的现象；产品触头的接触压力的测试。复测灭弧室插拔力数据，和出厂值进行对比，标准要求刚合点前插拔力范围（100N～400N），刚合点后插拔力范围（400N～800N），复测插拔力数据均满足标准要求。

图1 触头烧蚀情况

活塞镀银层。活塞镀银层厚度的测量，对产品处于分、合闸位置时活塞和弹簧触头、主触头的实际接触区镀银厚度进行了测量（活塞上下两端），各测量三个点，结果满足设计要求。而活塞中部区域测量结果相对于两端镀银厚度薄一些，但也满足图样要求（该活塞中间部分只是在产品分合闸过程中与弹簧触头接触，不会影响产品在合闸位置时的回路电阻）；复测零件尺寸。按照处理方案对拆解的部分零部件尺寸进行复检，除部分零件无法拆解外能检测的尺寸均满足标准要求，说明零件尺寸无异常。

解体检查总结：从拆解的情况看，该无功补偿断路器开断次数较多，存在一定的粉尘，在开断过程中气体和少量的水分发生反应，使零件接触面氧化对其电阻也有一定的影响，通过累积各连接面的电阻，最后会导致主回路电阻超出标准。无功补偿断路器需要频繁进行投切，运行工况特殊，而其分合时必然会产生电弧烧蚀，所以在其生命周期内主回路电阻回升必不可免。因此，需对现有断路器的电阻异常进行检查的结果，对其用于无功补偿的SF6断路器进行研究分析，制定出相应的运行维护措施，并在运行中严格执行，落实措施，保断路器的运行可靠性。

2 SF6无功补偿断路器的分合闸特点

2.1 无功补偿的原理

在整个电力系统中存在各种类型的无功负载，正常情况下这些负载所需求的无功功率由发电厂提供。也就是说发电机在工作时除向系统中输送有功电能、同时对无功负载提供无功电能，当系统中无功功率需求较大时将降低发电机有功功率的输出量。一般系统中的无功负载大部分是感性负载，把具有容性功率的装置与感性负载联接在同一回路，当感性负载吸收能量时容性无功装置释放能量；当感性负载释放能量时容性无功装置吸收能量，能量在感性与容性负载之间转换，无功补偿装置降低了线路损耗，提高带载能力，降低电压损失以及缓解发电厂的供电压力，供电系统为用户提供合格的电压。

2.2 开断过程分析

无功负荷电流的开断有其独特的特点，与有功的负荷电流有质的区别，需考虑的因素主要有开断后的过电压幅值、重击穿后电压级升及涌流等因素会影响断路器开断的性能，也会直接影响到断路器的接触情况。

分合闸过程中过电压产生的情况：无功电流开断过程中，由于断路器的三相不可能是在同一时间开断的，一相被开断后系统平衡被打破，系统中性点对地电位提高的幅值与正序无功与零序无功的比值有关。对于无功补偿装置中性点不接地的情况下，在首开极开断后的1/4周期内，中性点电位上升到0.5pu，恢复电压的峰值为：负载电容存储电荷后的电压1pu+反向电源电压1pu+中性点偏移电压0.5pu=2.5pu。因此在无功断路器的分合闸的暂态情况下，会产生影响断路器的的性能。

断路器的分断过程出现击穿后的电压级升及涌流：在断路器的动作过程中会出现重击现象，在多次重击穿的情况下，在无功装置上的电压会按照1Um、3Um、5Um的序列建立起来，而断路器触头间恢复电压2Um、4Um、6Um序列建立起来，会在正常的电压波形上产生突变量。需要指出的是，电压级升效应必须在重击穿后的第一个高频电流过零时开断，由于SF6自能式断路器开断高频电流的能力比较弱，一般要到下一个工频电流过零时开断，所以SF6断路器电压级升的风险比较低。但重击穿时的高频涌流上升每微秒几百安电流。使得触头间隙中的气体急剧加热和膨胀，这可能导致喷口严重烧蚀或导致主触头间的击穿，因此需考虑的多次重击穿的情况下对触头系统的影响。

合闸过程分析：断路器在合闸过程过程包含对单个无功装置的投入与背对背无功装置的合闸投入过程。对于无功装置的投入，系统阻抗变化比较大，可限制合闸涌流的的变化，其带来的问题是母线过电压受无功装置投入操作影响较大，将产生严重的暂态过程。对于背靠背无功装置的投入与退出，特别是两个电容器组间的感抗很小（一般需和电容器串联限流电抗器），合闸涌流值及频率较高。合闸时断路器从预击穿开始就流过电流，又因为涌流频率较高，在刚合点前就会流过电流峰值，这将带来严重的烧蚀。也就是在1毫秒时间内达到电流峰值，此时断路器的触头接触位置仍处于刚合状态，容易出现烧蚀弧触及主触头触指。

3 无功补偿装置工况对断路器影响分析

3.1 引弧触头的影响

从无功补偿断路器的开断与合闸过程可知，开断过程中的重击穿与关合过程中的合闸涌流都将带来触头的严重烧蚀。为应对这种工况，SF6断路器的弧触头全部采用烧结材料的CuW70（80），当断路器在分合闸过程中，触头间会产生电弧。此时电弧首先在气化温度更高的钨上形成弧根，铜在钨气化前已经气化用来冷却弧根，同时铜蒸气包裹弧根，使弧根更稳定，因此铜钨侵蚀量显著小于各均质材料。对于不太复杂的触头，侵蚀量的计算公式可用公式m=aIata，式中ta为电弧时间，a为与触头材料、产品结构有关的常数。通过公式计算可以初步对SF6断路器在对无功装置投入运行或退出的操作后引弧触头的影响。

3.2 对断路器回路电阻影响

根据SF6断路器的产品结构分析，断路器的回路电阻主要由三部分组成：支撑座、气缸、活塞等零件本身的电阻+静接触电阻（气缸与支撑座接触电阻等）+动接触电阻（活塞与触指接触电阻等）[1]。在这三部分电阻中，静接触电阻与零件本身的电阻一般在使用过程中变化较小，主要与温度有关。虽然通过优化设计可减轻触头及喷口的烧蚀，但多次开断后，仍有部分开断过程中的粉尘覆盖在触指、活塞上等导电活动接触表面，导致动接触电阻增加，接触电阻过大会造成发热严重，可能导致主触头之间发生溶焊，无法分闸。在接触处，由接触电阻产生的热损耗集中在很小范围内，这些热量只能通过热传导向接触点两侧的正常导体和触指传热，因此接触点处的温升最高。

通过理论计算，优化对SF6断路器的灭弧室进行了优化设计。通过C2级的设计采用4000A的额定电流、20kA的设计，可以提高SF6断路器的动作次数及运行安全可靠性[2]。

3.3 无功补偿SF6断路器运维方案的设想

3.3.1 基于断路器动作次数进行考虑运维的条件

从对断路器投入运行或退出无功装置对引弧触头的影响可知，引弧触头的烧蚀量与燃弧时间成正比，从断路器在无功回路的投入或退出每次的燃弧时间是与其动作时，与各相电流、电压的波形位置有关，不能进行统一为同一个时间参数，通过运行中时各相投入或退出综合分析显示，分合闸的次数越多，累计总燃弧时间越长，引弧触头烧蚀越严重。

3.3.2 基于断路器的回路电阻考虑运维的条件

从投扩或退出无功装置对断路器回路电阻的影响分析可知，关断过程中的粉尘覆盖在主触头上，导致接触电阻增大，温升超标。可通过产品在实际运行使用的工况进行分析制定对断路器的运维方案。

当回路电阻在产品标准内时、且动作次数在1000次内，可每1年进行检查回路电阻，定期记录断路器的动作情况，当增加500次应增加测试次数。当动作次数达到4500次时建议对机构进行检查维护，灭弧室进行解体检修处理，更换弧触头及主触头组件；当回路电阻大于产品标准且少于2倍产品标准时，动作动作次数在1000次内，可每1年进行检查回路电阻，定期记录断路器的动作情况，当增加500次应增加测试次数。当动作次数达到3500次时，建议对机构进行检查维护，灭弧室进行解体检修处理，更换弧触头及主触头组件。

当回路电阻大于产品标准2倍且少于3倍产品标准时，动作动作次数在1000次内，可每1年进行检查回路电阻，定期记录断路器的动作情况，当增加500次应增加测试次数[3]。当动作次数达到3000次时，建议对机构进行检查维护，灭弧室进行解体检修处理，更换弧触头及主触头组件；当回路电阻大于产品标准4倍产品标准时，应建议对机构进行检查维护，灭弧室进行解体检修处理，更换弧触头及主触头组件。

总体运维方案的思路是建议建立断路器的亚健康运行状态的记录，对断路器的动作次数及回路电阻进行综合判断，对用于无功补偿装置功能的断路器进行特殊运维管控措施，确保断路器的安全运行。

综上，目前在电力系统设备中开展关于无功补偿断路器弧触头侵蚀量及电阻回升值与动作次数的关系研究仍存在较零散的状态下，特别是在实际在系统负荷变化频繁、动作次数多的断路器更少，希望能够在运行中有针对性地做好运维的总结。为进一步提高SF6断路器用于投入无功装置的安全用可靠性，开发在线利用动态电阻仪每开断100次测量一次动态电阻，收集大数据进行分析，通过对比分析可粗略估算触头侵蚀量、主回路电阻回升值与关断次数的关系。对电阻超标的产品解体检修，查看灭弧室烧蚀情况等进一步优化产品，使产品更适合用于无功装置的回路中进行工作，实现断路器主回路电阻的在线监测功能。