合閘涌流對無功用斷路器觸頭壽命影響

李建鵬，王 偉，李江龍，孟延輝，王占寧

（國網河北省電力有限公司檢修分公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

執行無功補償用的電容器組和電抗器需要斷路器頻繁動作，對斷路器的觸頭壽命有很高的要求。斷路器觸頭包括主觸頭和弧觸頭，其中主觸頭承擔通流的功能，弧觸頭起到引燃、熄滅電弧的作用。斷路器分合閘過程中，弧觸頭受到電弧的燒蝕及機械磨損，逐漸產生質量損失及形變。嚴重情況下，一旦主觸頭通過電弧將造成斷路器閃絡甚至爆炸的嚴重事故［1-3］。

以往對無功補償用斷路器開斷大電流時的觸頭燒蝕有很多的研究，多數研究認為質量損失率可以表征開斷過程中的觸頭燒蝕特性，但是觸頭質量損失的測量需要拆卸滅弧室，電力設備運行現場不具備該條件，并且長時間停電檢修影響電網的安全穩定。動態接觸電阻法是在不拆卸滅弧室前提下，通過測量合閘或分閘過程中動、靜觸頭之間的接觸電阻來評估高壓斷路器觸頭燒蝕情況，并診斷其電壽命的有效方法［4-11］。

1 關合涌流引起的弧觸頭燒蝕

斷路器在關合過程中，關合涌流電弧會造成弧觸頭間的燒蝕、磨損、變形，改變滅弧室內電場分布，降低弧后介質恢復特性。在瞬態恢復電壓的作用下，極易發生重擊穿現象，產生操作過電壓，損害斷路器的開斷性能，嚴重時導致開斷失敗。因此，關合涌流對斷路器弧觸頭的燒蝕是影響開斷性能和電氣壽命的關鍵因素。

假定斷路器三相觸頭的關合是同期的，電容器組每組的電容量也是相同的，則三相電路可按圖1的單相電路來分析。

圖1 單相電路

圖中L 為電源電感，C0為母線及其饋線的對地電容，C 為電容器組每組的電容（C＞＞C0）。若電源電壓u=Umsin（ωt+φ），合閘前電容C 上的殘留電壓為U0，則斷路器關合時電容C 上的電壓uc為

式中：Um為電源最大電壓；ω0＝。

電容器中流過的電流由工頻部分及高頻部分組成，工頻部分就是電容器中流過的穩態電流，高頻部分為暫態電流?？紤]最嚴重的情況，即工頻部分最大值與高頻部分最大值同時出現，則電容器中流過的涌流最大值

若U0＝0，則

式中：Im為電容器中穩態電流最大值；Ps為電容器安裝處母線的三相短路容量；Pc為三相電容器組的容量。電容器投入時，涌流的倍數最高可能達二十多 倍［4-5］。

斷路器在頻繁地操作過程中，高于額定電流數倍的涌流會燒蝕弧觸頭，弧觸頭間的機械磨損會造成弧觸頭質量受損及變形。觸頭分斷后進行下一次關合，由于前次關合弧觸頭產生了磨損和變形，導致電場發生了畸變，使弧觸頭更容易預擊穿，表現為燃弧時間的增加，這使得弧觸頭溫度升高，機械磨損和變形更為嚴重，電場的畸變進一步增加［6-10］?；∮|頭的關合侵蝕是預擊穿電弧燒蝕和燒蝕后的機械磨損綜合作用的結果，兩個過程互相影響，惡性循環，導致了弧觸頭的加速失效。

正常情況下，主觸頭長時間承受工作電流，弧觸頭承受電弧電流的燒蝕。當弧觸頭燒蝕到一定程度時，接觸行程大幅度減小將導致噴口提前打開，氣體吹弧能力下降，觸頭間電場畸變嚴重降低介質恢復強度。開斷短路電流時，電弧將向主觸頭轉移，主觸頭一旦遭受電弧電流后就會產生嚴重燒蝕甚至變形，導致下次合閘后導電回路接觸電阻急劇增大或者合閘不到位，引起斷路器在合閘后發生爆炸事故。

2 觸頭燒蝕引起的斷路器爆炸事故

2.1 現場檢查情況

A 相瓷套爆炸，大部分碎片散布在斷路器周邊5 m 區域內，如圖2 所示。靜觸頭側懸掛在母線隔離開關側一次引線上，動觸頭側通過絕緣拉桿懸掛在斷路器本體槽鋼上，底部吸附劑安裝部位外殼破裂，如圖3 所示。瓷套碎片外表面無爬電痕跡，內部釉面被高溫燒黑。絕緣拉桿表面有黑色燒灼痕跡，初步檢查未見到明顯的爬電痕跡，滅弧室各元器件均已燒損。觸指嚴重燒損，散落于地面，如圖4 所示。B 相瓷套下部外表面受熱變色，如圖5 所示，斷路器與電流互感器之間的接線板側面及下部有2 處放電燒融痕跡。C 相本體檢查無異常。

圖2 爆炸現場

圖3 吸附劑安裝部位

圖4 燒損的觸指

圖5 B 相瓷套

2.2 故障錄波及視頻監控顯示的事故發展過程

故障斷路器為液壓機構斷路器，2007 年投運，動作次數4 480 次，運行年限12 年。故障前天氣情況：陰。故障前運行方式：站內正常方式運行，該斷路器由AVC 控制投入運行，合閘后錄波圖顯示電壓、電流正常。故障錄波顯示的事故發展過程如圖6 所示。通過視頻監控，可以看到斷路器A 相瓷套出現2 次爆炸，第1 次爆炸部位在瓷套下部（吸附劑部位），第2 次爆炸部位在瓷套上部（滅弧室部位），2 次爆炸間隔時間約7 s。結合故障錄波信息，分析斷路器A 相先出現內部接地故障，持續約3 s 后瓷套下部發生爆炸，又持續約7 s 后，A、B 相間發生短路故障，A 相瓷套上部發生爆炸。

圖6 故障錄波顯示的事故發展過程

2.3 斷路器解體檢查情況

對A 相斷路器解體檢查，發現絕緣拉桿表面碳化變成黑、灰色，上部比中下部碳化嚴重。受爆炸瓷套下墜作用，拉桿中下部受力彎曲，彎曲部位起層，內部各層無明顯碳化痕跡，絕緣拉桿仍有較強韌性，如圖7 所示。從撕扯開的斷口看，絕緣拉桿內部未存在貫通的爬電痕跡。

圖7 絕緣拉桿

對B 相斷路器解體檢查，發現本體內部各部件表面臟污嚴重，底部吸附劑罩內有大量金屬碎屑，如圖8 所示。絕緣拉桿表面局部臟污，無爬電痕跡，臟污痕跡可以被擦掉。瓷套內部臟污，但無沿面爬電痕跡。上部靜觸頭有較嚴重燒蝕痕跡，下部靜觸頭磨損嚴重，能看到明顯凹槽，滑動觸頭燒損嚴重。導電部分疊加后，測試回路電阻為114 μΩ（標準值33±9 μΩ）。

圖8 吸附劑內的金屬碎屑

對C 相斷路器解體檢查，發現本體內部各部件表面臟污嚴重，底部吸附劑罩內有大量金屬碎屑，如圖9 所示。絕緣拉桿表面無爬電痕跡，瓷套內部臟污，但無沿面爬電痕跡。上部靜觸頭有較嚴重燒蝕痕跡，下部靜觸頭磨損嚴重，能看到明顯凹槽?；瑒佑|頭燒損嚴重，其中一根觸指發生變形。手動合閘后，測試回路電阻為83 μΩ（標準值33±9 μΩ）。

圖9 吸附劑內的金屬碎屑

2.4 爆炸原因分析

通過對事故斷路器的解體檢查，可以確定經過長時間運行和頻繁動作后，三相觸頭系統存在不同程度的磨損，底部吸附劑罩內金屬碎屑即為觸頭磨損產生。斷路器A 相因觸頭磨損等因素造成導電回路接觸不良，多次分合閘操作后接觸不良情況加劇。本次事故合閘后滅弧室內導電回路迅速過熱，燒熔部分金屬部件，熔滴降低了吸附劑罩的防爆強度，并造成A 相內部出現接地，同時瓷套內部SF6氣體因高溫迅速膨脹，產生的膨脹壓力超過斷路器底部吸附劑罩殼體強度，造成斷路器底部殼體爆炸。A 相本體第1 次爆炸后，在噴濺出的金屬蒸汽作用下，A、B相間局部空氣絕緣強度降低，引起相間短路故障。由于作用在A 相導電回路上的短路電流增大，氣體繼續膨脹，造成第2 次本體瓷套爆炸。

3 動態電阻測試對監測觸頭電壽命的重要意義

以前對觸頭電壽命的監測是記錄累計開斷電弧電流的能量。事實上，同一斷路器在同樣的外部條件下先后開斷2 次同樣大小的電流，其燒損程度也不可能完全相同。開斷電流相差很大時，斷路器觸頭的燒損機理也不同，燒損量相差很大。因此，用累計開斷電流來判斷觸頭燒損量是不能夠正確反映觸頭電壽命的［11-16］。

回路電阻測量是用來評價主觸頭接觸狀態的方法，不能反映弧觸頭的燒蝕程度。動態電阻是近幾年國際上發展起來的一種評價弧觸頭狀態的方法，利用斷路器分合動作過程中弧觸頭先合后分的特點，測量弧觸頭高速運動當中的動態接觸電阻，根據動態接觸電阻來評價弧觸頭的燒蝕程度［17-18］。實際測試中常利用斷路器的分閘過程來進行。

斷路器分閘動作過程中，主觸頭先于弧觸頭分開，電流從主觸頭轉移到弧觸頭上。經過一段時間后，弧觸頭再分開。在這段時間以內，弧觸頭是主導電回路，這段時間為弧觸頭接觸時間。隨著弧觸頭燒蝕和磨損程度的不斷加劇，弧觸頭質量損失越來越多，長度逐漸變短，弧觸頭接觸時間也相應縮短。當弧觸頭縮短到一定程度后，將造成分閘過程中主觸頭分開后電流無法轉移到弧觸頭上，或者合閘過程中主觸頭預擊穿，將直接燒蝕主觸頭，導致斷路器爆炸的嚴重事故［19-21］。由此可見，弧觸頭的接觸時間與弧觸頭壽命密切相關。通過測量導電回路動態接觸電阻的變化來獲得弧觸頭接觸時間，從而評價觸頭的電壽命是一種切實有效的方法。典型的分閘階段動態電阻曲線如圖10 所示，動態電阻曲線分為2 個階段，主觸頭接觸階段和弧觸頭接觸階段。2 個階段之間有一明顯的分離點，這是由于回路電流從主觸頭轉移到弧觸頭時接觸電阻發生變化所致。通過實測的動態電阻曲線和典型曲線對比，可以表征觸頭燒蝕程度。

圖10 典型分閘階段動態電阻曲線

4 結語

無功用斷路器關合涌流會造成嚴重的弧觸頭燒蝕，弧觸頭的燒蝕、磨損、變形累積到一定程度后導致主觸頭通過電弧電流而受損，進而造成斷路器閃絡甚至爆炸的事故。動態接觸電阻測試是診斷觸頭電壽命的有效方法，在檢修工作中增加動態接觸電阻測試的工作，及時發現觸頭系統的隱患，有效提高無功用斷路器的運行維護水平。