摘要:断路器是电力系统中关键的控制和保护设备，其可靠性是电力系统运行可靠与否的重要因素之一。本文就以从电力系统中淘汰的具有若干运行年限的10kV 真空断路器为研究对象，通过多种试验和测试手段，获得了断路器的局放TEV 数值等一系列数据，并分析得出结论。
关键词: 断路器；性能； 绝缘性能；评价
引言
在电力系统中，断路器是非常重要的电器设备之一，若其在运行中发生故障或误动作，将会影响到电力系统稳定的正常运行。近年来，10KV真空断路器得到广泛的推广和应用，但其数量庞大、分布十分广泛，发生故障的几率较高，危害也较大。因此，研究断路器的性能具有十分重要的意义。本文将对运行若干年限的10kV真空断路器性能进行试验与评价，可为断路器的使用和检修维护提供参考。
1.断路器电性能的试验与评价
断路器运行时长期通过电流，可引起一次回路零件尤其是绝缘件性能劣化，短时分合电流时的电弧会使触头烧损，使灭弧室的电气性能降低，这就有了断路器和灭弧室的电气使用寿命，即电寿命的问题。以下通过温升试验、主回路电阻测量和灭弧室接触电阻测量来评判断路器的长期通流能力；通过开断关合电流试验来考查断路器开断关合大电流的能力； 后对触头浅表层结构和纵剖面结构进行理化分析并检测屏蔽筒附着物成分，掌握灭弧室在开断大电流后触头和屏蔽罩的烧蚀状况。
检验断路器的短路性能是非常最重要的试验，需要检验其开断和关合短路电流的能力。
本试验开断电流和恢复电压由合成回路提供，其原理图如图1 所示。整个回路由两部分组成，一部分是由电抗器组Li和电容器组Ci组成的电流源，另一部分是由电抗器组Lu和电容器组Cu组成的电压源。试验前，试品断路器安装在图1 中的SD 位置，使断路器处于闭合状态。主合闸开关HK1 打开，辅助开关FD 闭合。另外将其它设备准备就位。
图1 开断试验合成回路
这几相开断的最大电流有效值都等于或超过了额定短路开断电流有效值31.5kA，其中2号C相成功开断了33.72kA 的电流。1号B相和2号C相分别在开断32.06kA 和34.23kA 时失败，从后面的图可以看到，二者触头与其他触头相比有较为严重的金属熔化烧蚀的痕迹。
以下以2 号断路器为例，示出开断成功时的部分波形图，如图2 所示。试品断路器开断时引燃电弧，电压有一个阶跃上升，随后的电压值因为电弧燃烧的不稳定而有所波动，随着电流值下降，电压值也跟着下降，直至电流值降为零，电弧熄灭为止。
2号断路器C相成功开断的最大电流有效值为33.72kA，在开断34.23kA 时失败，波形见图3。电流在第一个过零点未被成功开断，而是继续反向增长，并在经历5个振荡周期后自然衰减为零。
以下挑选出6副图片进行对比，可看出两台断路器在合闸后2ms 左右的电压波形有明显的不同。
从图4 中可以看出，1号断路器在合闸瞬间，测得的断路器两侧的电压值立即陡然下降，随后呈阻尼振荡趋势，波形平滑，并且由于铜条等电路连接线是感性阻抗，所以电压波形超前电流波形。
9号断路器合闸后的电压波形也呈阻尼振荡的形状，但合闸之后1.5ms 左右的波形与1 号断路器的波形有所不同，电压出现了一个明显的毛刺或尖峰。将9号断路器开断不同电流时的波形拉伸放大后，可对合闸后的电压畸变做进一步的分析。放大后的波形见图5所示。
从图5可见，9号断路器关合小电流时，在合闸后1.5ms电压波形上会出现一个尖峰，电压会有瞬间的升高和下降。
图2 2号断路器C相开断试验部分波形图
图3 2号断路器C相开断失败波形图
图4 1号、9号断路器关合电流波形对比
图5 9号断路器关合电流放大图
影响真空断路器关合的一个关键问题是合闸弹跳。由于真空断路器均采用对接式触头，且合闸速度较高，触头在合闸时就可能产生弹跳，产生的过电压对电气设备的绝缘可能造成伤害甚至损坏，而且弹跳过大会使触头易烧伤或熔焊，弹跳时间过长也可能损伤波纹管，使波纹管受强迫振动而出现裂纹，导致灭弧室漏气，所以合闸弹跳越小越好。9号断路器在关合后出现的电压尖峰可认为是合闸弹跳引起的过电压，尖峰的持续时间就是合闸弹跳的持续时间。
两台断路器关合后电压波形的不同反映了它们合闸弹跳程度的不同，9号断路器的合闸弹跳时间比1号断路器的长，这可从它们机械特性参数的不同寻找原因。对比二者的合闸试验结果可以发现，它们最主要的差别在于超行程的不同，9号断路器的合闸超行程平均值为3.6mm 而1号断路器的合闸超行程平均值为5.1mm，相差较大。
对于真空断路器的对接式触头来说，超行程是指触头接触后产生闭合力的动触头部件继续运动的距离。超行程不但在分闸时使动触头获得一定的初始冲击动能，提高动触头的初始加速度和拉断触头熔焊点，而且在合闸时使触头能够借助于触头弹簧力得到平滑的缓冲，减轻冲击力的影响。9号断路器的合闸超行程较小，触头簧压缩量小，触头弹簧力不足，使得触头在刚性碰撞的冲击力作用下发生反弹； 另一方面，9号断路器的合闸速度平均值为0.77m/s，比1号断路器0.73m/s 的合闸速度平均值稍大，较高的合闸速度引起的冲击也较强。以上原因造成了9号断路器具有相对较长的合闸弹跳时间，反映在关合波形上就是一个明显的电压尖峰。
灭弧室目前的制造工艺有常规工艺和一次封排工艺，与常规工艺相比，一次封排工艺生产周期短，生产效率高而且质量好，提高了产品的可靠性、稳定性和一致性。剖开灭弧室发现，两种工艺的灭弧室内部形状有所不同，两种工艺灭弧室的主要差别在于动、静导电杆的屏蔽罩和触头片。常规工艺灭弧室静端屏蔽罩较短，后面有排气孔，而一次封排工艺灭弧室的静端屏蔽罩较长； 常规工艺灭弧室动端屏蔽罩很短，位于波纹管之前，而一次封排工艺灭弧室动端屏蔽罩几乎包住了波纹管，这样可使波纹管免受开断时电弧或飞溅的金属熔融物的伤害。
真空灭弧室的主屏蔽罩环绕着电弧间隙，在开断电流时，电弧会使触头材料熔化和蒸发，有大量金属蒸汽和液滴向真空灭弧室四周喷溅，主屏蔽罩可对绝缘外壳起到保护作用，防止电弧生成物沉积在真空灭弧室外壳的内表面上，使真空灭弧室绝缘性能下降。另外交流电流过零时，灭弧室内剩余的金属蒸汽和导电粒子径向快速地扩散到屏蔽罩上，在屏蔽罩表面冷却、复合和凝结，有利于电弧熄灭后残余等离子体的衰减，提高电流过零后弧隙介质强度，改善灭弧室的开断性能。
电弧燃烧时使触头材料熔化、蒸发，产生的金属蒸汽和液滴向四周溅射，以下对触头进行理化分析，以了解大电流燃弧对触头表面显微形貌和材料成分的影响。用扫描电镜观察经历过开断大电流试验后的触头表面形貌，并配合能谱分析仪对触头表面烧蚀严重区域的成分及含量进行探测，最后对触头实施局部切割制成纵剖面样本，对触头纵剖面进行扫描电镜观察和能谱分析。
图6的能谱分析结果显示，该区域Cu含量为27.50%、Cr含量为55.74%，对比原始材料中50: 50的Cu、Cr含量比，可知烧蚀严重区域Cu含量大幅下降，造成Cr含量上升。这可能是因为电弧作用下触头材料表面的Cu受高温作用蒸发的结果。
图6 烧蚀较严重区域的能谱分析结果
2.断路器绝缘性能的试验与评价
高压开关的绝缘性能是一个很重要的质量指标，关系到设备和人身安全。绝缘一旦失效就会造成对地或相间短路，电弧在无拘束的情况下，除了会造成难以估计的经济损失外，还可能发生人身伤亡等恶性事故，所以，要求断路器有较长年限的绝缘寿命，高压开关的型式试验、出厂试验和电力部门的交接试验中都把高压开关的绝缘性能试验作为必试项目。本项目对断路器试品进行工频耐压试验和局部放电测量试验，并对一次回路绝缘件进行局放测量，以评判其在运行一段时间后的耐压水平和局部放电水平。
局部放电是指在电场作用下发生在绝缘体内局部区域中的放电现象，而绝缘体整体部分并未发生贯穿性放电，仍然保持绝缘的性能。随着开关设备电压等级的提高和各种有机绝缘材料的广泛应用，电力设备的局部放电问题越来越突出。局部放电既是设备绝缘劣化的征兆，又是造成绝缘劣化的重要原因，因此对局部放电进行有效检测对于开关设备的安全稳定运行具有重要意义。
当高压电气设备发生局部放电时，放电电量先聚集在与放电点相邻的接地金属部分，形成电流脉冲并向各个方向传播。根据电磁原理可得导体中电流密度随着表面积的增加成指数下降。从而可知道高频局放电流只在导体表面很薄的一层范围内传输。对于内部放电，放电电量聚集在接地屏蔽的内表面，因此如果屏蔽层连续时无法在外部检测到放电信号。但情况不是这样，屏蔽层通常在绝缘部位、垫圈连接处、电缆绝缘终端等部位出现破损而导致不连续，这足以让高频信号传输到设备外层而被检测出来。
放电产生的电磁波通过金属箱体的接缝处或气体绝缘开关的衬垫传播出去，同时产生一个暂态电压，通过设备的金属箱体外表面而传到地下去，这些电压脉冲就是暂态对地电压(TEV)。电压脉冲在金属壳的内表面传播，最终从开口、接头、盖板等的缝隙处传出，然后沿着金属壳外表传到大地，用电容性探测器就可检测到放电脉冲。这是TEV 测量方法的基本原理。从局放TEV 读数的测量结果可见，一般从0开始加压时，TEV测量值较低，在3dB左右，升至20kV或25kV之后，TEV读数增大较快，等加压到42kV时，TEV读数达到最大，一般在40～45dB之间。
局放试验时发现的异常现象主要有:
2号断路器的局放试验过程中，断口间加压至15kV时，TEV测量值出现波动，读数有时达60dB，立即降压至零然后重新升压测量，在加压至15kV时，TEV测量值又出现60dB的偏高读数，第三次试验时依然如此。12号断路器的局放试验过程中，单独对A相、B相和C相的上触头加压超过30kV时，TEV的读数都接近或达到了测量的上限60dB； 单独对B相和C相下触头加压至42kV时，TEV读数也达到了60dB。对12号断路器重复各局放试验发现，以上异常状况不具有可重复性，比如，对C相上下触头分别加压再次测量局放时，TEV读数恢复了平稳增长的走势，加压至42kV时尚未超过40dB。
另外，比较同一断路器在各加压方式下的测量结果，可以看到大部分TEV测量值都是随着电压的上升而增长，但有些情况在某一电压等级下，TEV值会有突然的增加，比前后电压等级下的测量值都高，即出现了一个拐点，比如7 号断路器在断口间加压至30kV时，TEV值有较大增长，而增加电压到35kV时，TEV值却出现下降； 另外，一般TEV值在断路器加压超过15kV或20kV之后才会有比较大的增长，而部分断路器在电压升到20kV之前，TEV读数就已经超过了10dB，比如12号断路器。在局放试验中出现的异常情况主要是TEV读数异常偏高达到上限、出现拐点或升高较早。
3.结论
总而言之，研究断路器的绝缘性能、电性能，可以能够更好的判断断路器运行的可靠性，这对于提高断路器运行的可靠性与稳定性也具有重要意义。本文从绝缘性能、电气性能两方面对断路器的质量和性能进行评判，通过机械动作试验、温升试验、回路电阻测量、开断关合电流试验、耐压和局放试验等，获得断路器的机械特性参数、机构零部件尺寸变化、局放TEV数值等一系列很有价值的数据，并对其进行分析后得出结论: 断路器和灭弧室的耐压性能没有下降，采用TEV方法能够发现由断路器一次回路元件松动引起的局放异常，是一种方便快捷、具有有效捕捉能力的方法；灭弧室真空度已有下降但尚未对耐压和开断能力造成影响；断路器一次回路完整性未遭破坏，仍具有正常通流能力，其开断能力也能够满足要求。
参考文献
[1]胡世骏,陈存林,张炜,叶海峰.10kV开关机械特性运行状态试验研究[J].电气开关.2017,55(2):50-52
[2]张博.10kV开关的电气与机械特性运行状态试验研究[J].沈阳工程学院.2017
论文作者:梁志源
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/19
标签：断路器论文; 电压论文; 电流论文; 触头论文; 波形论文; 电弧论文; 性能论文; 《电力设备》2017年第33期论文;