摘要：动态电阻可以反映断路器在分合闸瞬间弧触头烧蚀的情况，从而间接反映断路器状态及后续开断的可靠性，为研究断路器电寿命可靠性提供新的思路。本文对某550kV开关进行长期跟踪与试验数据记录，并通过动态回路电阻测量，研究断路器全寿命等效开断次数与动态回路电阻特性之间的关系。研究表明刚分点电阻与等效开断次数极强相关，且具有一定单调递增的趋势。
关键词：高压；SF6断路器；等效开断次数；动态电阻
引言
随着高压开关技术的发展和进步，SF6断路器逐渐占据高压开关行业的主导位置[1]，这类产品通流能力和开断能力强、运行可靠性高、使用周期长，给用户带来极大的方便。随着设备总量的增加和服役时间的推移，早期应用于电力系统的SF6断路器逐渐老化，其电寿命问题日益突出，是导致非计划停运和故障的重要原因[2-3]。
对于SF6断路器来说，“电寿命”与“不经检修的连续开断能力”为同一事件，即指在不允许进行中间性检修下的连续开断次数，或累计开断电流值。在IEC 62271-100和GB/T 1984-2014中对电寿命试验都有明确的规定。只完成基本短路开断试验，具有基本的电寿命的断路器，定义为E1级断路器；除基本短路开断试验外，还完成了电寿命试验，具有延长的电寿命的断路器，定义为E2级断路器。此外，标准对电寿命试验中试品状态、开断电流、开断燃弧时间以及电寿命分类均有明确的规定[4-6]。
动态电阻可以反映断路器在分合闸瞬间弧触头烧蚀的情况，从而间接反映断路器状态及后续开断可靠性，是研究断路器开断可靠性的一个方向[7]。近年来，基于动态回路电阻判断断路器开断可靠性的研究工作取得了一定进展，但尚未找到行之有效的判据[8-12]，仍需进一步进行研究，揭示动态回路电阻及机械特性和触头烧蚀的关联关系。
本文针对灭弧室电寿命烧蚀试验与可靠性研究的需求，研究压气式灭弧室寿命和可靠性评价指标，提出电寿命烧蚀情况测试试验的研究方案，并通过对某550kV断路器的长期试验数据的跟踪、记录，结合拆解前灭弧室动态电阻测量数据及灭弧室开断数据的归算、分析和总结，寻找与断路器电寿命烧蚀密切相关的分合闸参数，为探究断路器电寿命可靠性研究提供方向。
1 电寿命与动态电阻关系研究方案
本文以某550kV断路器为研究对象，进行长期试验及检修的数据跟踪、记录和测量，整个研究过程包括断路器离线测量、开断试验以及数据处理三个部分，用以探究断路器电烧蚀的变化规律和在不解体情况下能够反映电烧蚀程度的特性参数。动态回路电阻测量的各参数中，评价断路器电寿命的关键参数包括：弧触头行程、动态主回路电阻以及弧触头电阻[13]。整体研究过程如图1所示。需要注意的是，断路器在长期运行以及实验室开断试验电流时，出现电寿命试验中规定顺序及燃弧时间的开断情况微乎其微，更多情况下，工程技术人员关心的是断路器在整个寿命周期中所处的状态，进而评估断路器是否需要进行检修，因此，本文所研究的电寿命次数为将多次不同电流条件下开断等效归算为额定短路开断电流及统一燃弧时间下的等效电寿命开断次数，并以此作为后文进行可靠性研究对比、分析的基础。
图1电寿命与动态电阻关系研究方案
1.1断路器开断研究试验
1.1.1 试验样机
本文以某550kV双断口压气式断路器作为跟踪研究对象，断路器额定电压为550kV，额定短路开断电流为63kA，其基本参数如表1所示。被试断路器如图2所示。
表1 被试断路器基本参数
图2 被试断路器外形图
1.1.2试验研究方案
1）开断试验
本文对被试断路器进行长期跟踪及试验数据记录，在跟踪记录期间，被试断路器按照试验标准要求进行不同短路电流的开断试验，灭弧室在不同开断次数和不同开断电流的电烧蚀作用下将形成不同的烧损状况，本次研究统计一段时间内被试断路器所参与的开断试验，记录每两次检修之间被试断路器的开断电流和燃弧时间等数据，进而计算被试断路器从检修至离线测量时的额定短路开断电流等效开断次数。
2）断路器特性参数离线测量
被试断路器检修前，采用动态电阻测试仪进行参数测量，记录被试断路器的行程-时间特性曲线、动态电阻及触头刚分点（刚合点）位置，用于后续计算断路器超行程。动态电阻测试回路见图3，其主要由试品断路器、断路器动特性测试仪和大容量电源组成。其中测试电源采用超级电容器组，测试中可提供瞬时输出最大3kA的测试电流，相比较小电流测试，更加接近实际工况下断路器电阻的测量值。
3）数据分析，规律总结
以采集整理的试验及测量数据为基础，分析开断电流和等效开断次数、灭弧室烧蚀状况与断路器特性参数之间的关系，绘制散点图，进而探究断路器等效开断次数增加过程中关键零部件特性参数的变化规律。
图3 动态电阻测试回路
2 试验结果及分析
2.1试验采集数据
在被试断路器拆卸前/试验前，对新装和已进行一定开断次数的断路器，使用断路器动特性分析仪进行动态回路电阻进行测量。共测试新装及待检修断路器10台次，获得动态电阻曲线、U-t/I-t曲线和电阻数据，动态电阻实际曲线示例见图4、图5。
由动态回路电阻测试数据中读取分合闸参数：从动态电阻曲线中读取刚合点行程（Dh）和刚分点行程（Df），分别如图4中的1点和2点处的行程；从U-t/I-t曲线中读取刚分点处电阻（Rf），如图5中1点的电阻值，从稳态电阻数据中读取电阻最小值为稳态电阻（Rmin）。（注：图4及图5为一次测试的示意图，旨在了解数据采集标准）
图4 动态电阻曲线
图5 动态回路电阻测试U-t/I-t曲线
2.2等效开断次数归算
2.2.1 开断次数归算方法
与断路器电寿命试验不同，开断试验中被试断路器开断电流往往达不到额定短路电流值，本次研究中通过累计开断电流的电流能量法将被试断路器开断电流与额定短路电流开断进行归算和统一。
累计开断电流或电弧能量法的公式为[16-17]：
式中，Q为累计开断能量值，N为额定开断电流下所允许的开断次数，Iikd为单次开断电流值，R为断路器等效电阻，ti为单次燃弧时间。
依据累计电流能量值守恒，将未达到额定短路电流值的开断归算为额定开断电流和一定的燃弧时间。额定短路开断电流为iratedkA，燃弧时间设为tarcms，则等效开断次数计算公式为：
式中，n为归算后的有效开断次数，ni为某一开断电流值和燃弧时间下的开断次数，Iikd为单次开断电流值，ti为单次燃弧时间，R为断路器等效电阻。
在IEC62271-310中有关于开断次数归算的方法。与电流能量法的思路相同，计算公式不同。
2.2.2 开断次数归算结果
获取被试断路器动态回路电阻测量相对应由新装至检修之间的开断电流、开断次数、燃弧时间，试验数据如表2所示。依据2.2.1中所述电流能量法（方法一）及IEC62271-310开断次数归算方法（方法二），可获得对应的等效开断次数，如表3所示。（注：三次等效开断次数为零为全新的断路器）
将两种有效开断次数归算方法的结果进行处理（见图6），发现其具有线性关系，拟合优度判定系数（R^2）为0.9964，具有可信性。因此，二者分析结果并无差异，本文以方法一进行研究。
表2 开断试验记录
表3 等效开断次数归算结果
图6 两种归算方法结果相关关系
2.3 关联关系分析
2.3.1数据预处理
在2.1所测量动态电阻相关数据的基础上，对被试断路器分合闸性能参数与等效开断次数进行相关性分析；利用一元回归分析方法对被试断路器分合闸性能参数与等效开断次数之间的线性回归/非线性回归分析关系，分析随等效开断次数增加参量值的变化趋势。
对应等效开断次数刚分、刚合点处行程及动态电阻，稳态电阻数据与等效开断次数散点图见图7。
图7 等效开断次数与被试断路器分合闸参数散点图
2.3.2相关性分析
相关系数是衡量两个变量线性相关程度的度量指标，一般用下表判断变量间的相关关联程度。[18-20]
表4 皮尔逊相关系数和关联程度
使用R语言软件计算皮尔逊相关系数，刚分点处电阻与等效开断次数极强相关，稳态电阻与等效开断次数强相关，刚分点行程与等效开断次数中等程度相关，刚合点行程与等效开断次数弱相关，具体相关系数如表5所示。
表5 等效开断次数与被试断路器分合闸性能参数相关系数
2.3.3 回归分析
对被试断路器分合闸性能参数与有效开断次数分别进行一次函数拟合、二次多项式拟合和指数拟合，以拟合优度判定系数(R2)表征模型拟合的程度，数值越接近1，模型拟合的越好。
经过计算，刚分点处电阻与有效开断次数分别进行一次函数拟合、二次多项式拟合和指数拟合时，拟合关系显著；此外，刚分点、刚合点行程及稳态电阻在上述拟合时关系均不显著（见表6）。
且刚分点处电阻拟合结果见图8。
表6 被试断路器分合闸性能参数与有效开断次数定量拟合关系
图8 回归曲线
2.4 讨论分析
根据2.3数据处理结果，可得到以下结论：
1）等效开断次数与刚分点处电阻极强相关，从定量拟合关系看：线性回归、多项式、指数、幂函数回归皆显著。
2）等效开断次数与稳态电阻强相关，但线性、多项式、指数回归皆不显著。
3）等效开断次数与刚分点行程中等程度相关，且线性、多项式、指数回归皆不显著。
4）等效开断次数与刚合点行程弱相关，且线性、多项式、指数回归皆不显著。
基于断路器烧蚀前后动态回路电阻的测试数据，断路器刚分点及刚合点的变化及其反映的弧触头长度的变化与等效开断次数之间虽然存在关联，但是定量拟合规律并不明显，存在非单调情况。首先，这与样本数较少有关，个别点的缺失或是误差都会影响定量拟合的规律性。其次，动态回路电阻仪精度、等效开断次数的折算方法都会影响研究结果。
等效开断次数与刚分点行程强相关，但是定量拟合关系不显著。这是因为，开断中产生的电弧会对主触头产生烧蚀，但是烧蚀较轻，稳态电阻为主触头与弧触头并联阶段的电阻，但是其主要由主触头电阻决定，变化并不明显。
等效开断次数与刚分点电阻极强相关，且在指数与一次函数回归时具有一定单调增长的趋势。这是因为刚分点附近时的电阻，为主触头分开后弧触头接触的阶段，该阶段回路电阻全部为弧触头电阻。因为短路电流电弧对弧触头的烧蚀作用，弧触头电阻（刚分点电阻）随着开断次数的增加存在增大的趋势。
3 结论
本文基于550kV双断口高压SF6断路器为试验研究对象进行电烧蚀试验与动态回路电阻测量，研究断路器整个电寿命过程中等效开断次数与动态回路电阻特性之间的关系，从而得出与断路器电寿命烧蚀密切相关的参数。
基于动态回路电阻测量结果，等效开断次数与刚分点电阻极强相关，且在指数与一次函数回归时具有一定单调增长的趋势；分析认为：刚分点附近的电阻，为主触头分开后弧触头接触的阶段，该阶段回路电阻全部为弧触头电阻，因为短路电流电弧对弧触头的烧蚀作用，弧触头电阻（刚分点电阻）随着开断次数的增加存在增大的趋势。
基于动态回路电阻测试的试验数据说明，动态电阻测试方法可以反映的SF6断路器电寿命状态。但是有效开断次数与电寿命特征参数的定量拟合还需要长期工作的数据积累。
进一步的建议认为：本次研究中存在样本数较少、检修后初值测量不及时、仪器测量误差等问题，需在进一步的长期研究中克服和改进。本文梳理了电寿命烧蚀试验研究方案，进行了具体的测试研究及分析，积累了第一手的试验数据，为后续研究提供了方向。
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论文作者:曹蕤1,吕红红1,王昊2,赵培1,辛昭昭1,武星1
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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