基于断路器弧触头全寿命周期的动态电阻测量试验

文章编号：1006-0081(2019)12-0062-07

水利水电快报 EWRH1第40卷第12期

基于断路器弧触头全寿命周期的

动态电阻测量试验

眛功，超杜，段涛

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

摘要：高压SF6断路器触头状态是影响灭弧室电寿命最重要的因素。为研究动态电阻测量在5卩6断 路器电寿命诊断中的应用，对两台额定电压分别为40.5 kV与126kV的试品SF6断路器进行了电烧蚀试验， 并得到不同直流测试电流和触头烧蚀状态下的动态电阻曲线。试验结果表明：主触头电阻与弧触头电阻 正常值范围分别为50~150gfl与200~400jiil,弧触头接触行程随烧蚀试验次数线性减小。基于以上结果， 研究了直流测试电流对动态电阻的影响，表明1 000 A及以上的测试电流可以得到较为精确的动态电阻曲 线；分析弧触头接触行程对灭弧室性能的影响，提出弧触头接触行程是影响灭孤室电寿命最重要的因素， 并基于触头接触电阻与接触行程参数得出断路器电寿命诊断方法。

关键词：弧触头；动态电阻；电烧蚀;接触电阻;接触行程;测试电流中图法分类号:TM774

文献标志码:A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.12.013

1研究背景

高压SF6断路器由于具有高可靠性、开断性能

体含水量试验等，然而这些试验并不能获取弧触头 的状态信息。

动态电阻测量（DRM)是测量高压断路器分闸 或者合闸过程中动静触头的动态接触电阻，测量得 到的动态电阻曲线包含了丰富的触头状态信息。 毛文奇等[8<通过测量得到了断路器触头的动态电 阻-时间曲线，并从曲线中得到了弧触头超出主触 头的长度;Z. Stanisic等[10^]介绍了四线法测量断路 器动态电阻的原理，并得到了典型的动态电阻-时 间曲线；M. Landry等[〜15]提出利用分闸过程的动态 电阻-行程曲线作为触头状态诊断曲线，得出分闸 速度、金属氟化物与测试电流是影响DRM结果的重 要因素，并提出在断路器额定速度分闸时，DRM直 流测试电流需大于700 A才能保证结果的准确性。 但上述DRM试验均是基于某一特定触头状态，并未 对同一断路器试品触头全寿命周期的状态进行监 测，以得到触头状态参数的变化规律。因此，本文首先对两台额定电压分别为40.5 kV 与126 kV的SF6断路器进行电烧蚀试验[〜18]，在烧蚀 试验后对触头进行DRM，得到了触头全寿命周期内

好等优点，目前在国内110 kV及以上电力系统中广 泛使用。高压断路器在电力系统中起到保护与控 制的双重作用，其可靠性与电力系统可靠性有着非 常紧密的联系。因此,提高高压断路器的可靠性对 整个电力系统可靠性的提升有着重要意义。高压

断路器主要由3部分组成，即操动机构、辅助与控制 回路、灭弧室。在断路器所有故障中，导电回路故 障占到了 21%~31%,仅次于操动机构故障的43%〜 45%,比二次回路的20%〜29%略高。高压断路器 操动机构额定动作次数一般可达几千次，但灭弧室 允许开断额定短路电流的次数仅有几十次，远小于 操动机构的额定动作次数。因此，灭弧室电寿命决 定了高压断路器的实际使用寿命，而弧触头状态是 灭弧室电寿命的最关键因素。操动机构与辅 助控制回路的故障检测一般使用振动信号|4~5]与分 合闸线圈信号|6_7]，型式试验规定对灭弧室状态的检 测方法主要有主回路电阻检测、密封试验及3[()气

收稿日期：2019-09-01作者简介：陈功，男，博士，主要从事输变电一次设计、高压断路器在线故障检测、防雷与接地技术等方面的研究工作。

E-mail ： gongchen714@ 163 .com

•

62

•

陈功等基于断路器弧触头全寿命周期的动态电阻测量试验

的动态电阻曲线。从动态电阻曲线中提取触头电 阻与接触行程参数，得到了触头状态参数在触头全 寿命周期内的变化规律。电烧蚀试验采用的是武 汉大学高压断路器合成试验回路电流源部分，模拟 了实际开断故障电流过程中电弧对触头的烧蚀过 程，可提供最大峰值为63 kA的工频试验电流。每 次烧蚀试验后，利用动态电阻测试仪与蓄电池电源 参数电流量程电阻量程速度量程行程量程

表1动态电阻测试仪参数

参数值大于2kA10~1 0001x00.1~20.0 m/s0〜300 mm

分辨率0.1 A

o.i

0.01 m/s1 mm

2.2被试断路器

对被烧蚀相触头进行DRM试验。2

试验布置

2.1试验回路

本文试验回路主要分为烧蚀试验回路与DRM 试验回路两部分(见图1)。烧蚀试验回路使用的是

武汉大学高压大容量合成试验回路平台电流源部 分，回路主要包含电容器组C、电感L、合闸断路器、 辅助断路器与被试断路器，合闸断路器用于投人回 路短路电流，辅助断路器保护回路最终成功切断短 路电流。电容器组与电感的取值满足产生工频短 路电流的需求，回路电流频率计算公式如下

f=\\/2n4LC

(1)

动态电阻试验回路主要包括动态电阻测试仪、 蓄电池与被试断路器。动态电阻测试仪采用的是 8016型号高压断路器动特性测试仪，其基本参数如 表1所示。蓄电池通过瞬间短路的方式作为直流测 试电源，本试验中采用的蓄电池额定电压为12 V， 容量分别为50,100AH与200AH，产生的直流电流 分别为(0.5±0.1), (1.0±0.1) k A 与（1.5±0.1 )k A。

合

阐

断

路

器

辅

助

$路器

L=0.6 mH

C=16.8r

被试断路器

|电压 电流

U)烧蚀试验

被试断路器1(试品1)型号为LN2-40.5,为户内

SF6断路器，配备弹簧操动机构，试验之前芒经投运

20 a，并且触头没有经过修复;被试断路器2(试品2) 型号为LW36-126,为户外SF6断路器，同样也配备 弹簧操动机构，试验之前已投运10 a,但旧触头刚刚 被更换，两个被试断路器的基本参数如表2所示。

SF6断路器的触头主要由主触头与弧触头并联 而成，主触头主要用于长期承载工作电流，因此要

求其具有较低的接触电阻以满足接触面允许发热 要求，主触头一般采用铜金属表层镀银材料；弧触 头主要用于承受开断与关合电流产生的电弧烧蚀， 要求其具有较强的抗电弧烧蚀能力，因此弧触头一 般采用CuW80合金材料。弧触头长度大于主触头， 在分断故障电流时弧触头晚于主触头分开，从而使 弧触头承受几乎全部的电弧烧蚀。但是，如果电流 在完全从主触头转移到弧触头前，弧触头就完成开 断，则会导致主触头燃弧,造成主触头严重烧蚀，严 重情况下可能导致灭弧室爆炸，因此必须保证足够 的触头接触行程以完成电流从主触头到弧触头的 转换[抑】。

2.3试验方法

烧蚀试验电流选取75%额定短路开断电流，即

18.75 kA(试品1)与30 kA(试品2)，采用自编程时序 控制板对合闸断路器、被试断路器与辅助断路器进 行分合闸控制，合闸断路器、被试断路器与辅助断 路器分别依时序进行合闸、分闸操作。

每次烧蚀试验之后对被烧蚀相进行DRM试验，

DRM中常常采用四线法对被试断路器触头接触电 阻进行测量，四线法消除了测试线导线电阻与接触 电阻的影响，因此一般用于准确测量阻值在l〇fl以 下的电阻DRM试验电源采用3组不同容量的 12V蓄电池，以提供(0.5±0.1)1^、（1.0±0.1)让八与 (1.5±0.1 )kA的直流测试电流，每组进行5次试验， 最终结果取5次试验的平均值。由于直流测试电流会对触头产生预热作用，从而对动态电阻测量结果

• 63 .

2019年12月水利水电快报 EWRHI

表2

被试断路器参数

额定主回路电阻/|xft

/<40.5

额定超程/mm2325

初始超程/mm21.724.9

第40卷第12期

断路器被试断路器1被试断路器2

运行

年数/a2010

额定电压/kV40.5126

额定电流/kA1.603.15

额定短路开断电流/kA

20

额定开距/mm6195

额定

气压/MPa0.60.6

产生影响[1'因此测试电流大小与测试顺序会对测 (1) 主触头接触电阻凡主触头部分动态电阻

试结果产生一定影响。为保证DRM测量条件的一 致性，每次测量电流保持不变，且采用测试电流从 小勃大的测试顺序。

3试验结果及分析

3.1动态电阻-行程曲线

由于在触头合闸过程中，预击穿与触头碰撞产 生的振动与噪声会对动态电阻测量产生干扰，所以 一般不使用合闸过程的动态电阻曲线[|3_15]。典型的 动态电阻-行程曲线(见图2)主要可以分为两部分， 即主触头部分与弧触头部分。在主触头部分的曲 线中，主触头与弧触头并联，但由于主触头接触电 阻远小于弧触头接触电阻，电流基本上全部通过主 触头，此阶段动态电阻主要是主触头的接触电阻; 在主触头与弧触头部分的交界处动态电阻陡然上 升，此阶段揭示了主触头的分离过程；在弧触头部 分曲线中，主触头已分开，弧触头单独接触,但此阶 段曲线中存在电流从主触头向弧触头的转移过程， 当电流转移完毕后弧触头分开，动态电阻陡增到电 弧电阻值。在弧触头阶段，应保证在电流完成从主 触头向弧触头转换后，弧触头才能分离，如果在电 流转换完成之前弧触头分离则会造成主触头持续 燃弧，极大降低灭弧使用寿命，严重时甚至造成灭 弧室的爆炸1〜22]。

图2典型动态电阻—行程曲线

从动态电阻-行程曲线中，可以提取4个与断路 器触头状态相关的诊断参数，BP:• •

的平均值；

(2) 主触头接触行程主触头部分曲线的行 程，即主触头的实际接触行程；

(3) 弧触头接触电阻足:弧触头部分动态电阻的

平均值；(4)

弧触头接触行程La:弧触头部分曲线的行

程，即弧触头超出主触头的接触行程。3.2接触电阻与接触行程变化

触头接触电阻大致上随烧蚀次数的增加呈现 逐渐增大的趋势(见图3)，并且测试电流对试品1的 影响较试品2更加明显。试品1的主触头电阻值维 持在（100~300 Vfi( 1.5kA)范围内，弧触头电阻值维 持在(200~500)|jLmi.5kA)范围内；对于试品2,主 触头电阻维持在(50~ 150)(xQ范围内，并在31次烧 蚀试验后逐渐增大到250|jLft左右，弧触头电阻值维 持在(200~400) 范围内，并在31次烧蚀试验后迅速增加到1000(xfl以上。

试品1与试品2断路器弧触头接触行程随烧蚀 试验次数的增加而呈现线性下降趋势（见图4)，并 且测试电流对弧触头接触行程影响并不明显，只是 0.5kA的测试电流对试品1弧触头接触行程值产生 了较大测量误差（见图4(a)),出现了一些测量异常 点。由于主触头在开断过程中提前分断，基本没有 承受电弧的烧蚀作用，主触头接触行程在整个试验 过程中基本没有变化，维持在(7±l)mm左右，其变 化曲线没有列出。

3.3 DRM测试电流对动态电阻影响

由于试品1触头在本文试验之前已经存在一定 程度的烧蚀，测试电流大小对其动态电阻测试结果 产生了明显的影响（见图4),更大的测试电流得到 的动态电阻值更小且更加稳定。与之对比，0.5kA 的测试结果波动很大，其测量结果误差明显。然而 对于试品2的触头，测试电流值对其动态电阻影响

就不明显。同时，对每个DRM测试电流下的5组试 验数据中的电阻值进行标准差分析可得(见图5): 主触头与弧触头电阻组间标准差随着测试电流的

陈功等基于断路器弧触头全寿命周期的动态电阻测量试验

—•—0.5 kA -•-l.OkA CJ8o--a-1.5 kA

=L7/6oo垄5~4o

一32oo|1o畕

oo

雄oo

^o$ o|4lo州

tooo--o 5

烧蚀试验次数/次

(a)试品1、主触头接触电阻

o

-*-0.5 kA l.OkA

3

-^-1.5kA

o o

2

o1

o

o

o -5

0

5

10 15 20

25

30

35

烧蚀试验次数/次

(b)试品2、主触头接触电阻-5 0

5

10 15 20

25

30

烧蚀试验次数/次

(c)试品1、弧触头接触电阻

1 2〇〇「

Gl

00=t00/0 0- 00M5m 08--_

_錾__逑

6|_

__r

_4200-〇 I

*

I * * ■ * * _

-5 0 5

10 15 20

25 30 35

烧蚀试验次数/次

(d)试品2、弧触头接触电阻

图3触头接触电阻随烧蚀试验次数曲线

上升而呈现下降的趋势，并且l.OkA与1.5kA的测试 结果标准差相近，而〇.5kA的测试结果标准差较大, 不同测试电流标准差的差别同样也在试品1上体现 的更加明显。

为进一步证明DRM测试电流对动态电阻的影 响，对试品1继续进行了 29~38次烧蚀试验，每两次

s

s

1144/越11323.贮 麇7

鹚

凜窺

0

5

10 15 20

25 30

烧蚀试验次数/次 (a)试品1

8

6 4 2

0

8 6

-5

0 5

10 15 20 25 30 35

烧蚀试验次数/次 (b)试品2

图4弧触头接触行程随烧蚀试验次数曲线

试验后分别使用7组不同大小的测试电流进行DRM 试验,30次与32次烧蚀试验后的DRM采用电流从 小到大的顺序，34次与36次烧蚀试验后的DRM采 用电流从大到小的顺序，每组电流仍测试5次。当 测试电流从小到大时，主触头与弧触头电阻值从大 到小变化(见图6(a))，并且主触头电阻在测试电流

大于1 000A后趋于稳定，弧触头电阻值一直呈现下 降趋势，但在测试电流接近1 000A后减小趋势变 缓；当测试电流从大到小时，主触头与弧触头电阻 值基本变化不大(见图6(b))，甚至弧触头电阻值在 较大的测试电流下会低于最后较低电流测试结果。

综上所述，在LN2-40.5与LW36-126型号的高 压断路器DRM试验中推荐采用1 000A以上并低于 额定工作电流的直流测试电流，既可以减少每次测 量的分散性，又可以对触头进行预热并经过较少的

测量次数得到准确的动态电阻曲线。

3.4

触头状态诊断方法

弧触头接触行程是衡量SF6断路器电寿命最重

要的指标，弧触头接触行程过小会导致以下严重影 响：

(1)

开断故障电流无法从主触头转移到弧触头

灭弧系统导致主触头燃弧，严重情况下可能导致无 法熄灭电弧使得灭弧室爆炸[19_2°，22];

(2) 弧触头损失的金属材料附着在灭弧室内壁

• 65 .

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00700 000000600 5

第40卷第12期

4

3

2

0 5

10 15 20

烧蚀试验次数/次

25 30

400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

(a)试品1、主触头接触电阻标准差

60

4020

-^-000001806 42

DRM测试电流/A

(a)测试电流从小到大

600 r

50500 500055000 4

-•-0.5 kA

4

3

一―34次烧蚀主触头电阻

+ 34次烧浊弧触头电阻 ――36次烧蚀主触头电阻 t 36次烧浊弧触头电阻

3

400

烧蚀试验次数/次

(b)试品2、主触头接触电阻标准差

4

600 800

1 000 1 200

DRM测试电流/A

1 400 1 600

(b)测试电流从大到小

a

i0/铠8w适痤6#¥4銮镜2

20

10 0 o o o

图6 接触电阻随测试电流变化曲线

-»-0.5kA

-^-1.0 kA -*r-1.5 kA

1 000r

u

i/_钜适窆#沭'為碧

8

图5

会降低其绝缘能力[2°];

(3) (4)

动静触头之间的电场会产生畸变，将降低 喷口提前打开，气缸内气体达不到预定压

介质强度恢复能力[23];力，会降低SF6气体吹弧能力。

•

因此，灭弧室要实现其正常功能必须要保证一66

•

5定的弧触头接触行程，然而目前的研究并没有对最 小弧触头接触行程进行明确规定，而只是针对触头 接触电阻进行了规定。在DRM测试电流为2 800A 下，主触头电阻值一般在100 pn左右，而弧触头电 阻值在(200~300)

考虑到本文DRM测试

电流远低于2 800A,主触头与弧触头电阻值可能略

烧蚀试验次数/次

大于上述范围，因此认为试品2的触头电阻值在31 次试验之前在允许范围内，31次试验之后超出正常 值范围，也预示着触头达到严重烧蚀状态。与此同 时，试品2的动态电阻曲线主触头部分开始出现不 正常振荡（见图7),且随着烧蚀次数增加而振动加 剧，这种现象是主触头严重烧蚀的明显征兆113],但 如果该现象出现在动态电阻曲线弧触头部分末端 则是正常现象。由于在本文烧蚀试验之前，试品1 触头已经有一定程度的烧蚀，且没有进行任何修

1 000 厂

800 -u

6rL/n#4构 爷

2

<5to o

(c)试品1、弧触头接触电阻标准差

^

1

-5

0

5

10 15 20 烧蚀试验次数/次

25

30

35

~~I~~I~~I 6

4

2

(d)试品2、弧触头接触电阻标准差

触头接触电阻标准差随烧蚀试验次数曲线

o

o

o

0 2 4 6 8

10 12 14 16 18 20 22 24触头行程/mm

图7 34次烧蚀后试品2动态电阻-行程曲线

陈功等基于断路器弧触头全寿命周期的动态电阻测量试验

复，其主触头电阻在第4次烧蚀试验之后已达到 200^11以上，超出正常值范围,其弧触头电阻同样也 是超过了 400

因此，可以认为试品1的触头接

触情况是不理想的，其接触面存在严重的烧蚀，较 大的触头接触电阻很有可能造成其额定电流、额定 短时耐受电流、额定峰值耐受电流等能力的降低。4

结论(1)

触头动态接触电阻随着断路器开断电流次 数增加而增大，弧触头接触行程随着断路器开断故 障电流次数增加而减小，其减小量主要受电流值与 燃弧时间影响。

(2)

LN2-40.5与LW36-126型号断路器推荐采

用1 000A以上并小于断路器额定电流值的测试电 流进行DRM试验。大于1 000A的测试电流既可以 对触头进行预热，将接触电阻降低到与实际运行工 况较接近的水平，又可以减小多次测量的分散度， 提高测量的准确性。

(3)

弧触头接触行程(LJ是影响灭弧室电寿命

最重要的参数，必须保证一最小值才能实现灭弧 室正常的开断功能。但是目前的研究结果并没有 对L的最小值进行规定，对于本文型号为

LW36-126的试品，其L,最小值为7.2 mm,与主触头 接触行程相近。

(4)

在DRM测试电流1 000 A以上时，主触头电

阻值一般在200 Mil以下为正常，弧触头电阻值在 400^0以下为正常，超出此范围预示着主触头或弧 触头存在过度烧蚀，应立即进行修复。

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