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對真空斷路器電壽命能力的探討

來源:浙江耐高電器有限公司發布時間:2020-07-25瀏覽次數:

   摘 要:

    通過分析2002~2006年間約500多份型式試驗報告、原始記錄及試驗波形,并且跟蹤一臺合成試驗用輔助斷路器單極一年多的開斷情況,認為就目前的生產工藝和制造水平而言,真空斷路器的開斷潛力還遠遠沒被徹底發現。 關鍵字:真空斷路器 真空滅弧室 電壽命 電磨損 短路開斷試驗

    引言:  

    真空斷路器以其熄弧能力強,燃弧時間短,觸頭磨損小,機械壽命長,維護量小,滅弧室更換容易等一系列特點深受用戶的青睞,目前更是在40.5kV及以下電壓等級的市場上占據主導地位。運行部門常將真空斷路器在型式試驗時通過的機械壽命次數及額定短路電流開斷次數(即電壽命)作為維修及滅弧室更換的依據[1~2]。上世紀90年代中期曾有廠家對12kV真空斷路器產品進行過75次額定短路開斷電流試驗,至于更高電壓等級產品,或者更多開斷次數的驗證,由于試驗費用太高,沒有廠家愿意負擔這樣的研發成本,所以并沒有進一步深入研究。通過分析2002年至2006年5年間的約500份型式試驗報告、原始記錄及試驗波形,并且跟蹤記錄一臺合成試驗用輔助斷路器單極一年多的開斷情況,進一步的研究和驗證了真空斷路器極限電壽命能力。   

    型式試驗報告的分析結論:  查閱500余份真空斷路器及開關柜的型式試驗報告及原始記錄后發現,共有75臺次真空斷路器試品在短路開斷試驗過程中出現問題。分析發現:發生問題試品的開斷次數區段有這樣一個規律:試驗產品隨著開斷次數的增加,試驗失敗率反而在大大減少。其中,發生問題的開斷次數區間在1~10次中的占65.3%,11~20次中的占24.0%,21~30次中的占10.7%,30次以上的為0%,見表1。 表1:試驗出現問題區段分布表


    規律:試驗產品隨著開斷次數的增加,試驗失敗率反而在大大減少。其中,發生問題的開斷次數區間在1~10次中的占65.3%,11~20次中的占24.0%,21~30次中的占10.7%,30次以上的為0%,見表1。  

     開斷失敗的原因很多[3~4],主要有:

    ①開關裝配調試不當,如滅弧室安裝偏心,緊固螺絲松動,反彈或彈跳過大;

    ②機構可靠性差,行程特性曲線不理想;

    ③滅弧室內部缺陷,如真空度不合格,老煉不充分等。從表1可以看出,開斷試驗中大部分問題出現在電壽命試驗開始階段,一旦度過這段過程,熄弧失敗的幾率就開始減小。失敗的原因盡管不排除滅弧室本身問題,但現在真空滅弧室的生產工藝和制造水平已相當成熟,合格率相當高,而且出廠時還要經過數次高電壓、小電流的充分老煉,多道真空度檢測工序,出現問題的概率應該說很小。其實就算是由于滅弧室自身的缺陷造成開斷失?。ㄈ缛酆?、未滅?。?,包括觸頭材料內部大量排氣造成真空度下降,或者觸頭材料熔化后產生的金屬微粒飛濺使滅弧性能下降等原因,也應該是隨著開斷次數的增多,失敗幾率逐漸增加??墒聦嵡『孟喾?。開斷30次以上的試品都通過了電壽命試驗,甚至是同一臺產品連續成功做了兩輪電壽命試驗,即同時滿足文[5]要求的274次E2級延長的電壽命試驗和文[6]要求的滿容量開斷30次的電壽命試驗。  

     由此可見,短路開斷失敗的關鍵因素并不在滅弧室本身,而在于斷路器設計存在缺陷,或者裝配調試過程中的不認真及人為疏忽等方面??梢哉f,一臺設計合理、裝配合格且調試良好的開關,只要選配合格的真空滅弧室,理論上都能夠通過幾十甚至上百次的額定短路電流開斷。

     驗證性試驗及結果:  影響電壽命的主要因素是電磨損,包括滅弧室、滅弧介質、觸頭三方面,通常認為起決定作用的是觸頭的磨損,其取決于電弧能量即開斷電流和燃弧時間。

    大量的試驗結果表明[7]:雖然燃弧時間的長短對單次開斷是隨機的,其平均燃弧時間則是趨近的,即可忽略首開相、后開相的影響,完全用開斷電流作為參考量。  根據真空電弧理論分析可知,真空電弧電壓是一個接近的數值,不受外施電壓大小的影響,只需一定大小的外施電壓就可維持真空電弧燃燒,所以只要短路電流滿足要求,可以采取降低電壓的方法進行電壽命開斷試驗[8~9],其觸頭磨損程度應該能夠等效全電壓的情況。依據此原理,合成試驗所用輔助斷路器由于每次均參與開斷短路電流,也承受較高的恢復電壓,故仍能滿足對觸頭的磨損要求。所以,通過對2005-2006年站內合成試驗用輔助斷路器開斷實驗的記錄與分析,來考核驗證真空斷路器的電壽命極限開斷次數能力,試驗原理見圖1。圖1中FD的滅弧室型號為TD-40.5/1600-31.5(編號0402578),自更換該滅弧室起,記錄了其每一次的開斷情況,同時為了滿足試驗的等價性,特意將它每次的燃弧時間整定為9~11ms。不同于目前流行的等效累計法[10~11],將各種開斷電流全都等效推算至滿容量下一起考核壽命,此次紀錄沒有考慮低于額定短路開斷電流的情況,只記錄了開斷31.5kA額定短路電流次數,即滅弧室觸頭實際的磨損程度要比記錄情況還要更加苛刻。


 HK-合閘開關 SP-試品 FL-分流器 FD-輔助斷路器  YQ-延弧回路點火球 KLH-空心電流互感器 GQ-電壓回路點火球 圖1 合成試驗回路原理結構圖


圖2:T100a長燃弧大半波開斷工頻示波圖


圖3:T100a長燃弧大半波開斷TRV波形  

    止至2006年7月底,共進行40.5kV、31.5kA等級各種產品試驗約20臺,該極滅弧室總共開斷31.5kA電流211次,累計開斷電流6600kA,累計燃弧時間約為1900ms。7月27日,將此極滅弧室作為試品進行了40.5kV、31.5kA合成開斷試驗,一共進行了3次有效開斷,其中,一次對稱電流開斷,燃弧時間為8.5ms;一次大半波中燃弧開斷,燃弧時間為10ms;一次大半波長燃弧開斷試驗,燃弧時間為12ms(T100a可以說是短路開斷試驗里最嚴酷的項目之一),3次開斷均成功,圖3、圖4為開斷試驗波形。隨后又對該滅弧室進行了絕緣試驗,其中工頻耐壓達到100kV,高于標準要求(95kV),沖擊耐受電壓水平略低于標準要求(185kV),達到182kV。這充分證實了此只滅弧室仍然具備很強的滅弧能力,能夠滿足繼續使用的條件[12]。解剖后發現:盡管觸頭面開槽大部分已熔化粘連,局部已產生凹坑,但觸頭表面燒損最嚴重處只有約1.4mm,且觸頭燃弧覆蓋面比較均勻,且金屬蒸汽對屏蔽筒的噴濺也比較輕微,說明縱磁場結構電極控弧能力很強。觸頭燒損情況見圖4。


    當然,并不是說每個批次生產的真空滅弧室都能達到200次以上的電壽命能力,其差異還是存在的,但是,根據在試驗站的多年工作經驗,輔助斷路器大多能夠完成150次以上的額定短路電流開斷,因此,該只滅弧室并不屬于個例,應該是帶有普遍性的。 

    結論  

    通過上述驗證性試驗證明,就目前的制造工藝和技術水平而言,滿容量電壽命開斷次數20、30甚至50次并不能真實反映真空斷路器實際的電壽命開斷能力。如果一切環節均配合正常的話,真空斷路器的電壽命極限開斷次數的潛力非常大,應該大多具備超過100次額定短路電流開斷的能力。如果運行中僅依據型式試驗中驗證的電壽命開斷次數來更換真空滅弧室,無疑會造成相當大的浪費。


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