真空断路器分闸弹振对灭弧性能的影响_机械/仪表_工程科技_专业资料。电力建设 真空断路器分闸弹振对灭弧性能的影响 蒲伟 （国网四川省电力公司德阳供电公司 四川 德阳 618000） 摘 要：作者在本文中通过对实际案例的分析，从真空灭弧原理入手，指出分闸弹振对真空断
电力建设 真空断路器分闸弹振对灭弧性能的影响 蒲伟 （国网四川省电力公司德阳供电公司 四川 德阳 618000） 摘 要：作者在本文中通过对实际案例的分析，从真空灭弧原理入手，指出分闸弹振对真空断路器短路开断性能的影响，进一步指出 缓冲器在真空断路器分闸过程中的重要作用，从而提出在对真空断路器检修时不应忽视的细节。 关键词：真空断路器；灭弧；分闸弹振 中图分类号：TM561 文献标识码：B 文章编号：1004-7344（2013）26-0152-03 1 引言 真空断路器因具有可频繁操作、电寿命长、检修维护工作量小、体积 小、不污染环境等优点，在中压领域应用广泛，市场潜力巨大。然而，在实 际运行中，仍然存在一些问题，严重影响了开关的可靠性。譬如，因分闸 反弹幅值过大而造成多次重燃现象导致事故发生。因此，有必要分析和 探讨分闸反弹对开关开断性能的影响。 2 事故案例 2.1 故障描述 2011 年 9 月 25 日，110kV 某变电站 10kV 914# 线路发生三相短路 故障，导致玉# 主变跳闸，对玉# 主变、故障开关柜及出线电缆进行检查， 未发现异常现象。由于供电压力，将玉# 主变及故障开关柜投入运行。 2011 年 9 月 28 日 06 时 25 分 38 秒，该线路再次发生三相短路故障，开 关保护过流玉段速断动作跳闸，延时 2.5s 后重合，重合于永久性故障，后 加速保护动作跳闸，但未切除故障电流，随后 I# 主变低后备保护 1.4s 跳 930# 开关，1.7s 后跳主变 931# 开关。本次故障发生在 10kV 914# 线路 上，应由开关速断保护切除，但开关重合于故障线路后再次跳闸时，未能 断开故障电流，导致玉# 主变低后备保护动作，造成了事故扩大。 2.2 故障设备描述 开关型号：ZN73-12/1250-31.5，2000 年 7 月投运。 2.3 故障前后运行情况 110kV 为内桥接线# 运行，内桥 130# 备用，181# 开关带玉# 主变运行，域# 主变备用。10kV 母联 930# 开关运行，I# 主变 带两段 10kV 母线kV 玉段母线# 开 关 处 于 合位， 110kV 母联 130# 开关处于分位，I# 主变 10kV 侧 931# 开关处于分位， 10kV 母联 930# 开关处于分位，10kV 914# 开关处于分位，10kV 两段母 线# 保护录波分析，2011 年 09 月 25 日 06 时 25 分 38 秒 714 毫秒，10kV914# 某线路发生 ABC 三相短路，开关 瞬时速断保护切除故障，此阶段故障持续 70ms 左右。 2.5s 后重合闸动作，开关合闸于故障线路，开关瞬时速断、后加速、定 时限过流保护先后动作。 从图 2 中可以看出在保护动作 70ms 左右后开关分闸，故障电流迅 速消失，电压恢复，但 80ms 故障电流又出现，1.4s、1.7s 后 I# 主变低后备 保护动作，先后跳开 930#、931# 开关，隔离故障。 2.5 故障后断路器高压试验情况 故障后现场对开关进行了试验，包括机械特性试验、断口回路电阻 试验、交流耐压试验（断口和整体耐压），结果如表 1~2。 通过表 1 和表 2 的对比可见，其中 914# 断路器时间特性试验和交 流耐压试验均合格，回路电阻则超过标准，明显大于同类型开关。推断其 断口可能在故障中存在烧蚀。将开关运回检修车间后对其进行了行程测 电保护反事故措施，每个变电站需配备两套直流系统，互为备用，提高直 流电源的可靠性。 3.4 降低一次设备的接地电阻 对于电流互感器、避雷器、电压互感器等类型的一次设备，要设法降 低其接地电阻，从而减小由于外界高频电流输入，产生的电位差，该感应 电路差会对设备造成较大的干扰，影响继电保护装置的功能。 3.5 构造继电保护装置等电位面 为了确保控制室的地电位差不影响到其他等电位面，消除各个联网 设备之间的电位差，可以将继电保护装置的所有设备放在同一个平台 中，保证其处于等电位状态，该平台电位与地网电位变化保持同步。 3.6 完善环网供电的保护设施 缺乏必要的保护设施是环网供电的主要弊端之一，所以应进行进一 步完善，添加必要的保护措施，对于故障修理中出现的人工操作，应加强 技术研究，提高自动化系统的处理能力，通过自动化设备，对于环网中出 现的故障进行自我修复，从而缩短故障的持续时间，将其影响降至最低。 3.7 断开结合滤波器的一、二次线圈间的接地连线 高频电流会通过高频通道的高压祸合电容器流向地面，应采取措 施，阻止其发生：将电缆中的电容进行串联，从而有效阻止地电位差电流 的产生。 4 结语 经济的飞速发展对电力系统提出了更高的要求，作为电力系统的重 要保证，继电保护系统的作用越来越重要。从我国目前的实际应用情况 来看，还存在许多问题需要解决，这是相关人员需要面临的一大挑战，电 力人员应加强学习研究，切实提高继电保护系统的水平与效率。 参考文献 [1]李汉荣.论电网继电保护配置存在问题及改进措施[J].广东科技，2012，11. [2]吴伟明.风电接入对继电保护的影响（七）———风电场送出电网继电保 护配置研究[J].电力自动化设备，2013，07. [3]张 央.地区电网继电保护整定计算若干问题研究[D].华中科技大学， 2012，02. 收稿日期：2013-11-8 作者简介：陈晓声（1986-），男，本科，从事电网规划方面的工作。 熊 洁（1975-），女，本科，从事电网规划统计方面的工作。 大 科 技 152 2013 年 11 月 电力建设 图 2 181# 开关保护录波图 表 1 断路器试验数据 试验项目 试验标准 测试值 A相 B相 C相 合闸时间（ms） 臆75ms 62.6 62.0 62.2 合闸弹跳时间（ms） 臆2ms 三相合闸时间同期性 （ms） 臆2ms 分闸时间（ms） 臆60ms 三相分闸时间同期性 （ms） 臆2ms 导电回路电阻（滋赘） 不大于 1.2 倍出厂值 相间及相对地绝缘电 参照制造厂规定或自行规 阻（M赘） 定 断口间绝缘电阻（M赘） 不应低于 300M赘 0 52.1 76.4 2500+ 2500+ 0 0 0.6 52.4 52.4 0.3 96.0 83.2 2500+ 2500+ 2500+ 2500+ 相间及相对地交流耐 压 42kV/1min 通过，试验中 无闪络击穿（带 CT 为 30kV/1min） 通过 通过 通过 42kV/1min 通过，试验中 断口间交流耐压 无闪络击穿（带 CT 为 通过 通过 通过 30kV/1min） 操作机构分、合闸电磁铁 合闸 120 分、合闸电磁铁的动作 或合闸接触器端子上的最 电压 低动作电压应在操作电压 分闸 109 额定值的 30耀65豫之间 测试时间：2011 年 9 月 28 日 环境温度：21益 环境湿度：65% 测试仪器：EST-5D 高压开关测试仪，HS6100 回路电阻测试仪 表 2 同型号、同规格断路器试验数据 试验项目 试验标准 测试值 A相 B相 C相 合闸时间（ms） 臆75ms 61.3 60.7 60.6 合闸弹跳时间 （ms） 三相合闸时间同 期性（ms） 臆2ms 臆2ms 0 0 0 0.7 分闸时间（ms） 臆60ms 46.9 47.3 47.3 三相分闸时间同 期性（ms） 导电回路电阻 （滋赘） 相间及相对地绝 缘电阻（M赘） 臆2ms 不大于 1.2 倍出厂值 参照制造厂规定或自行规定 0.4 16.0 16.8 17.4 2500+ 2500+ 2500+ 断口间绝缘电阻 （M赘） 不应低于 300M赘 相间及相对地交 42kV/1min 通过，试验中无闪络击穿 流耐压 （带 CT 为 30kV/1min） 2500+ 通过 2500+ 2500+ 通过 通过 断口间交流耐压 42kV/1min 通过，试验中无闪络击穿 （带 CT 为 30kV/1min） 通过 通过 通过 分、合闸电磁铁的 动作电压 操作机构分、合闸电磁铁或合闸接触 器端子上的最低动作电压应在操作电 压额定值的 30耀65豫之间 合闸 分闸 110 102 测试时间： 环境温度： 环境湿度： 测试仪器：EST-5D 高压开关测试仪，HS6100 回路电阻测试仪 试，测试原理图见图 3，测试结果见图 4。 从结果中可以看出，开关分闸时，动触头总行程只有 10mm，动触头 存在 8mm 左右的反弹。为了进行对比，对另该站的同型号同厂家开关进 行了行程测试，结果见图 5。从图 3 可以看出开关分闸行程是不正常，出 图 3 开关行程测试原理图 图 4 开关行程测试结果 现了严重反弹。再结合图 2 的录波图，可以看出 914# 开关在重合闸后分 闸，70ms 之后电弧熄灭，开关动静触头在正常状态应该是间隙越来越大， 场强越来越小，电弧一旦熄灭，不可能发生重燃。但从试验结果来看，由 于动触头完全分开后又回弹 8mm，动静触头之间的间隙仅 2mm，此时场 强增大，且真空泡内的绝缘未完全恢复，容易导致间隙重击穿。为了验证 断路器在分闸时发生了电弧重燃，对线 正常开关行程测试结果 图 6 开关断口静触头 从解体的图中可以看出开关动静触头之间存在明显的烧损痕迹，触 头表面烧损严重，屏蔽罩上有金属蒸气凝结而成的金属粒。说明短路故 障时断口温度极高，断口表面已经部分熔化。 3 故障原因分析 3.1 真空泡灭弧原理 为了更加清楚地理解开关的分合过程，首先我们介绍一下线 月 电力建设 图 7 开关断口动触头 图 8 真空泡金属壁上的金属熔粒 的灭弧原理。图 9 为真空开关灭弧室示意图，真空开关在分闸过程中， 动、静触头将分离一定的间距 d，此间距 d 将拉开到额定的间距。由于动、 静触头间存在电压 U，因此动、静触头间的电场强度 E=U/d。在动、静触头 在刚分离时，间距 d 很小，则触头间的电场强度非常大。强电场下，触头 表面金属电离，带电粒子溢出，飞向对侧触头，形成电弧。电弧在燃烧的 过程中产生大量的金属蒸汽和离子，而被称作“离子汽”。“离子汽”和气 体的性质相似，具有一定的气压，从而也遵循气体的某些规律，即组成气 体的微粒将从高压区迅速向低压区运动，以实现压力的平衡，在真空环 境下“离子汽”迅速向周围扩散，并带走大量的电弧热量，使电弧得到冷 却。此外，由于灭弧室的静态压力极低，约 1.33伊10-3耀1.33伊10-7Pa，所以只 需要很小的触头间隙就能达到很高的介电强度，分闸过程中高温产生了 金属蒸汽离子和电子组成的电弧等离子体使电流持续很短一段时间。由 于触头上开有螺旋槽。电流曲折路径效应形成的磁场作用在电弧上。使 电弧每秒以 70耀100m 的速度在触头表面旋转运动，直到电弧熄灭，这样 即使在切断很大电流时也可以避免触头表面局部过热与不均匀的烧烛。 电弧在自然过零时，残留的离子、电子和金属蒸汽只需要在几分之一毫 秒的时间就可以复合或凝聚在金属屏蔽罩上，完成“消游离”的过程，电 弧熄灭，触头间绝缘恢复。 第一次跳闸和第二次跳闸之间的区别，从特性试验来看，开关的分闸速 度、分闸时间和反弹幅度都很稳定，即单从机械动作角度来看，两次跳闸 是完全一样。但第一次跳闸真空泡是在绝缘良好的状态，真空泡内没有 导电的离子汽，第二次跳闸时，真空泡内有大量的离子汽，主要是第一次 分闸放电和重合闸预击穿时产生的离子汽，此时真空泡内绝缘还未完全 恢复，因此，在这种情况下分闸会引起电弧重燃。 为什么说开关反弹引起了电弧重燃呢？我们从图 2 可以看出，开关 在第二次跳闸后，有 10ms 左右的断流时间，即开关是将故障电流断开 的，如果没有反弹，断流 10ms 后，真空泡的绝缘能力高于断流前的绝缘 能力，这种情况下，真空泡很难发生重燃。正是由于反弹，导致动静触头 间距离不够，引起电弧重燃。此外，由于该线路出线为双电缆出线km。我们都知道，切断容性负荷和长电缆负荷，对开关来说是非常 严苛的考验。 3.3 产生分闸反弹的原因 从前面的分析可以看出，造成此次事故的根本原因是真空开关分闸 反弹幅度过大，导致电弧重燃，未能及时断开故障电流所致。开关在分闸 过程中分闸速度很高，瞬时速度高达 员m/s 以上，如此高的速度伴随着很 大的弹簧能量释放，从力学角度分析，若没有良好的缓冲装置，分闸弹簧 能量完全释放完后将会大幅度反弹，从系统安全稳定运行的角度来看， 这种反弹是坚决不允许的。如何消除这种分闸反弹？众所周知，开关操动 机构内都装有缓冲器，对于真空开关来说，大多均为油缓冲器（极个别厂 商为橡皮缓冲器，但橡皮无吸收能量的作用，故缓冲效果不明显），而油 缓冲器的性能直接决定了开关分闸反弹的幅度。本案例中的开关问题， 恰恰是缓冲器出现故障，经检查发现由于缓冲器制造工艺不良，存在轻 微渗漏油现象，故障发生后，缓冲器内油基本已经漏完，此时，缓冲器相 当于一个纯钢板，没有丝毫缓冲作用，导致开关分闸时会出现高达 80% 的反弹幅度，从而直接导致了此次事故的发生。 4 结论 （1）针对长电缆出线、电容器出线的情况，建议选用能够频繁投切、 具备极低重燃率的 C2-M2 级开关。 （2）回路电阻测试具有重要意义，它影响了开关完成 O-C-O 操作的 能力。因此，应提高回路电阻测试的精度，强化回路电阻数据管理。如果 回路电阻数据不合格，建议退出重合闸，或更换线）分闸反弹反应了缓冲器的设计水平和质量，应严把设备入口关， 开关交接试验时，加强对分闸反弹的测试，不要引入有设计缺陷的设备。 （4）开关在做预试小修时不应忽视对细小部件的检查，有些部件看 似很小，但是对开关的开断性能有着至关重要的作用，应对这些部件做 详细认真的检查，谨防此类事故再次出现。 参考文献 [1《] 高压断路器培训教材》. [2《] 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》GB110221999. 收稿日期：2013-11-3 作者简介：蒲 伟（1985-），男，汉族，助理工程师，本科，主要从事变电检 修工作。 1-上法兰；2-静触头；3-屏蔽罩；4-动触头；5-波纹管；6-下法兰 图 9 线 产生电弧重燃的原因 从 914# 保护的录波图清楚的显示开关未断开故障电流，模拟试验 和开关机械特性试验又证实了开关确实正确动作。故障后现场检查时也 发现开关处于断开状态。但开关跳闸时确实没有断开故障电流，那么只 有一种可能性：真空泡内发生了电弧重燃，并且重燃时间持续了约 1.7s。 从逻辑来讲，构成开关电弧重燃有两个必要条： （1）开关的绝缘恢复能力（自卫能力）受到极大的破坏。 （2）开关出现了严重的反弹。 这两个条件在电弧重燃中扮演了重要的角色。首先，我们比较一下 大 科 技 154 2013 年 11 月
