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对真空断路器电寿命能力的探讨
jiang_0514 发表于 2009/8/24 9:48:13 627 查看 0 回复 [上一主题] [下一主题]
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真空断路器以其熄弧能力强，燃弧时间短，触头磨损小，机械寿命长，维护量小，灭弧室更换容易等一系列特点深受用户的青睐，目前更是在40.5kV及以下电压等级的市场上占据主导地位。运行部门常将真空断路器在型式试验时通过的机械寿命次数及额定短路电流开断次数（即电寿命）作为维修及灭弧室更换的依据[1～2]。上世纪90年代中期曾有厂家对12kV真空断路器产品进行过75次额定短路开断电流试验，至于更高电压等级产品，或者更多开断次数的验证，由于试验费用太高，没有厂家愿意负担这样的研发成本，所以并没有进一步深入研究。通过分析2002年至2006年5年间的约500份型式试验报告、原始记录及试验波形，并且跟踪记录一台合成试验用辅助断路器单极一年多的开断情况，进一步的研究和验证了真空断路器极限电寿命能力。
型式试验报告的分析结论：
查阅500余份真空断路器及开关柜的型式试验报告及原始记录后发现，共有75台次真空断路器试品在短路开断试验过程中出现问题。分析发现：发生问题试品的开断次数区段有这样一个规律：试验产品随着开断次数的增加，试验失败率反而在大大减少。其中，发生问题
的开断次数区间在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次以上的为0%，见表1。
表1：试验出现问题区段分布表
开断出现 问题区段 | 1 ~ 10次 | 11 ~ 20次 | 21 ~ 30次 | 30次以上 |
台数 | 49台 | 18台 | 8台 | 0台 |
规律：试验产品随着开断次数的增加，试验失败率反而在大大减少。其中，发生问题
的开断次数区间在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次以上的为0%，见表1。
开断失败的原因很多[3～4]，主要有：①开关装配调试不当，如灭弧室安装偏心，紧固螺丝松动，反弹或弹跳过大；②机构可靠性差，行程特性曲线不理想；③灭弧室内部缺陷，如真空度不合格，老炼不充分等。从表1可以看出，开断试验中大部分问题出现在电寿命试验开始阶段，一旦度过这段过程，熄弧失败的几率就开始减小。失败的原因尽管不排除灭弧室本身问题，但现在真空灭弧室的生产工艺和制造水平已相当成熟，合格率相当高，而且出厂时还要经过数次高电压、小电流的充分老炼，多道真空度检测工序，出现问题的概率应该说很小。其实就算是由于灭弧室自身的缺陷造成开断失败（如熔焊、未灭弧），包括触头材料内部大量排气造成真空度下降，或者触头材料熔化后产生的金属微粒飞溅使灭弧性能下降等原因，也应该是随着开断次数的增多，失败几率逐渐增加。可事实恰好相反。开断30次以上的试品都通过了电寿命试验，甚至是同一台产品连续成功做了两轮电寿命试验，即同时满足文[5]要求的274次E2级延长的电寿命试验和文[6]要求的满容量开断30次的电寿命试验。
由此可见，短路开断失败的关键因素并不在灭弧室本身，而在于断路器设计存在缺陷，或者装配调试过程中的不认真及人为疏忽等方面。可以说，一台设计合理、装配合格且调试良好的开关，只要选配合格的真空灭弧室，理论上都能够通过几十甚至上百次的额定短路电流开断。
验证性试验及结果：
影响电寿命的主要因素是电磨损，包括灭弧室、灭弧介质、触头三方面，通常认为起决定作用的是触头的磨损，其取决于电弧能量即开断电流和燃弧时间。大量的试验结果表明[7]：虽然燃弧时间的长短对单次开断是随机的，其平均燃弧时间则是趋近的，即可忽略首开相、后开相的影响，完全用开断电流作为参考量。
根据真空电弧理论分析可知，真空电弧电压是一个接近的数值，不受外施电压大小的影响，只需一定大小的外施电压就可维持真空电弧燃烧，所以只要短路电流满足要求，可以采取降低电压的方法进行电寿命开断试验[8~9]，其触头磨损程度应该能够等效全电压的情况。依据此原理，合成试验所用辅助断路器由于每次均参与开断短路电流，也承受较高的恢复电压，故仍能满足对触头的磨损要求。所以，通过对2005-2006年站内合成试验用辅助断路器开断实验的记录与分析，来考核验证真空断路器的电寿命极限开断次数能力，试验原理见图1。图1中FD的灭弧室型号为TD-40.5/1600-31.5（编号0402578），自更换该灭弧室起，记录了其每一次的开断情况，同时为了满足试验的等价性，特意将它每次的燃弧时间整定为9～11ms。不同于目前流行的等效累计法[10～11]，将各种开断电流全都等效推算至满容量下一起考核寿命，此次纪录没有考虑低于额定短路开断电流的情况，只记录了开断31.5kA额定短路电流次数，即灭弧室触头实际的磨损程度要比记录情况还要更加苛刻。
YQ-延弧回路点火球 KLH-空心电流互感器 GQ-电压回路点火球
图1 合成试验回路原理结构图
图2：T100a长燃弧大半波开断工频示波图
图3：T100a长燃弧大半波开断TRV波形
说明纵磁场结构电极控弧能力很强。触头烧损情况见图4。
当然，并不是说每个批次生产的真空灭弧室都能达到200次以上的电寿命能力，其差异还是存在的，但是，根据在试验站的多年工作经验，辅助断路器大多能够完成150次以上的额定短路电流开断，因此，该只灭弧室并不属于个例，应该是带有普遍性的。
结论
通过上述验证性试验证明，就目前的制造工艺和技术水平而言，满容量电寿命开断次数20、30甚至50次并不能真实反映真空断路器实际的电寿命开断能力。如果一切环节均配合正常的话，真空断路器的电寿命极限开断次数的潜力非常大，应该大多具备超过100次额定短路电流开断的能力。如果运行中仅依据型式试验中验证的电寿命开断次数来更换真空灭弧室，无疑会造成相当大的浪费。
参考文献：
[1].尹承尚，运行中真空灭弧室寿命分析[J]，山东电力技术，1996，（4）：76~77
[2].钱家骊，高压断路器的更换技术和日本的更换量化准则[J]，高压电器，2003，39（4）：53~55
[3].曹荣江，顾霓虹，高压交流断路器的运行条件，北京工业大学出版社[M]，1999.12
[4].王季梅，苑舜，大容量真空开关理论及其产品开发，西安交通大学出版社[M]，2001.10
[5].GB1984—2003，高压交流断路器[S]：2003．
[6].DL/402—1999，交流高压断路器订货技术条件[S]：1999
[7].郭贤珊，王章启，高压断路器触头电寿命预测的研究[J]，高电压技术，1999，25（3）：43~44
[8].王季梅，钱忠厚，李肇林，真空断路器电寿命试验采用降低电压试验方法的分析[J]，高压电器，1990，26（1）：37~39
[9].杨冬莲，对电寿命试验方法的探讨[J]，低压电器，1995，（3）：22~24
[10].孙福杰，王章启，高压断路器触头电寿命诊断技术[J]，电网技术，1999，23（3）：59~61
[11].狄美华，李震彪，吴细秀，开关电器触头电寿命诊断方法综述[J]，高压电器，2004，40（3）：201~204
[12].曹荣江，顾霓虹，表徵真空断路器电寿命的若干判据[J]，电网技术，1997，21（11）：26~32