真空斷路器老煉試驗(yàn)方法的探討

真空斷路器老煉試驗(yàn)方法的探討

0高壓重燃試驗(yàn)在7.2.40.5kv系統(tǒng)中廣泛使用的真空裝置開(kāi)關(guān)組開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。當(dāng)真空殼中的電粒子被金屬屏蔽包圍時(shí)，金屬蒸汽的殘余顆粒進(jìn)入接觸面，或接觸面上存在加工剩余的金屬顆粒、微觀突出物和附件。當(dāng)真空裝置打開(kāi)閉合電壓分布時(shí)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)相斷口兩端達(dá)到2.5倍相壓時(shí)，這些顆粒在強(qiáng)電源的作用下迅速向另一端移動(dòng)電極，并在電極表面引起金屬蒸發(fā)和電壓轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致電壓轉(zhuǎn)差和接觸面之間的絕緣裂紋。GB1984-2003《高壓交流斷路器》規(guī)定,開(kāi)斷電流熄弧后10ms內(nèi)為重?fù)舸?10ms以上為NSDD(非持續(xù)擊穿放電)。重?fù)舸┗騈SDD(以下對(duì)重?fù)舸┖蚇SDD不加區(qū)分,統(tǒng)稱重燃),特別是發(fā)生多相同時(shí)擊穿或多次擊穿,將在電容器等設(shè)備上產(chǎn)生很高的過(guò)電壓,實(shí)測(cè)對(duì)地過(guò)電壓可達(dá)5倍以上,電容器極間過(guò)電壓達(dá)2~3倍,對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償裝置和電力系統(tǒng)安全運(yùn)行造成很大的威脅。研究表明,重燃主要出現(xiàn)在真空斷路器滅弧室工作初期,一般在滅弧后幾十至幾百毫秒內(nèi)發(fā)生,并隨著操作次數(shù)的增加而急劇減少,最后穩(wěn)定在基本無(wú)擊穿工況。根據(jù)大量的實(shí)踐和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn),12kV和40.5kV真空斷路器的早期重燃率一般約為1.0%和4.0%,通過(guò)老煉試驗(yàn),能夠消除真空斷路器的早期重燃,有效降低真空斷路器實(shí)際運(yùn)行期間的重燃率。2012年,國(guó)家電網(wǎng)公司頒布的十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反措(修訂版)中規(guī)定,用于開(kāi)合電容器組的真空斷路器投運(yùn)前必須進(jìn)行高壓大電流老煉試驗(yàn)。為方便制造廠、試驗(yàn)單位及用戶執(zhí)行,保障系統(tǒng)和設(shè)備安全,國(guó)網(wǎng)紹興供電公司系統(tǒng)試驗(yàn)站(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)站)承擔(dān)了老煉試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作,對(duì)多年試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)進(jìn)行總結(jié)提煉,明確了試驗(yàn)的一般方法和要求。1真空滅弧室老煉試驗(yàn)所謂老煉,就是通過(guò)一定的工藝處理,消除滅弧室內(nèi)部的毛刺、金屬和非金屬微粒及各種污穢物,改善觸頭的表面狀況,使真空間隙耐電強(qiáng)度大幅提高;還可改變觸頭表面的晶格結(jié)構(gòu),降低冷焊力,增加材料的韌性,使觸頭材料更不容易產(chǎn)生脫落,大大降低真空滅弧室的重燃率。真空滅弧室老煉試驗(yàn)包括電流老煉和電壓老煉。電流老煉一般是用一百至數(shù)百安培的電流,通過(guò)真空滅弧室的觸頭間隙形成均勻的擴(kuò)散型真空電弧,利用電弧的高溫去除電極表面的薄層材料,同時(shí)消除電極表面層中的氣體、氧化物和雜質(zhì),改善觸頭表面狀況。電壓老煉試驗(yàn)是通過(guò)施加高電壓使真空電極放電,燒去觸頭表面的毛刺、雜質(zhì),提高真空滅弧室的耐壓水平,有利于弧后絕緣的迅速恢復(fù)。采用實(shí)際的電容器回路對(duì)真空斷路器進(jìn)行老煉操作,兼有上述2種方法的效應(yīng)。以數(shù)百安培的電流進(jìn)行電流老煉,同時(shí)又以高幅值的恢復(fù)電壓起到電壓老煉的作用,通過(guò)老煉初期的擊穿放電、合閘時(shí)的機(jī)械捶擊、涌流熱效應(yīng)以及分閘時(shí)的電弧燒灼,對(duì)觸頭表面進(jìn)行處理,能有效提升真空斷路器的抗重燃性能。2高壓交流試驗(yàn)真空斷路器開(kāi)合電容電流老煉試驗(yàn)參照GB1984-2003《高壓交流斷路器》進(jìn)行,根據(jù)試驗(yàn)方式的不同,分三相老煉試驗(yàn)、單相合成老煉試驗(yàn)和單相老煉試驗(yàn)。2.1測(cè)試方法2.1.1驗(yàn)優(yōu)選回路采用三相電源回路進(jìn)行老煉試驗(yàn)與斷路器實(shí)際運(yùn)行狀況基本一致,因此老煉試驗(yàn)優(yōu)選采用三相回路,如圖1所示,圖中:Um為母線對(duì)地電壓;Uf為試品極間恢復(fù)電壓;Uc為電容器側(cè)對(duì)地電壓;Uo為電容器組中性點(diǎn)對(duì)地電壓;I為回路電流;C為電容器組;TA為電流互感器;FD為放電線圈;SP為試品。2.1.2老煉電回路見(jiàn)圖235kV及以上真空斷路器一般采用單相合成回路老煉試驗(yàn),典型接線如圖2所示,圖中:DL為試驗(yàn)回路斷路器;T1為電流回路變壓器;T2為電壓回路變壓器;T3為電壓回路調(diào)壓器;C1,C2為電流回路電容器組;C3,C4為電壓回路電容器組;L為調(diào)頻電抗器;K1為電壓回路閘刀;SP1為試品被試相;SP2,SP3為試品非被試相;TA為電流互感器;FYn為母線電壓測(cè)量分壓器;FYf為恢復(fù)電壓測(cè)量分壓器;MOA為避雷器;TV為電壓互感器。單相合成回路的特點(diǎn)是用試品的非被試相作為電壓隔離開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)電壓與電流同步;用電容C4、電抗器L組成重?fù)舸┓烹娭?模擬實(shí)際重燃放電,提高老煉效果。采用單相合成回路進(jìn)行老煉試驗(yàn),能有效降低投切過(guò)電壓,減小系統(tǒng)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)。2.1.3u3000電容器面當(dāng)不具備三相試驗(yàn)條件時(shí),還可采用單相老煉試驗(yàn),試驗(yàn)接線如圖3所示,圖中:Um為母線對(duì)地電壓;Uf為試品極間恢復(fù)電壓;Uc為電容器側(cè)對(duì)地電壓;I為回路電流;SP為試品;C為電容器組;TA為電流互感器;FD為放電線圈。2.2電弧作為一種電極根據(jù)多種大小不同的電流對(duì)真空開(kāi)關(guān)進(jìn)行的老煉和現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試,試驗(yàn)電流過(guò)小,不足以消除滅弧室內(nèi)雜質(zhì),試驗(yàn)電流太大,則要求系統(tǒng)無(wú)功容量也較大,產(chǎn)生的電壓波動(dòng)也大。當(dāng)老煉試驗(yàn)電流為350~400A時(shí),電弧呈圓錐形,沿電極表面不斷移動(dòng),電弧弧柱的電流密度約為105~106A/cm2,具有很好的清洗和凈化效應(yīng),也不會(huì)燒蝕電極觸頭表面。老煉試驗(yàn)電流和時(shí)間的推薦值如表1所示。電流持續(xù)時(shí)間為0.3s較為適宜,2次試驗(yàn)的間隔時(shí)間主要考慮斷路器的儲(chǔ)能、機(jī)構(gòu)動(dòng)作后的穩(wěn)定、電弧熄滅后滅弧室內(nèi)微電物質(zhì)的穩(wěn)定等因素,同時(shí)要避免間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng),影響試驗(yàn)效率。2.3試驗(yàn)電壓的計(jì)算試驗(yàn)電壓在試品分閘瞬間測(cè)定,其相間電壓應(yīng)不小于系統(tǒng)標(biāo)稱電壓,并盡可能靠近試品處。對(duì)于三相試驗(yàn),試驗(yàn)電壓用三相試驗(yàn)電壓的平均值表示,通過(guò)示波器或瞬態(tài)記錄儀等設(shè)備來(lái)確定,任何相間的試驗(yàn)電壓與平均試驗(yàn)電壓的偏差不應(yīng)超過(guò)10%。對(duì)于單相老煉試驗(yàn),于試品處測(cè)得的試驗(yàn)電壓應(yīng)不小于1.4倍額定電壓。2.4電容器組放電電容器回路包括所有必要的測(cè)量裝置,如分壓器等。其電弧最終熄滅后300ms時(shí)斷路器斷口電壓的衰減不超過(guò)10%,并提供1000ms的恢復(fù)電壓。電容器組具有放電回路,關(guān)合操作之前,在容性回路上無(wú)明顯的剩余電荷。三相試驗(yàn)的回路中性點(diǎn)應(yīng)絕緣。GB1984-2003《高壓交流斷路器》要求恢復(fù)電壓時(shí)間不少于300ms,但根據(jù)試驗(yàn)站開(kāi)合容性電流試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,斷路器在電弧熄滅300ms后發(fā)生重燃的次數(shù)約占總次數(shù)的15%,實(shí)測(cè)最大重燃時(shí)間為2150ms,故將恢復(fù)電壓時(shí)間延長(zhǎng)至1000ms。2.5再次發(fā)生重燃的可能性老煉試驗(yàn)的連續(xù)無(wú)重燃次數(shù)及試驗(yàn)總次數(shù)限值如表2所示。當(dāng)三相和單相老煉試驗(yàn)連續(xù)30次、合成老煉試驗(yàn)連續(xù)60次無(wú)重燃后,再次發(fā)生重燃的幾率已遠(yuǎn)小于0.1%。如果三相和單相老煉試驗(yàn)總次數(shù)超過(guò)150次,合成老煉試驗(yàn)總次數(shù)超過(guò)500次后仍有重燃發(fā)生,則通過(guò)老煉試驗(yàn)的可能性比較小。單相合成老煉試驗(yàn)可通過(guò)LC支路模擬重?fù)舸┓烹?提高老煉效果,但總體上由于對(duì)重燃的電流進(jìn)行了限制,對(duì)滅弧室的清洗作用比較小,因此無(wú)重燃次數(shù)比直接試驗(yàn)要求多30次。3老煉試驗(yàn)和試驗(yàn)特點(diǎn)真空斷路器開(kāi)合電容電流的型式試驗(yàn)和老煉試驗(yàn)均依據(jù)國(guó)標(biāo)GB1984-2003《高壓交流斷路器》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行,兩者區(qū)別如下:(1)試驗(yàn)?zāi)康牟煌?。型式試?yàn)用于考核真空斷路器性能,對(duì)重?fù)舸┖蚇SDD次數(shù)有嚴(yán)格限制。老煉試驗(yàn)的目的是改善真空滅弧室性能,對(duì)重燃不進(jìn)行考核,只進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。但當(dāng)老煉試驗(yàn)中頻繁出現(xiàn)重?fù)舸┗騈SDD且沒(méi)有好轉(zhuǎn)趨勢(shì),或試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到規(guī)定上限,表明該斷路器真空滅弧室制造質(zhì)量較差,或機(jī)械特性及參數(shù)調(diào)整不當(dāng),通過(guò)試驗(yàn)已無(wú)法對(duì)其性能進(jìn)行改善時(shí),可以終止試驗(yàn)。(2)試驗(yàn)對(duì)象不同。型式試驗(yàn)針對(duì)斷路器某個(gè)型號(hào)規(guī)格的樣品進(jìn)行,試驗(yàn)合格后允許批量生產(chǎn)。老煉試驗(yàn)則面向所有用于并聯(lián)補(bǔ)償裝置的真空斷路器,在投運(yùn)前必須進(jìn)行試驗(yàn)。(3)試驗(yàn)方法和要求不同。型式試驗(yàn)時(shí)為考驗(yàn)觸頭材料、工藝及機(jī)構(gòu)配合,需要進(jìn)行背對(duì)背電容器組的涌流關(guān)合試驗(yàn)。老煉試驗(yàn)一般在單個(gè)電容器組下進(jìn)行,通常不會(huì)出現(xiàn)諸如觸頭熔焊、無(wú)法開(kāi)斷等現(xiàn)象。此外,老煉試驗(yàn)對(duì)合閘角度、分閘燃弧時(shí)間等也沒(méi)有明確要求。4在過(guò)去五年中，老試驗(yàn)的可靠性表3、表4給出了試驗(yàn)站近5年來(lái)12kV及40.5kV真空斷路器的老煉試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)。4.1資濾波器配進(jìn)口滅弧室試驗(yàn)結(jié)果按國(guó)產(chǎn)斷路器配國(guó)產(chǎn)滅弧室、合資或獨(dú)資斷路器配國(guó)產(chǎn)滅弧室、國(guó)產(chǎn)斷路器配進(jìn)口滅弧室、合資或獨(dú)資斷路器配進(jìn)口滅弧室?guī)追N情況分類統(tǒng)計(jì),12kV的老煉試驗(yàn)重燃率分別為1.89%,0.83%,0.86%和0.31%,總重燃率為0.99%;40.5kV的老煉試驗(yàn)重燃率分別為4.59%,2.72%,0.48%和7.03%,總重燃率為4.79%。4.2合資和進(jìn)口巷道配重燃率對(duì)比(1)除2012年外(因?yàn)橛卸嗯_(tái)設(shè)備未能通過(guò)試驗(yàn)而未納入統(tǒng)計(jì)),近5年來(lái)老煉試驗(yàn)重燃率保持上升勢(shì)頭,12kV總重燃率接近1.0%,40.5kV達(dá)到4.8%,斷路器及滅弧室總體性能未有較大改善,充分表明老煉試驗(yàn)的必要性。(2)12kV合資或獨(dú)資斷路器配進(jìn)口滅弧室的重燃率有所上升,由2008年的0.05%上升到2012年的0.55%,而2007年以前的重燃率都為零,其主要原因是現(xiàn)在不少合資或外資企業(yè)采用OEM(定點(diǎn)生產(chǎn))方式生產(chǎn)以降低成本,造成產(chǎn)品質(zhì)量下滑。12kV國(guó)產(chǎn)真空斷路器重燃率起伏較大,與合資與獨(dú)資企業(yè)的產(chǎn)品相比,還存在一定差距。(3)40.5kV真空斷路器的總重燃率逐年上升,2011年達(dá)到8.50%。2012年有較大回落,而回落的主要原因則是有15臺(tái)斷路器(13臺(tái)國(guó)產(chǎn),2臺(tái)合資斷路器)沒(méi)有通過(guò)老煉試驗(yàn)考核,不納入該表統(tǒng)計(jì)。40.5kV國(guó)產(chǎn)斷路器配國(guó)產(chǎn)滅弧室時(shí)重燃率依然居高不下,起伏波動(dòng)也較大。合資或進(jìn)口斷路器配進(jìn)口滅弧室的重燃率逐步上升,已接近國(guó)產(chǎn)設(shè)備的水平。滅弧室對(duì)重燃起重要作用,但機(jī)構(gòu)的配合顯然也非常關(guān)鍵。5老煉試驗(yàn)的結(jié)果分析本文闡述了真空斷路器開(kāi)合電容電流老煉試驗(yàn)的機(jī)理,根據(jù)多年