真空斷路器觸頭電磨損估算法在應用中的必要性及案例分析

真空斷路器觸頭電磨損估算功能的研發背景：

        隨著電力系統開關設備的無油化進程, 真空斷路器憑借自身的諸多優點, 迅速廣泛地被應用于電力系統中。在我國中壓領域中, 真空斷路器已占到80%以上。2000年我國真空斷路器的產量已占全部中壓斷路器產量 87. 36%, 2004 年占有率為 98.85%。       
        在真空斷路器使用數量迅速增長的同時, 由于其維護量小、檢修周期長等特點, 容易使用戶忽略其存在的電壽命問題，而影響真空斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損。隨著時間的推移, 首批被應用的真空斷路器逐漸步入老齡化, 問題日益突顯, 應當引起足夠的重視。
        根據防而后治，防是重點的理念，我公司認真聽取客戶的反饋（在真空斷路器帶電流分閘或故障分閘時，有拉弧現象對斷路器觸頭一定的損壞，能不能把損壞量化出來），參考國內外繼電保護的應用及相關技術文獻，我公司自主研發了觸頭電磨損估算功能，針對真空斷路器真空管內觸頭在發生故障時，會對觸頭有一定損壞的情況，把看不見，摸不著的東西以數學公式模型量化出來，做一個告警，通知運行值班人員檢查斷路器，把事故隱患消滅在萌芽狀態。
        下面引用王敏的《真空斷路器觸頭接觸不良引起的同步電機故障》一文中的故障分析，來說明觸頭電磨損估算法在應用中的必要性。

故障經過：

        某廠運行值班員在設備巡視中，發現1號制氧機所配250KW/6KV同步電機運行聲音異常，電動機振動大，控制柜定子電流表指針上下擺動很大，立即停機。維修電工檢查發現6KV高壓柜C411號電流互感器二次出線嚴重燒壞，對些進行了處理，并測量了同步電機定轉子氣隙，沒有發現掃膛現象，但未檢查真空斷路器。運行值班員再次起動同步電動機，運行不到兩分鐘，機組再次出現前述故障現象，同時故障跳閘停機，遂請來工程技術人員對些故障進行分析處理。

故障處理：
        根據運行人員反映的上述故障現象，技術員對6KV高壓斷路器(ZN9-630A/10KV-20KA真空斷路器)進行全面檢查。
        1）用2500V兆歐表測同步電動機和6KV高壓真空斷路器絕緣狀況，相間及對地絕緣電陰在正常值范圍。
        2）用三相同期燈檢查真空斷路器三相觸頭合閘同期性，發現三相不同期性超過1mS以上，其中C相最差，合閘狀下C相同期燈微亮。
        3）用雙臂電橋測量三相主觸頭的接觸電陰值，結果A相160微歐、B相90微歐、C相25歐，嚴重超標（規程要求不大于50微歐）。調整加大超程，C相接觸電阻未有改變，由此判斷為C相真空滅弧室觸頭接觸不良。
        4）更換C相真空滅室，調整三相同期性，使三相不同期性小于1mS，測試三相觸頭接觸電阻小50微歐。
        經過上述處理后，運行人員重新起動運行，同上步電動機故障現象消除，機組運行恢復正常。

真空斷路器觸頭接觸不良故障原因分析及危害：

        根上述檢查處理綜合分析，造成同步電動機電流變化大，機組聲音異常，振動大的直接原因是6KV真空斷路器C相主觸頭電阻嚴重超標，引起觸頭接觸不良、發熱，造成同步電動機三相電流不平衡，從而發生過流跳閘故障。
        技術人員將更換下來的真空滅弧室進行了檢查，外表觀察發現真空斷路器動導電桿及真空滅弧室外殼有過熱現象。進一步將真空滅弧室解體，發現滅弧室內主動、靜觸頭旋弧面已嚴重燒熔，表面凹凸不平，動靜觸頭旋弧面上三條阿基米德螺旋槽已燒熔堵死，滅弧室內還掉落有不少觸頭燒熔焊渣。
        根據上述解體檢查結果，技術人員分析認為真空斷路器動靜觸頭嚴重燒熔的原因是觸頭接觸壓力減小，觸頭磨損引起超程減小，到使運行中觸頭接觸電阻增大而發熱。真空斷路器觸頭是用易熔合多材料制成的，觸頭發熱會燒熔，破壞了觸頭的旋弧表面，使觸頭的滅弧能力降低，而斷路器分合閘時產生的真空電弧加速觸頭的燒熔，如此惡性循環，使真空滅弧室內動靜觸頭燒壞。要不是及時處理上述故障，真空滅弧室將可能因高溫發熱不能有效滅弧而發生爆炸。

總結：

真空斷路器的滅弧室為一不可拆卸的密封整體，其中觸頭的良好接觸卻直接關系到用電用戶的用電質量（觸頭的接觸不良會引發三相電流不平衡，過流跳閘，觸頭接觸電阻大會導致高溫發熱不能有效滅弧而發生爆炸等故障）。
        真空斷路器電磨損主要指滅弧室、滅弧介質和觸頭的電損耗。通常認為起決定作用的是觸頭的電磨損。觸頭電磨損主要表現為觸頭的凈損失、觸頭材料的金屬轉移和化學腐蝕。影響觸頭電磨損的主要因素有電流的大小、燃弧時間的長短以及觸頭材料、磁場結構、彈跳性能等。
        然而觸頭在滅弧室內，更是看不見，摸不著。那么我們怎么去估算觸頭的磨損呢？抓住影響觸頭電磨損的主要因素電流的大小，燃弧的時間。
        我公司參考國內外繼電保護的應用及真空斷路器觸頭磨損的研究文獻，在控制器內增加觸頭電磨損估算功能，算法分別用于每相，每一次的磨損量將與之前存儲的數值疊加，當三相中任意一相的運行計數超過了設定的值時，系統將發出警告信號。告知運行人員對真空斷路器的觸頭的接觸電阻，行程，開距等參數做一個檢查，把事故障隱患消滅在萌芽狀態。

觸頭電磨損估算法：

        眾所周知，電弧燒損與電弧能量有密切關系, 而電弧能量又開斷電流與燃弧時間密切相關，我公司采用累計每次開斷的電磨損量（電弧能量），當電磨損量達到設定的值后，控制器發出告警信號，通知運行值班人員對斷路器做檢查。
        總的電磨損量＝N次開斷的電弧能量的累計，其中開斷電流有效值，通過高速采樣芯片易獲得，而燃弧時間卻難獲得，在常規應用中燃弧時間一般用開斷時間來替代，然而多方實踐與開斷實驗證明，用開斷時間替代燃弧時間，此法相對比較粗糙。為此我公司對燃弧時間做了一定優化，參考大量對觸頭磨損，燃弧時間分析等文獻結合國外繼電保護裝置電磨損量的估算法，控制器增加開斷時間計數功能，開合統計功能，結合實踐經驗（開斷電流過零時間，觸頭彈跳時間，超程運行時間等），把燃弧時間這個變量轉化一個相對合理的時間常數，讓觸頭電磨損估算法更加具有實用性。