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SF6断路器动态接触电阻测量方法及影响因素
2017-09-12 09:06:30  作者:傅中 陈维江等  来源:中国设计师网  
  •   动态接触电阻测量是反映SF6断路器弧触头侵蚀状态的有效方法,但测量时影响因素较多,因而研究这些影响因素对准确分析弧触头侵蚀状态非常重要。本文通过建立动态接触电阻测量回路与SF6断路器试验模型,研究了测量电流、电源型式、电弧烧蚀及断路器分闸速度对动态接触电阻的影响。研究结果表明:为获得稳定而准确的动态接触电阻,测量电流应大于1000A;超级电容器与蓄电池均可作为测量的电源,蓄电池输出电流更稳定;30kA比10kA试验电流下电弧烧蚀更严重,100次试验后动态接触电阻分别增大169 9 与11 9 ;当测量电流较大时,断路器分闸速度在4 4m s~8 43m s之间变化对动态接触电阻影响较小,最大相差15 6 。

  华北电力大学 傅中

  国家电网公司 陈维江

  中国电力科学研究院 李志兵 刘北阳

  北京交通大学 邢高启

  国网安徽省电力公司电力科学研究院 李宾宾

  1 引言

  SF6断路器灭弧室内通常有主触头与弧触头,其中主触头承担通流的任务,弧触头起到引燃电弧的作用。断路器分、合闸过程中,弧触头受到电弧的烧蚀以及高温下的动、静弧触头间的机械摩擦,电弧与机械摩擦会使弧触头受到侵蚀,进而造成接触距离与接触压力的变化。严重情况下,弧触头不再起到引燃电弧的作用,主触头直接引燃电弧造成断路器闪络故障。因此,为避免发生故障,及时掌握弧触头侵蚀状态非常重要。然而,解体观察工作量大且时间长,而在断路器处于检修状态时测量其静态下的回路电阻,则只能反应主触头的状态,无法反应弧触头侵蚀状态。动态接触电阻是近几年国际上发展起来的测量弧触头侵蚀状态的一种方法,该方法利用断路器弧触头先合后分的特点,在断路器合、分过程中测量其动态接触电阻,通过动态接触电阻分析弧触头侵蚀状态。由于动态接触电阻受到测量电流、电源型式、电弧烧蚀、断路器分闸速度、弧触头结构尺寸等因素的影响,目前对影响因素的研究还不够全面,因此进一步开展这方面的研究十分必要。

  动态接触电阻测量在国内研究较少,主要集中于国外,文献[1,2]在不考虑弧触头结构尺寸与电阻曲线波动的情况下分析了测量电流对动态接触电阻的影响,提出测量电流应大于700A,但当弧触头过盈量较小时,700A电流测量动态接触电阻已不够准确;只分析了小电流情况下额定速度(分闸速度约7m/s)和慢速(0.002m/s~0.2m/s)情况下动态接触电阻的变化,没有分析大电流情况下分闸速度在一定范围内变化(4m/s~9m/s)时对动态接触电阻的影响,也没有研究电弧烧蚀对动态接触电阻的影响。文献[3,4]比较了开关电源、蓄电池、超级电容器作为动态接触电阻测量的电源,认为超级电容器重量轻、体积小,是较好的测量电源,但本文试验电流较小(仅100A~300A),不能反映1000A以上大电流测量时电压与电流的变化以及对动态接触电阻测量的影响。文献[5,6]研制了基于Arduino软硬件平台的动态接触电阻测量装置,使用该装置测量了低压断路器的动态接触电阻,证明该装置是可行的,并认为动态接触电阻比静态接触电阻更能有效的评价断路器灭弧室内状态。文献[7]列举了印度电网多个断路器动态接触电阻测量的案例,将故障断路器动态接触电阻曲线与解体后断路器动弧触头侵蚀的形貌进行了比较,由动态接触电阻的变化定性反映了弧触头形貌的变化,认为这是一个高效的方法。文献[5-7]主要研究了动态接触电阻测量装置及部分测量的案例,没有研究测量影响因素。因此,进一步研究测量电流、电源型式、电弧烧蚀及断路器分闸速度等因素的影响,是准确测量动态接触电阻并反映弧触头状态的基础工作。

  本文通过建立动态接触电阻测量回路,研制了SF6断路器模型试验装置,并分析了测量动态接触电阻的方法,研究了测量电流、电源型式、电弧烧蚀以及分闸速度等不同因素对动态接触电阻测量的影响。

  2 动态接触电阻测量与分析方法

  2.1 动态接触电阻测量回路

  动态接触电阻测量回路由电源、接触器、信号采集装置、数据处理软件等组成,其中电源采用12V低内阻蓄电池,电压采集模块A/D转换位数采用12位以上,电流采用霍尔电流传感器采集[8-12]。

  由于实际运行的断路器试验较困难,为满足研究动态接触电阻的需要,本文研制了SF6断路器模型。该模型采用模块化设计,动、静弧触头可以拆卸更换,可组装成不同模式:第1种是只有弧触头,没有主触头和喷嘴的单一试验模式;第2种是有主触头、喷嘴、弧触头等的完整断路器模式。

  在断路器动、静弧触头位置两侧的外壳设置有两个水平方向成180°对称的观察窗,断路器分、合闸速度可调整,调整范围分别为2m/s~10m/s、2m/s~6m/s。安装加速度传感器测量断路器分、合闸速度与行程,所有测量信号传送至信号采集装置集中处理,信号采样频应大于20kHz[13-17]。

  2.2 动态接触电阻测量与分析

  当试验断路器处于完整断路器模式时,测量断路器动态接触电阻,如图1所示。将图1中合闸部分放大,如图2所示。图2中动态接触电阻有剧烈变化,说明弧触头在合闸接触时有较大的碰撞与弹跳,动、静弧触头接触不稳定,且从电阻无法分辨主、弧触头的接触区间。因此合闸过程的动态接触电阻不能准确反映弧触头的接触状态。

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  断路器在合闸后分闸前处于合闸静态接触状态,所测量的接触电阻可视为静态接触电阻。断路器分闸时,将图1中分闸部分放大,如图3所示。在分闸起始0mm~10mm之间电阻值较小,平均约50 ,该段为主触头与弧触头同时接触部分,反映的主要是主触头的动态接触电阻;10mm后主触头分离,而弧触头继续接触,动态接触电阻平均值约200 ,电阻值变化也较小。

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  由以上分析可知,分闸比合闸的动态接触电阻更稳定,主、弧触头接触电阻区分明显,一般选择分闸时的动态接触电阻分析弧触头接触状态。

  2.3 动态接触电阻测量的分散性

  当试验断路器处于单一试验模式时,测量其分闸动态接触电阻,共连续重复测量5次,结果如图4所示。

  图4中曲线接触行程的前10mm主要是动弧触头与静弧触头的铜铬材料摩擦接触,10mm之后与静弧触头铜钨材料摩擦接触,铜钨的电阻率大于铬青铜的电阻率,10mm之后的动态接触电阻大于前10mm的值。同时,由于在完整断路器中,一般前10mm主触头处于接触状态,10mm之后主触头分开,弧触头继续接触。因此,将图4中动态接触电阻曲线分成0mm~10mm和10mm~30mm分别计算平均值,比较各次测量的结果,如表1所示。

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  由表1可见,0mm~10mm与10mm~30mm两个区间的动态接触电阻平均分散性分别为13.8 与12.6 ,分散性均较小。

  采用动态接触电阻结合行程曲线计算接触行程,计算方法是从行程曲线的起始分闸点,即行程值从最大值开始减小的时间点到动态接触电阻大于1 时截止。为验证该方法的分散性,对同一对弧触头连续测量5次。5次测量结果如表2所示。

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  由表2结果可见,5次测量的接触行程分散性较小(为1.2mm),分散性主要取决于信号的采样率、传感器的误差及断路器机械特性的分散性等。

  3 测量参数的影响

  3.1 测量电流

  本文为研究测量电流对动态接触电阻的影响,设计了3对不同尺寸的弧触头,其中动弧触头尺寸不变,内径为22.5mm,静弧触头直径分别为25 mm、24 、mm与23mm,并选择500A~2400A不同电流测量动态接触电阻。

  测量时断路器处于单一试验模式,电压测量点分别位于动、静弧触头底座,只测量弧触头的动态接触电阻。直径25mm的静弧触头在不同电流下的分闸动态接触电阻如图5所示。图5中,测量电流对动态接触电阻的整体影响较小,只有在曲线的末端有不同大小的波动。将23mm以后末端部分的接触电阻曲线放大,如图6所示。

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  由图6可见,电流较小时,电阻的波动略大。分析认为,23mm之后,动、静弧触头逐渐分开,动、静弧触头间机械压力逐渐减小,此时电磁力发挥了更大的作用,使动弧触指趋于抱紧静弧触头,因此,电流越小,电磁力越小,平均电阻及波动也越大。

  直径为24mm与23mm的静弧触头在不同电流下测量的动态接触电阻如图7、图8所示。

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  图7中测量电流对动态接触电阻曲线前端影响较小,在动、静弧触头接近分离的末端影响较大,与25mm直径静弧触头分闸动态接触电阻末端波动较大的原因相同;尤其是900A与500A电流测得的曲线波动更大。

  如图8所示,直径23mm静弧触头在测量电流为1100A及以下时,电阻曲线波动均较大,只有在测量电流为1800A时才能获得较稳定的电阻曲线。

  计算3对静弧触头接触行程在10mm之后的动态接触电阻平均值,如图9所示。

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  由图9可见,相同测量电流时,直径为23mm的静弧触头动态接触电阻平均值明显大于25mm与24mm对应的值,25mm与24mm的动态接触电阻平均值接近,表明当机械压力增大到一定程度时,测量电流对动态接触电阻的影响会减小;3种直径静弧触头的动态接触电阻均随测量电流的增大而减小;当测量电流为500A时,测得的动态接触电阻显著大于其他电流时所测得的值,当测量电流大于1000A时,动态接触电阻变化有逐渐减缓的趋势,这表明增大测量电流会使动、静弧触头间接触压力进一步增大,动、静弧触头间接触面随之增大,电导率趋于饱和,电阻值也逐渐稳定[18-20],即电阻平均值减小的趋势越来越小。

  根据以上分析,当动、静弧触头间机械压力较小,测量电流小于1000A时,动态接触电阻平均值较大且有较大的波动,这说明在高速运动下,动、静弧触头间总压力较小,接触不够稳定;当测量电流增大至大于1000A时,动态接触电阻曲线波动逐渐减小,电阻值趋于稳定[19-20]。文献[1,21]采用不同电流测量动态接触电阻,当测量电流大于700A时动态接触电阻平均值趋于稳定,基于动态接触电阻平均值随测量电流变化规律,认为测量电流应大于等于700A,但测量时没有考虑弧触头结构尺寸的影响,当动、静弧触头间过盈量较小,机械压力较小时,该电流下测量的动态接触电阻会明显偏大。本文在此基础上,对不同结构尺寸的弧触头动态接触电阻进行了测量比较,提出测量电流应大于1000A,从而使测量结果更稳定准确。

  3.2 电源型式

  为研究不同电源型式对动态接触电阻测量的影响,分别采用超级电容器与蓄电池作为测量电源,超级电容器容量500F,蓄电池容量250Ah,充电电压均为12V,测量断路器合—分过程的动态接触电阻,比较测量结果如图10所示。

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  图10分别为采用超级电容器与蓄电池作电源测量动态接触电阻的一个合—分过程的电流与动态接触电阻曲线。由图10可见,采用超级电容器作电源时,一次合—分过程电流衰减较大,从约2700A下降到2300A,而蓄电池电流衰减较小。将分闸部分电阻曲线放大如图11所示。

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  图11采用超级电容器与蓄电池作为电源,两者测量的动态接触电阻曲线变化基本一致,平均值分别为181.3 与193.3 ,相差较小。分别采用超级电容器与蓄电池作为电源连续测量4次,测量电源电压与电流变化如表3所示。测量时,超级电容器与蓄电池起始电压分别为12.07V和12.03V。

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  由表3结果可见,超级电容器电压由第1次的12.07V衰减到第4次的7.8V,电流由3000A衰减到2200A,电压和电流均衰减较快。而蓄电池则能够稳定的输出电压与电流,电压由第1次的12.03V衰减到第4次的12.02V,电流由2680A衰减到2620A,两者优缺点分析如表4所示。

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  由表4可见,在实验室的试验选择蓄电池较好,充满电后使用次数较多,当需要经常移动时,超级电容器结合充电器充电使用更方便。文献[3,4]也对超级电容器作为电源测量进行了研究,认为超级电容器可作为测量电源,但其只对大于300A的试验电流进行了研究比较,而对于大电流(大于1000A)下超级电容器与蓄电池作为电源时的放电特性及优缺点没有研究,因此,本文深入研究了1000A以上大电流下两种测量电源的优缺点,为今后测量电源的选择提供了重要依据。

  4 电弧烧蚀的影响

  动态接触电阻受弧触头表面接触状态影响,电弧烧蚀在弧触头表面产生附着物也是影响表面接触状态的重要因素。本文通过试验将弧触头先经过电弧烧蚀再测量动态接触电阻,分析电弧烧蚀对动态接触电阻的影响。烧蚀试验方法是利用断路器关合过程的预击穿电弧对弧触头的烧蚀及弧后的动、静弧触头间的机械摩擦作用,测量分析烧蚀后的动态接触电阻。在试验断路器模型内充0.1MPa的SF6气体,分别对3对相同的弧触头做关合试验,试验电流分别为10kA、20kA、30kA,预击穿燃弧时间每次平均分别约为1ms、2ms、3ms。每对弧触头关合试验共100次,每25次关合试验后测量分闸动态接触电阻,测量电流为2400A。

  计算动态接触电阻曲线的平均值,将0次、25次、50次、75次、100次关合试验后的动态接触电阻平均值进行比较,如图12所示。图12为使用10kA、20kA、30kA试验电流100次关合试验过程中动态接触电阻平均值随关合侵蚀试验次数的变化,图13为100次试验后静弧触头表面形貌。

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  由图12可见,3种电流情况下动态接触电阻均随试验电流的增大而呈增大趋势。试验电流为30kA时,电弧烧蚀较严重,100次试验后动态接触电阻增大169.9 ,而10kA试验电流仅增大11.9 。

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  图13中3个静弧触头侧面有明显的动弧触指摩擦痕迹,试验电流为10kA的静弧触头摩擦痕迹主要是触头材料本身的颜色,附着物较少;20kA的弧触头摩擦痕迹则附着物较多,部分呈现黑色;30kA时则更严重,完全呈现黑色,附着物最多[22-23]。与文献[2]所述结果相同,这些附着物是电弧烧蚀的生成物经过摩擦附着在弧触头表面,多为非导电物质,如CuF2、WF6等,附着物越多接触电阻越大。而本文进行了实际电弧烧蚀试验,并测量了不同电流与燃弧时间烧蚀弧触头的动态接触电阻,结果表明试验电流越大,燃弧时间越长,电弧烧蚀附着物越多,动态接触电阻越大。

  5 断路器分闸速度的影响

  为研究不同分闸速度对动态接触电阻与接触行程测量的影响,测量电流为1300A的情况下,

  调整断路器分闸速度分别为8.43m/s、7.51m/s、6.73m/s、5.35m/s、4.4m/s,测量同一对弧触头动态接触电阻。图14为不同分闸速度下动态接触电阻曲线,计算平均接触电阻并作比较,如图15所示。

  图15中0mm~10mm行程的动态接触电阻平均值最大为分闸速度5.35m/s时的34.9 ,最小为分闸速度6.73m/s时的24.2 ,相差10.7 。行程10mm后最大与最小平均电阻值分别为分闸速度5.35m/s时的75.1 与分闸速度4.4m/s时的59.5 ,相差15.6 。5种分闸速度下动态接触电阻与速度无明显的递增或递减关系。文献[1]研究了测量电流较小时额定速度与0.002m/s~0.2m/s慢速情况下的分闸动态接触电阻,结果表明慢速时测量的分闸动态接触电阻比额定速度时测量的更稳定,但未说明在一定范围变化的额定分闸速度对动态接触电阻的影响。本文研究表明,当测量电流较大,断路器分闸速度在4.4m/s~8.43m/s间变化时,动态接触电阻受影响较小,可不考虑分闸速度的影响。

 

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  6 结论

  (1)考虑弧触头结构尺寸与电阻曲线波动等因素的影响,提出了测量电流应大于1000A,使测量结果更稳定准确;超级电容器与蓄电池两种电源型式均能作为动态接触电阻测量回路的电源,蓄电池输出电流更稳定。

  (2)电弧烧蚀产生的非导电生成物附着在弧触头表面使动态接触电阻增大,电弧电流越大,燃弧时间越长,造成电弧烧蚀的附着物越多,动态接触电阻越大。

  (3)当测量电流较大,断路器分闸速度在4.4m/s~8.43m/s间变化时,动态接触电阻受影响较小,平均值最大相差15.6 ,可不考虑分闸速度影响。

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