一起并联电容器SF6断路器灭弧室解体分析王群锋

一起并联电容器SF6断路器灭弧室解体分析王群锋

王群锋1朱鹏飞1阎乃臣2

（1.国网河南省电力公司检修公司450000；2.国网内蒙古东部电力有限公司检修分公司028000）

摘要：本文分析了某换流站内一起并联电容器灭弧室解体情况，对灭弧室内分解物及残留物产生原因进行了分析，通过对长期运行的SF6断路器灭弧室的解体，可直观观察到灭弧室的内部构件状态及分解物的分布情况，为后期进行该型断路器灭弧室场强分析、电寿命评估等工作提供物理依据。

关键词：并联电容器；断路器；灭弧室；电寿命；SF6

0引言

在高压直流输电系统中，换流阀在运行中消耗大量的容性无功功率，为了保证换流装置的安全可靠运行，必须保证换流器的无功功率供给，无功功率不足将造成交流电压不稳，严重时可危及交直流系统的稳定运行。因此，在直流换流站中需配置多组并联电容器及交流滤波器进行无功补偿[1-3]。

某换流站3602SC并联电容器SF6断路器已运行接近10年，动作次数接近2000次，其中无功控制带负荷投切1500次左右，为了准确客观地对该断路器灭弧室进行状态评价，进而评估该型断路器灭弧室的电寿命，2015年4月，该换流站3602断路器灭弧室返厂进行解体检查。

1断路器解体情况

断路器灭弧室解体前，主要进行的工作有：1）对灭弧室内SF6气体微水含量、分解物组分进行了检测，检测结果均正常；2）进行灭弧室单断口耐压试验（全电压为交流580kV），结果均正常；3）对断路器灭弧室断口外观检查，主要查看瓷套外观、接线板和导流情况，检查结果无异常。

1.1瓷套内壁

灭弧室瓷套内壁情况如图1所示，瓷套内表面均匀附着有灰色不明物质，未形成堆积。通过分析，该灰色物质主要成分是分子筛内干燥剂分解产物。

图1灭弧室瓷套内壁照片

1.2弧触头烧蚀情况

灭弧室内电气导通回路包括静弧触头、动弧触头、触指弹簧、动触头环等。解体检查，发现静弧触头和动弧触头表面存在拉弧痕迹、烧蚀现象，此现象由断路器切断负荷电流所产生的电弧灼烧所致；触指弹簧与动触头环接触面存在不同程度的摩擦印痕，由断路器的分、合闸操作使触指弹簧与动触头环接触面不断摩擦所致；喷口表面状况良好，无异常。弧触头相关照片如图2所示

（a）静弧触头烧蚀、磨损情况（b）触指弹簧摩擦痕迹

（c）静弧触头烧蚀、磨损情况（d）静弧触头烧蚀、磨损情况

图2灭弧室内弧触头照片

1.3灭弧室内金属粉末分布情况

解体灭弧室后，发现气室内残留部分金属碎屑和粉末，主要分布在灭弧室底部及压气缸表面，该型断路器灭弧室空间结构为垂直羊角式，重力作用致使金属粉末及杂质沉积在灭弧室羊角底部，金属粉末为触指弹簧与动触头环接触面机械摩擦所产生。高温高能量电弧使超细小金属粉末汽化，电弧熄灭后，金属粉末固化后附着在压气缸表面。金属碎屑和粉末分布见图3、图4所示。

图3灭弧室底部存留金属碎屑

图4灭弧室压气缸表面附着金属粉末

2分析

2.1瓷套内部分解物对灭弧室电场强度分布的影响

灭弧室瓷套内壁的白色附着物为分子筛内干燥剂、SF6分解后的产物[4-6]，该分解物分布均匀、干燥、绝缘，通过耐压检测，未对灭弧室电场强度分布产生影响。后期可对该白色物质进一步化验，测出其主要成分，通过改变其分布密度和浓度来探究对灭弧室电场强度的影响。

2.2金属粉末对灭弧室电场强度分布的影响

由文献[7]中计算结果可知，断路器断开时电场集中在动、静屏蔽罩和主屏蔽罩外沿以及各触头的端部倒角处，灭弧室全场域内最大电场强度位于动弧触头端部倒角处；断路器闭合时，电场主要集中在动、静屏蔽罩和主屏蔽罩外沿，灭弧室全场域最大电场强度位于静屏蔽罩外沿倒角处。通过建立断路器灭弧室电场模型，通过仿真计算结果，得到全场域电场分布图，如图5所示。

（a）断开状态（b）闭合状态

图5灭弧室内全场域电场分布

通过对灭弧室的解体，发现灭弧室底部存在金属碎屑，结合上述结论及模型，可以看出，灭弧室底部的金属碎屑在断路器运行中暂未影响到灭弧室内电场分布，压气缸表面附着的超细金属粉末未对灭弧室内电场分布产生影响。但随着断路器动作次数的增加，触头、触指等机械摩擦次数不断增多，产生的金属粉末持续变化，当积累到一定程度，数量和分布区域也会发生改变。

2.3弧触头烧蚀对灭弧室电寿命的影响

灭弧室内弧触头的烧蚀、损伤程度主要取决于断路器切断负荷电流及故障电流的大小与次数。通过对高压断路器灭弧室电寿命进行的大量实验研究，文献[8-9]中指出，限制灭弧室使用寿命的是弧触头而不是喷嘴，触头材料的电分解物和金属粒子都会影响灭弧室的绝缘性能和对暂态恢复电压的承受能力。

动态电阻法是测量并记录断路器分合闸过程中电阻的变化曲线，是一种通过实际测量直观地反映断路器灭弧室内部磨损烧蚀情况的诊断方法。此方法需要通过海量开断试验找出动态电阻变化曲线与断路器灭弧室烧蚀情况的对应关系，难点在于确定差异判据和差异边界条件。

文献[10]中所述的ENEL和EDF联合研究的1条压气式SF6断路器寿命曲线，如图6所示。

图6SF6断路器的NS-IS寿命曲线

从曲线图中可以看出，等效开断次数比是通过将原来的以50%ISN的一次开断烧蚀量作为基数所计算得来的。尽管至今还没有适用于所有断路器的有效的电寿命计算法则，但通过分析具有代表性的断路器开断试验数据，可以建立一个比较适用的灭弧室烧蚀等效定律。在实际工程中，本文推荐将上述曲线和设备生产厂提供的方法结合适用，以指导开展断路器状态评估。

3结论

（1）灭弧室内一定量的白色分解物及金属粉末暂未对灭弧室内场强分布产生影响，但随着断路器操作次数的增多，其分布密度和数量会发生变化，后期可根据生产需要，进行建模仿真分析。

（2）断路器灭弧室电寿命诊断方法在理论上尚未成熟：1）影响灭弧室电寿命的判断及判断的条件等相关因素不易寻找；2）断路器开断能量、触头磨损烧蚀程度与电寿命三者之间的对应关系及数据模型尚未建立。但断路器电寿命诊断方法的研究仍有其实际意义，随着设备状态检修的发展，通过它可以掌握断路器运行状况，开展设备状态检修。

（3）从现有的研究来看，一方面通过系统无功优化，减少电容器组或滤波器组的频繁投切来增加开关寿命；另一方面，可在SF6放电分解机理的基础上，得出断路器绝缘缺陷性质、程度及发展趋势与SF6分解组分之间的关联，为故障诊断及判断提供科学的依据。

参考文献：

[1]徐国政，张节容，等.高压断路器原理和应用.北京：清华大学出版社，2000.

[2]辛镇瀚.换流站交流滤波器投退控制策略研究[D].广州：华南理工大学，2013.

[3]丁钊，韩伟强.天广直流输电系统双极运行情况总结[J].电网技术，2003，27（9）：49-54.

[4]张晓星，姚尧，等.SF6放电分解气体组分分析的现状和发展[J].高电压技术，2008，34（4）：664-669.

[5]季斌炜，谷永刚.一起交流滤波器SF6开关气体组分异常的分析与研究[J].陕西电力.2016.44（4）：76-78.

[6]颜湘莲，王承玉，等.应用SF6气体分解产物的高压开关设备故障诊断[J].电网技术，2011，35（12）：118-123.

[7]李旭、陈潇一，等.长期运行的330kV断路器灭弧室全场域电场计算分析[J].陕西电力，2014，42（5）：49-51.

[8]程礼椿.电接触理论及应用[M].北京：北京机械工业出版社，1988.

[9]孙福杰，王璋启.高压断路器触头电寿命诊断技术[J].电网技术，1999（3）：59-61.

[10]ALJJanssen.关于断路器寿命管理的确定[C].国际大电网会议开关设备学术委员会（CIGERSC-13）1998年论文集，153-161.

作者简介：

王群锋（1986-），男，工程师；研究方向：特高压交直流运维检修管理。

朱鹏飞（1981-），男，工程师，研究方向：特高压交直流运维检修管理。

阎乃臣（1985-），男，工程师；研究方向：特高压交直流运维检修管理。