500kV断路器 B相损毁分析与防范措施

500kV 断路器 B相损毁分析与防范措施

赵丰

（中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，西安710021）

摘要：某发电企业500kV断路器B相因合闸电阻分断失败爆炸损毁，本文对故障原因进行了分析，并提出相应防范措施。对带有合闸电阻的断路器反事故有着一定借鉴意义。

关键词：断路器；损毁；合闸电阻

0引言

随着超高压、远距离输电线路的建立和发展，合闸空载线路过电压问题凸显，因此部分远距离输电线路断路器专门配置了合闸电阻，但纵观国内各大断路器制造企业，均未对断路器合闸/重合闸之间的时间间隔给出明确说明。2021年3月20日，某发电企业500kV5082出线断路器B相爆炸损坏，笔者对该设备故障原因进行了技术分析，并提出相应的整改措施及建议。

1事件经过

某发电厂升压站为二分之三接线，500kV 5082断路器为其第七串中间断路器，与出线相连接，由于输电距离较远，5082断路器配置了合闸电阻。

故障前，线路负荷300MW，线路沿线气象条件为大雪天气。2021年3月20日04时43分16秒，线路纵联差动保护动作，跳开5082、5083断路器B相。671毫秒后，5082断路器B相重合闸动作，重合于永久性故障，5082、5083断路器加速三跳，5082断路器B相损坏。

2021年3月19日23时59分18秒至2021年3月20日04时43分16秒之间，5082断路器B相共发生了8次单相接地故障，其中第2次、第5次、第8次为永久性接地故障，在第8次故障发生时5082断路器B相损毁，故障前5082断路器共经过8次重合闸操作及2次合环操作。至5082断路器B相故障损毁时刻，共计分断线路接地故障电流11次。

2现场检查情况

故障发生后，对升压站主设备进行了现场检查。升压站方面，经外观检查：5082断路器B相损毁，并联电容、合闸电阻、断口气室、支柱瓷套等全部破碎。5082断路器A相、C相合闸电阻瓷瓶有豁口，C相均压环变形。

经现场试验，其余500kV断路器及其CT，线路避雷器、电抗器及CVT试验结果均合格。

3　原因分析

首先分析断路器故障直接原因。分析5082断路器B相残骸，母线、线路两侧断路器触头未见损伤（图1），未见过热或电弧损伤痕迹。母线侧合闸电阻绝缘桶严重过热（图2），线路侧合闸电阻炸碎。

因此断路器损毁与主回路灭弧室无关。合闸电阻过热是造成断路器损毁的直接原因。根据录波图及以上证据，确定断路器合闸电阻在最后一次线路故障后未能分开。

图1断路器触头

图2合闸电阻绝缘筒

断路器合闸电阻的热量积累主要来源于故障前的8次重合闸、2次合环操作，以及断路器最终分断失败后至爆炸前的19个周波。

依据平高厂家提供的原始设计文件《CHB410型陶瓷电阻片技术条件》，选取下列参数进行计算：（1）合闸电阻冷态阻值：R_h=400Ω；（2）合闸电阻比热：C=2J/(cm³·℃)；（3）合闸电阻片数：a=124；（4）合闸电阻单片体积: V=430cm³；（5）合闸电阻设计最大允许温升：230K；（6）合闸电阻投入计算时间：t=12ms。 注入能量依据公式：Q=I²R_ht 。

若合闸电阻分断失败，其产生的热积累造成电阻温升可达788K，计及前10次操作的热积累温升，在环境温度为0℃条件下，电阻片温度已经超过800℃，超过合闸电阻设计最大允许温升230K。该温度足以使电阻外包绝缘筒及内部绝缘杆烧毁失效，并导致合闸电阻室爆炸，断路器损毁。此推断同现场的勘察结果相吻合。

下面分析合闸电阻分断失败原因。依据厂家说明书，断路器本体由灭弧室、合闸电阻、均压电容、五联箱、支柱几部分组成断路器合闸电阻为辅助断口，与灭弧室并联,作用为限制空载长线路的重合闸操作时的操作过电压,其在主断口（灭弧室）合闸前8~11毫秒投入（本时间不可调）,在灭弧室合闸一定时间后自动切除。

合闸电阻动作原理为：操作杆在五联箱中拐臂及连板的带动下向右运动，弹簧随之被压缩，当导电杆头部与静触头部分的触指接通时，合闸电阻断口先于主断口 8ms～11ms 接通。在灭弧室主回路接通后，电阻被短接，电阻脱扣机构在弹簧作用下连贯动作，使操作杆自动复位，完成电阻的合、分动作。

五联箱操作机构带动合闸电阻动作原理。五联箱中支柱连杆向上运动，带动拐臂焊装逆时针转动，拐臂装配带动连板驱动右侧电阻装配中操作杆，从而带动合闸电阻触头合闸，弹簧被压缩；同时拐臂焊装带动连板使灭弧室合闸。此时，由于凸轮转到拐臂焊装与拐臂装配传动的脱开位置，使得两者传动脱开，连板进入自由状态，在弹簧的作用下，电阻分开复位。

从以上机构动作原理分析，造成合闸电阻分断失败的原因主要有以下两方面：（1）电阻复位弹簧失效。（2）传动机构部分卡涩、抱死。

根据断路器现场解体结果，共有以下三个结论：

（1）5082断路器B相母线及线路两侧合闸电阻均分断失败。母线侧合闸电阻未分开：合闸电阻分开时弹簧应处于松弛状态，母线侧弹簧处于压缩状态，说明弹簧发生高温塑形变形而未将母线侧合闸电阻分开。线路侧合闸电阻未分开：线路侧合闸电阻操作杆伸出部分为19cm，与合闸时的尺寸相差不大，距离分开位置（A、C相解体后，实测数据）24cm相差5cm，故线路侧合闸电阻未分到位。

(2)弹簧失效并非造成合闸电阻未分开的原因。线路侧弹簧弹性完好并正常松弛，未发生失效。而母线侧弹簧因电阻未分开产生的高温及电阻炸裂时产生的电弧高温而失效。

(3)五联箱操作机构未损坏，不是事故原因。现场解体5082 断路器A、C相（非故障相），各传动轴传动正常，轴套未见磨损迹象，合闸电阻操作杆传动正常，无卡涩。

根据国标及厂家资料分析。根据GB 1984《交流高压断路器》及产品说明书，断路器操作机构的操作次数试验是在常温下进行的，操作次数达到3000次。结合非故障相解体检查结果以及运行历史，该产品的机构操作没有达到机构的设计寿命及型式试验的耐受范围。实际运行中由于合闸预击穿电弧及合闸电阻发热影响，产品的温度高于常温，而该试验仅于常温下进行。

该断路器进行型式试验时（实际带负荷操作），依据电力行业标准DL/T 615《高压交流断路器参数选用导则》中第11节“合闸电阻的热容量”要求进行试验，试验时序为：第一次合闸—3分钟—第二次合闸—30分钟—第三次合闸—3分钟—第四次合闸。其中第一次和第三次之间的时间间隔为33分钟。而本次故障过程中第六次重合和第八次重合的操作时间间隔仅为12分51秒，此种操作时间间隔未经型式试验考验。

制造厂的原始产品文件没有提及操作时间间隔要求，而相关国标、行标、企标同样未提及带合闸电阻断路器操作的时间间隔，因此运行规程也没有提及操作时间间隔要求。

综上，5082断路器B相合闸电阻爆炸是由于短时间多次合闸，热量集聚造成操作杆与密封套卡涩，合闸电阻长时间通电流，进一步热容量集聚，最终导致爆炸。

4　防范措施

（1）要求制造厂根据断路器型式试验结果，给出带合闸电阻的断路器操作时间间隔，以满足设备及电网安全运行的需要。根据制造厂提供的操作时间间隔完善企业运行规程。

（2）对带合闸电阻的断路器增加操作时间间隔过短闭锁逻辑，具体可通过二次回路硬接线或保护装置软件实现。

参考文献

[1]龚琪.空载线路合闸过电压产生机理及抑制措施[J]. 科技创新导报, 2019（21）:59-60.

作者简介

赵丰(1989—)，硕士，工程师，研究方向为高电压与绝缘技术。

E-mail: zfdtxbs@sina.com