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10kV真空斷路器運行分析發布時間:2018-8-20?|?來源:上海上碩電氣有限公司


摘 要:對張家口供電公司目前運行的幾種10 kV真空斷路器常見故障的原因進行了深入地分析,針對性地提出了改進建議。
關鍵詞:真空斷路器;故障;運行
真空斷路器以其結構簡單、機電壽命長、維護量小、無火災危害和適宜頻繁操作等優異特性在中壓系統中得到廣泛應用。張家口供電公司自199610 kV開關無油化改造以來,至今已全部更換為真空斷路器,型號有ZN28A12ZN2812TZN1210TZN6312VS1)。目前存在以下問題:
a. 真空滅弧室的損壞。
b. SN1010II型斷路器改造為ZN28A12型后,輔助開關轉換不到位或控制回路斷線。
c. VS1型斷路器(ZN63AZN63C)控制回路斷線,開關合不上閘。
d. ZN1210T型斷路器出現拒合故障。

一、真空滅弧室的運行分析

1.1、運行分析:
真空滅弧室是真空斷路器的核心部件,它主要由動靜觸頭、屏蔽罩、波紋管、波殼及上下法蘭組成。真空斷路器開斷時,在動靜觸頭分斷的瞬間要產生電弧,而真空斷路器的滅弧介質正是真空。因此,滅弧室的真空度在使用壽命中必須保持在一定水平之上,滅弧室真空度與試驗電壓曲線圖見圖1。試驗證明,在高真空狀態下,當真空度達到10-2Pa以下時,真空間隙的擊穿電壓不再隨真空度的繼續提高而升高。通常情況下真空滅弧室內真空度在10-5~10-7 Pa之間。這對于確保熄弧和開關的可靠工作有重要意義。


真空滅弧室內的真空度可用磁控真空度測試儀測量。以往測試中多采用最簡便的間接測量真空滅弧室真空度的方法,即工頻耐壓法。它是將滅弧室的觸頭分開,使觸頭間達到額定開距,然后按技術數據(斷口間42 kV/min)進行1  min工頻電壓試驗,能夠承受試驗電壓的滅弧室證明其內部保持有足夠的真空度。此種檢測方式只能判斷滅弧室的優劣,沒有真空壓力測試數據,不能確定滅弧室真空度的大小,因此效果差、效率低,有時會造成誤斷。
1.2、缺陷案例
a. 20006月,采用工頻耐壓法測量柳樹屯501開關C相真空度時,當電壓升至20 kV時,滅弧室內發生持續放電,擊穿,表明真空度已嚴重降低。真空滅弧室規格為ZMD10/3150,陶瓷管,開斷電流40 kA
b.2001- 06- 13,使用ZK1真空度測試儀測試柳樹屯545開關A相真空度為6.2×10-1 Pa,數值超標。隨后對其做斷口耐壓試驗,電壓升至28 kV時,真空滅弧室中間接封處放電,重復2次試驗,結果相同。該滅弧室規格為ZMD10/2500,陶瓷管,電流2500 A,開斷電流31.5 kA。開關199711月運行。
c.2001- 07- 14,測試沙城501開關A相真空度為2×10-4Pa,合格。隨后對其做斷口耐壓試驗,發現電壓升不起來,重復2次試驗,結果相同。拆下真空滅弧室后搖晃,聽見內部有金屬撞擊聲。該滅弧室規格為ZMD10/1250,陶瓷管,電流2500 A,開斷電流為31.5 kA。開關200011月投運。
1.3、缺陷分析:
DL/T 40320001240.5 kV高壓真空斷路器訂貨技術條件》中明確規定:真空滅弧室隨同真空斷路器出廠時的真空滅弧室內部氣體壓強不得大于1.33×10-3Pa,其上應標明編號及出廠年月。滅弧室內部處于不高于10-3 Pa的高真空狀態,而在觸頭分離時形成的斷口就是產生真空電弧和進行熄弧過程的弧腔。柳樹屯501開關C相、545開關A相真空度下降的主要原因是密封處出現微觀漏孔使得外部空氣中的氣體分子逐漸進入滅弧室內引起壓力增大,隨時間推移呈上升趨勢,形成慢性漏氣。
沙城501開關A相滅弧室損壞的原因是,在真空滅弧室中,為使斷口具有足夠的耐壓,已裝有屏蔽罩,屏蔽罩由不銹鋼制成,固定在2個氧化鋁瓷絕緣筒中間接縫處,這就是常見的陶瓷外殼真空滅弧室中間封接式內屏蔽結構,用于吸收弧腔中在開斷電流時真空電弧的金屬蒸汽,使之沉淀并附著在罩內,而不是飛濺到內壁上,避免由此降低滅弧室的絕緣強度。它的合理布置還起著改善斷口電場分布的作用,提高斷口耐壓和絕緣恢復強度。因此屏蔽罩的松動有可能是斷口耐壓不合格的原因。上述真空滅弧室在短期運行內之所以損壞與出廠工藝有關,還有待進一步商榷。

二、ZN28A12型斷路器的運行分析:
1999年以來,ZN28A12型斷路器是懸掛式結構,主要應用在GG1A柜無油化改造中。采用ZN28A12型真空斷路器代替SN1010II型少油斷路器,原則上不更換操作機構,只對機構做相應調整。通過近幾年的運行實踐,在無油化改造中只更換斷路器不更換操作機構,機構的傳動部分做相應的改動后,配用真空斷路器,會存在以下缺陷:
a. 由于少油斷路器與真空斷路器的行程不同,需對機構的水平、垂直拉桿做相應改動,減少水平拉桿的轉動角度,縮小垂直拉桿的長度,以滿足真空斷路器行程。真空斷路器行程很小,在舊機構上進行上述改動,其精度很難掌握,稍有偏差即會引起斷路器拒動。
b. 水平拉桿轉角改變后,輔助開關需做相應調整。但原輔助開關是根據原水平拉桿的轉角設計的,因此調整起來非常困難,極易出現不到位或過位進入死點的現象,輔助開關不能可靠轉換,影響到斷路器的動作和三遙的準確性。2001年侯家廟545開關拒動,輔助開關轉換不到位,造成主變跳閘事故足以證明這一點。
c. 由于原機構已使用一定時間,機構本身也存在磨損等缺陷。
由于上述3種原因,建議更換侯家廟現有機構,今后對GG1A型開關柜進行無油化改造的同時,對其機構做更換處理,并加強對輔助開關的檢修,確保10 kV母線的供電可靠性和安全性。

三、JYN212型手車開關的運行分析
柳樹屯JYN212型手車開關由ZN2810斷路器、CD17I操作機構和手車等組成,1997年投入運行。
2001年因為547斷路器電源側A相的隔離插頭(動觸頭)與母線端的插入銅排(靜觸頭)未壓緊或交叉壓入,接觸不良發熱氧化,接觸電阻增大造成弧光短路,主變502開關保護先后2次動作跳閘事故。
該手車開關的制造工藝、互換性均很差。上下插頭距離與靜觸頭上下距離不統一(547開關A367 mmB370 mmC375 mm;靜觸頭上下距離在370~380 mm之間),銅排與開關連接處孔距調整裕度很小(檢修時已無法調節),造成了隔離插頭插入后形成上翹姿態。由于導體的溫度由環溫開始上升,經過一段時間達到穩定溫度(一般不超過+70 ,當導體接觸面處于鍍錫的覆蓋層時可提高到+85 )。此升溫的過程是按指數曲線變化的,由于接觸電阻的增大,在長時間運行后,又進一步加劇發熱,形成了惡性循環。高溫使銅排焊錫首先熔化,插頭觸點與銅排接觸處出現微小間隙從而打火,每1次打火高溫會熔化一部分焊錫,間隙不斷增大,使該處接觸電阻更大,溫升更高,繼而形成電弧,最終將100 mm×10 mm 銅排燒斷。
經過2次事故可以看出,547開關柜都是由觸頭發熱引起弧光短路致使母線失電,20010918在停電前,分別對547柜及鄰近柜體表面進行了測溫,電抗器柜、546柜均為36 ,而547柜為100 ,溫度偏高。經過分析認為,547柜內發熱的原因是隔離插頭接觸不良,接觸電阻增大。
動、靜隔離觸頭的技術參數見表1


通過以上參數,就柳樹屯開關的隔離插頭做一比較發現:

a. 柳樹屯所使用的隔離插頭為不復位觸頭,即動、靜觸頭對同一水平面的擺動量不得超出±2 mm,而現有觸頭的擺動量達到610 mm。加之母排的調整量小,造成了觸頭插入后形成上翹姿態或插不到位,觸頭上觸指片接觸面不足,接觸壓力變小,接觸電阻增大。
b. 柳樹屯所使用隔離插頭的觸指片數不夠。由GB 11022-1999《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》可知,隔離插頭的額定電流和熱穩定電流要求與斷路器的額定電流和熱穩定電流一致。也就是說柳樹屯547開關的隔離插頭的額定電流應為1250 A,熱穩定電流為31.5 kA,從隔離插頭的技術參數中可知,1250 A隔離插頭的觸指片為24片或28片,柳樹屯現用隔離插頭的觸指片數只為20片。
c. 連接板表面不應采用鍍錫,而采用全鍍銀,這在工藝技術條件中有所規定。
通過以上比較可以得出以下結論:柳樹屯547開關的隔離觸頭的接觸不良是造成柜體發熱并產生弧光短路的直接原因。在今后的設備選型時,應特別加強對制造工藝的要求和其它輔助設備的技術要求。2004年初又發現547C相觸頭發熱,導致隔弧罩成纖維粉狀。2004年上半年對所有JYN10型手車開關的隔離觸頭進行更換和大修,全部采用自動復位觸頭,表面鍍銀,片數由原來20片增加到24片,增大了接觸面,觸頭上下擺動量不超過±4 mm,插入為22 mm,增加了觸頭的接觸壓力,降低了接觸電阻值,連接板帶彎度,可調整裕度大,增加其抗彎。到目前為止,運行良好。
為了更直觀、更清楚、更安全地看到隔離插頭的插進位置,將柳樹屯JYN10型手車開關面板改造成字形布局的3個可視窗,當手車推入后,利用照明設備可直觀地窺視、檢查觸頭的插進位置和接觸狀態,以進一步判斷觸頭的運行狀況,給安全操作手車提供諸多便利。

四、ZN1210T型斷路器的運行分析:
宣西站在200110 kV開關無油化改造中采用了ZN12-10T型斷路器。該斷路器整體為V懸掛式結構,真空滅弧室采用材料為鉻銅合金的杯狀觸頭,具有結構簡單、開斷能力強、截流水平高、操作功能齊全等特點。
2001年冬季,環境溫度達到30 時,運行在宣西變電站的ZN12-10T型斷路器出現拒合故障。經廠家處理將絕緣拉桿縮短,接觸行程由原來(6±1 mm調整到(4±1 mm,故障消除。
眾所周知,開關的接觸行程,也稱為超行程,是指開關在合閘操作中,觸頭接觸以后繼續運動的距離,即開關在分閘操作中,觸頭從合閘終止位置運動到剛分離位置的距離。真空斷路器在機構研制中的關鍵問題之一是觸頭熔焊及滅弧室機械損傷。影響真空斷路器觸頭熔焊的因素主要有觸頭材料、觸頭形狀、觸頭壓力和與觸頭相聯的機構傳動剛度等。至今為止計算真空斷路器電動力的公式未統一,計算很困難,一般都以增大觸頭彈簧終壓力來解決熔焊問題。有資料顯示,國外10 kV產品一般將超行程定為34 mm,國內亦如此,但國產35 kV真空斷路器超行程為6 mm,其目的是增加觸頭終壓力,為增大剛分速度把有輕微熔焊的觸頭強行拉開。有資料通過大量數學計算和試驗證明,增大超程并不是解決熔焊的好方法,在相同觸頭終壓力條件下,觸頭彈簧剛度增加會使觸頭在相同電動力作用下觸頭間分離距離減小,故增大觸頭彈簧剛度是解決熔焊的好方法。
為了解決觸頭熔焊和滅弧室機械損傷問題,宣西站ZN1210T型斷路器采用了增大超行程的方法,超程為(6±1 mm,當超程增大后,相應絕緣拉桿也同樣增長,在合閘過程中,合閘彈簧釋放能量,儲能軸在合閘彈簧力的作用下轉動,凸輪壓在三角形杠桿的滾針軸承上(合閘滾輪),通過一個四連桿機構將力傳遞給斷路器的主軸,再通過絕緣拉桿和變直機構推動導電桿向上運動。主軸旋轉約60°時,安裝在主軸拐臂上的分閘滾子被分閘掣子鎖住,合閘完成。分閘時,分閘掣子解脫分閘滾子,主軸在分閘彈簧力和觸頭彈簧力的作用下反向旋轉,斷路器分閘。絕緣拉桿的增長,觸頭接觸后的行程距離加大,在觸頭彈簧力的作用下主軸旋轉角度變大,致使主軸上的分閘掣子鎖不住分閘滾子,合閘失敗。另外由于超行程的增大,使得合閘彈跳時間增大,沖擊力過大會使觸頭及桿件產生過量變形或彎曲,由于沖擊振動而使波紋管出現裂紋,導致滅弧室漏氣。因此建議ZN1210T型斷路器的超行程調整到(4±1 mm左右,以保證真空斷路器更好地運行。

五、VS1型斷路器的運行分析:
VS1型真空斷路器采用中間封接式陶瓷真空滅弧室,銅鉻觸頭材料,杯狀縱磁場觸頭結構,其觸頭的電磨損量小,觸頭的耐壓水平高,介質絕緣強度穩定,弧后介質恢復迅速,截流水平低,開斷能力強。具有電壽命長、維護簡單、無污染、無爆炸危險、噪音低等優點,在電力中壓系統中得到廣泛應用。
VS1型真空斷路器總體結構采用操動機構和滅弧室前后布置的形式,主導電回路部分為三相落地式結構。真空滅弧室縱向安裝在1個管狀的絕緣筒內,絕緣筒由環氧樹脂采用APG工藝澆注而成,因而它特別抗爬電。大大地減少粉塵在滅弧室表面的聚積,不僅可以防止真空滅弧室受到外部因素的損壞,而且可以確保即使在濕熱及嚴重污穢環境下,也可對電壓效應呈現出高阻態。操作機構為平面布置的彈簧機構,具有手動、電動儲能,手動、電動分合閘功能。
1、2種型號斷路器的比較:
VS1型斷路器中,分別采用2種型號斷路器,即ZN63C12TZN63A12T,它們在原理上相似,但在結構上ZN63C12TZN63A12T方便、靈活、可靠性高,在技術特點上有其獨特一面。2種型號斷路器的比較見表2


2、故障分析:
張家口供電公司自2004年起已先后投入運行的VS1型斷路器在運行中出現以下故障。
a.平門站的ZN63C12型斷路器先后出現合閘線圈燒毀(傳動過程中)故障,由于機構設計簡單,布局易于維護,合閘線圈易于更換。其次出現小車搖至運行位置后,控制回路斷線故障,造成斷路器不能合閘。因為小車搖至運行位置時在底盤傳動絲杠前方有一只四方銷,當開關到位時它撥動S9行程開關的傳動桿向內運動,使S9行程開關接點閉合。正因為四方銷脫落或松動,無法撥動S9行程開關的傳動桿向內運動,接點不閉合,出現控制回路斷,開關不能合閘。
b.姚家坊站的ZN63A12型斷路器先后出現開關合不上閘故障,是因為合閘轉軸上的限位頂針多次合分閘振動后,鎖緊螺母松動,頂針位置向里延伸,合閘時轉軸上的擋片還未到達位置時就與頂針相碰,致使轉軸向相反方向轉動,開關合不上閘。
c.榆林站的ZN63A12型斷路器出現過合閘線圈燒毀故障。由于機構設計較復雜,布局密集,合閘線圈位置極其靠里,不便拆卸。更換合閘線圈時需拆除底盤及與斷路器連接的閉鎖掛鉤、合閘儲能彈簧及微動開關的連接線等。需要特制工具才可完成拆卸工作,因此無論在檢修時效性和維護時間上,造成諸多不便。
d.寧遠站的ZN63A12型斷路器,由于運行時間較短,還未有故障發生。但它的機構設計較復雜,布局密集。它的不同是在機構中裝有防止主回路失電后禁止合閘的閉鎖電磁鐵。

注:
通過以上對各種型號的真空斷路器在運行中所出現故障的分析,結合真空電弧理論知識和運行中的經驗,提出以下幾點建議:
a.最好選用外殼由2個高氧化鋁陶瓷管組成、屏蔽罩固定于2個陶瓷管之間、屏蔽罩與動靜觸頭間的分布電容要求完全相等、內部電場均勻、結構簡單的真空滅弧室結構。
b.觸頭材料要求含氣量低、開斷能力大、抗熔焊、截流電流小、電磨損速率小、接觸電阻小。銅鉻觸頭最適合。
c.應加強對真空斷路器的合閘彈跳和分閘反彈的監督力度。
d.加強對真空斷路器的開距、超行程、剛分、剛合速度等特性測試。VS1型斷路器在選型時,盡量選擇機構布局簡單、易于拆裝、工藝性好、互換性強的產品。
e.今后在設備選型時,應特別加強對制造工藝的要求和對其它輔助設備的技術要求。




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