10kV真空断路器的故障分析处理论文

目 录摘 要 .11 真空断路器概述 .11.1 真空断路器的概况 .11.2 国内断路器的状况 .21.3 国外断路器的状况 .21.4 真空断路器的主要部件的工作原理 .31.5 真空断路器存在的常见问题 .32 典型的 10KV 真空断路器介绍 .42.1 ZN28-10/4000-50 真空断路器的主要技术参数 .42.2 结构原理 .42.3 导向与缓冲装置 .73 10 KV 真空断路器常见故障分析、预防及处理 .83.1 真空灭弧室的漏气问题 .83.2 绝缘故障 .103.3 拒动、误动故障 .114 案例分析 .124.1 一起 10 KV 真空断路器漏气故障分析与处理 .124.2 10KV 断路器合闸线圈烧损案例 .135 加强 10KV 真空断路器状态检修的建议 .165.1 状态检修 .165.2 维护周期 .175.3 维护项目 .176 结论 .18参考文献 .18- 1 -10kV 真空断路器的故障分析处理摘 要真空断路器是近二十年兴起的一种新型、高性能的开关电器，特别是近年来我国配电系统“无油化”改造的顺利实施，真空断路器的应用越来越广泛。目前在10kV 及以下电压等级配电网络中，真空断路器已基本取代油断路器。真空断路器具有适合频繁操作、零件数少、检修维护工作量小、电寿命长、防燃、防爆、运行可靠性高等优点，是一种很少需要维护的开关设备，但在使用过程中也应注意预防故障，一旦发生故障应及时处理，使它的优越性得到充分发挥。本文以一款典型的 ZN28-10/4000-50 真空断路器为例，详细介绍了其工作原理，列举了日常使用中常见的故障现象与原因进行了分析，探讨了相应的预防及处理措施，然后通过分析 2 个实际的案列得到了 10kV 真空断路器在实际使用的几点启示，最后提出了加强 10kV 真空断路器状态检修的几点建议。关键词：断路器 故障 分析 处理1 真空断路器概述在配电线路中常用的保护元件主要是断路器，断路器是近年来发展最为迅速的一种保护电器。在低压网络中，普遍用的是塑壳式断路器或框架式断路器。而在中压及高压网络中主要用的是少油断路器、多油断路器、SFO断路器及真空断路器。目前真空断路器在中压领域保持着主导地位。1.1 真空断路器的概况真空断路器之所以得到广泛应用，是因为断路器保持着真空度为熄弧介质，而使电子的自由行程与气体分子少有碰撞，具有绝缘强度较高，电寿命与机械寿命较高的特点。真空断路器品种繁多，型号各异。从功能角度来说，有作为控制和分配电能用两种：从绝- 2 -缘角度来说，有空气绝缘和复合绝缘：从结构角度来说，有断路器和机构一体式和分体式：从操动机构角度来说，有电磁机构和弹簧机构。1.2 国内断路器的状况我国于20世纪6O年代开始研制真空断路器，70年代正式投入生产。目前我国10kV级真空断路器的额定短路开断电流已达63kA，切合电容器组的重击穿率已降至1%以下。随着城乡配电网自动化工作的开展，户外柱上真空断路器也相应得到发展。10kV户外柱上真空断路器有下列几种结构形式：1.油浸式内绝缘结构，即将真空灭弧室浸入变压器油的铁箱内，以提高可能凝露时内绝缘部位的耐受电压能力，但不能排除火灾的可能性，另外这类产品的额定开断电流只有8kA，故很少被采用。2.SF6内绝缘结构，即将真空灭弧室置于充SF6。气体的铁箱内(如ZW-12/630-16)，由于对铁箱的焊接工艺，气密性要求高，制造难度大，故难以推广。3.空气内绝缘(干式)结构，即将真空灭弧室置于铁箱内，真空灭弧室和铁箱之间用绝缘固体隔离，箱内用空气绝缘。外中套管加硅橡胶防雨，防晒，防老化，运行情况良好，另外参数也较高，开断电流达16kA/20kA。但由于箱体外形尺寸较大和重量较重，安装、更换、维修困难。4.超小型柱上真空断路器，其特点是真空灭弧室置于一侧的套管之中，另一侧套管装电流互感器。箱内绝缘的沿面爬电距离大于250mm，达到凝露和污秽等级3的要求，另外套管外侧表面涂硅橡胶，防雨、防晒、防老化，绝缘爬电距离大于31mm/kV，这种超小型固体绝缘加空气绝缘的柱上真空断路器的体积，接近于LW3-10SF6断路器。1.3 国外断路器的状况国外真空断路器的设计、制造领域里逐步形成了以德国西门子为代表的空气绝缘产品和以ABB公司为代表的复合绝缘产品的两大派别。西门子公司的产品有3AF、3AG及3AH等系列产品，其操动机构为弹簧机构。从3AF到3AH，其操动机构在设计上日趋合理，调整环节减少，更有利于提高初分速度，机构也更加省力，但制造精度要求更高。ABB公司的代表产品有VD4，它采用复合绝缘方式，产品结构紧凑，其操动机构为弹簧储能- 3 -式。日本三菱电机VPR型真空断路器，其灭弧室由一浇注的支架绝缘，该支架将三相分开，相间间距小，结构紧凑，采用弹簧机构驱动，其特点是结构简单，零部件比老式机构少，采用具有单向离合器的正齿轮机构使储能过程平稳，能耗低，噪声小。1.4 真空断路器的主要部件的工作原理1.真空包内的屏敞保护层:在真空泡内有一层用紫铜片制成的屏敞层,主要作用是防止触头在燃弧过程中生产的大量金属蒸汽和液滴喷溅,污染绝缘外壳的内壁,造成管内绝缘强度下降,其次,可以改善管内电场分布,也可吸收电弧能量,冷凝电弧生成物,提高真空弧室开断电流能力。2.真空灭弧室工作原理：真空包内的真空灭弧室是利用高真空工作绝缘灭弧介质,靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时,动静触头在分离的瞬间,电流收缩到触头刚分离的一点上,出现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高,直至发生电极金属的蒸发,同时形成极高的电场强度,导致极强烈的发射和间隙击穿,产生真空电弧,当工频电流接近零时,同时也是触头开距的增大,真空电弧的等离子体很快向四周扩散,电弧电流过零后,触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体,于是电流被分断。由于触头的特殊构造,燃弧期间触头间隙会产适当的纵向磁场,这个磁场可使电弧均匀分布在触头表面,维持低的电弧电压,从而使真空灭弧室具有较高弧后介质强度恢复速度,小的电弧能量和小的腐蚀速率。这样,就提高了真空灭弧室开断电流的能力和使用寿命。1.5 真空断路器存在的常见问题真空断路器作为高压开关的一个最基本的性能就是机械的可靠性，电力运行和试验站的故障统计表明，我国高压开关最突出的问题就是机械和绝缘问题。1.真空灭弧室漏气，真空度不足，导致开断和关合能力的不稳定。真空灭弧室漏气，真空度不足(指真空度低于1.310Pa或10mmHg)仍时有发生。2.真空断路器在切合电容器组型式试验中一次性通过率不理想。3.真空断路器的机械故障率仍较高。一些真空开关固定柜由于改进的传动系统的设计、制造、装配和调态的不良，不能使操动机构(ICD10、CT8等)与真空断路器达到最佳匹配，而导致拒分、拒合，误动等故障屡有发生。- 4 -4.部分制造厂未完全按原两部制订的l035 kV开关柜绝缘改造方案对绝缘进行加强。5.现场改装的真空开关柜质量令人担忧。一些厂家为用户改装真空开关柜时，不逐台进行参数测试。6.制造厂应改进真空灭弧室的脱气和密封工艺。真空灭弧室出厂时的真空度应不低于1.310Pa(1.310mmHg)，以确保真空灭弧室有20年的储存期(一些厂家已作此承诺)。2 典型的 10kV 真空断路器介绍真空断路器在我国已经得到广泛应用。特别是在中等电压领域里，真空断路器已占有明显优势。国内市场，ZN-28系列真空断路器以其领先的技术与高可靠性，已成为生产单位产量最大和系列最全的真空断路器。但还缺少大容量品种，对中等电压真空断路器的应用范围将受到一定限制，因此很有必要开发10kV系列真空断路器的大容量规格以进一步完善化。目前已完成额定电流4000A、额定开断电流50kA的真空断路器。今后将继续研究试制更大额定电流 和更大额定开断电流的10kV电压等级的真空断路器。本章以比较常见的ZN2810/400050真空断路器为例，介绍其结构原理。2.1 ZN28-10/4000-50 真空断路器的主要技术参数额定电压 10kV最高工作电压 12kV额定电流 4000A额定短路开断电流 50kA短路开断电流次数 不少于 20 次额定短路关合电流(峰值) 125kA额定动稳定电流(峰值) 125kA4s 热稳定电流 50kA断口间工频耐压 48kV断口间冲击耐压(峰值) 85kV额定短路开断直流分量 不小于 37%- 5 -机械寿命 10000 次1.真空灭弧室 2.2 结构原理真空灭弧室的技术水平与性能稳定性，在一定程度上决定了所配真空断路器的技术水平与性能稳定性。因此，人们常称真空灭弧室是真空断路器的核心部件。核心部件主要由触头结构、触头材料和绝缘结构三部分组成。（1)触头结构纵向磁场电极结构的发展是近几年来国产真空断路器技术的重大进步。在开断能力和稳定性以及抗电蚀性等方面，都比横向磁场触头结构有优势。一般来说纵向磁场触头复杂程度并不高，造价也在可接受的合理范围，已为真空断路器设计人员和制造单位普遍接受。目前纵向磁场电极结构有多种形式。形成产品的有1/2匝、1/3匝和1/4匝线圈式的纵向磁场极结构，杯状纵向磁场电极结构，马蹄形电极结构和横臂式纵向磁场电极结构等。杯状纵向磁场电极结构最先是西门子公司开发的。近几年来，国内对这种电极结构进行了大量试验分析研究，对其开断短路电流稳定性及适合不同短路电流的磁场强度进行了探索。试验分析证明：改进后的电极结构具有较好的开断短路电流稳定性，高的弧后介质强度恢复速度(首开相燃弧时间统计)和少的触头电烧蚀速率(50kA20次短路电流开断后触头烧损不大于0.3mm)。同时，改进的电极结构也可以控制起弧位置和燃弧区域，提高了真空灭弧室内部空间利用效率，使大容量小型化真空灭弧室得以实现。（2)触头材料CuCr触头材料是目前真空灭弧室触头材料中具有优良电性能的材料之一。它的主要缺点是熔 焊性能较差和工艺要求复杂。在ZN1310型真空断路器试制阶段，曾多次发生触头熔焊。在不影响其他性能的情况下，适当的加入脆性相能很好地改善关合能力和动热稳定性，是解决 CuCr触头材料抗熔焊性能的有效途径之一。特别是对于开断电流50kA以上的大容量真空断路器产品，触头熔焊是需要解决的关键问题之一。提高触头接触压力也可以帮助解决熔焊问题，但势必带来机械可靠性方面的副作用。试验证明，用添加脆性相材料的方法可以改善CuCr触头材料的抗熔焊性能，降低熔焊强度。低截流值触头材料亦在研制中，常用的方法是在触头材料中加入饱和蒸汽压比较高的材料。- 6 -通常这种方法对触头断口间耐压和开断短路电流能力都会产生不利影响。在不降低电性能的情况下降低截流水平，从目前情况来看尚存在较大难度，但研究工作已大有进展。（3)绝缘结构为了确保50kA真空灭弧室的外壳绝缘可靠性，采用了波浪式大爬距陶瓷外壳。真空灭弧室内部触头间的绝缘水平取决于触头材料、触头表面状态和真空灭弧室内部电场分布情况，电场分布同时也影响到短路开断过程触头烧蚀程度。对称的电场分布可降低主屏蔽罩悬浮电位，均匀真空灭弧室内部电场能提高触头间隙耐压水平和降低触头电腐蚀速率。试验证明，真空灭弧室内部电击穿多数发生在场强90%以上区域。转移电场集中区域，使场强最多区域从主触头间隙转移到不受电弧烧蚀部位，可减缓触头间隙电场应力，提高真空灭弧室绝缘水平稳定性。另外，金属陶瓷封接部位(常称三界面)也是容易发生电击穿的部位，对这个部位采取屏蔽罩措施也可改善真空灭弧室的绝缘性能。2.操动机构中等电压真空断路器操动机构有电磁操动机构和电动弹簧操动机构。国外产品多数采用电动 弹簧操动机构，国内使用电磁操动机构较多。电磁操动机构结构简单，性能可靠，调整维修方便，运行人员已经积累了丰富的使用与维护经验，继续发展仍然有广阔前景。3.总体结构布置ZN28-10/4000-50真空断路器的总体结构布置采用综合布置方式，这种布置方式是ZN28系列小型化真空断路器的突出特点。其优点是结构稳固，整体刚度好，操作稳定性好，便于安装、调试和维修，并且有利于动端热量发散。对于发展大容量和大额定电流真空断路器奠定了基础。真空灭弧室的回路电阻，通常占真空断路器回路电阻的50%以上，是长期工作的主要发热源。触头间隙接触电阻，是真空灭弧室回路电阻的主要组成部分。因为触头系统密封在真空灭弧室内，所产生热量的唯一散发途径是通过动、静导电杆导出，利用外部散热装置散发掉热量。真空灭弧室静端直接与静支架相联，动端则通过导电夹、软连接与动支架相联。虽然动端向上有利于动端热量散发，但因动端联接环节多和导热路径长，所以真空断路器温升最高点通常集中在动导电杆与导电夹搭接部位。有效地利用静端散热元件，迫使触头间隙热量更多地从静端导出，同时对动端发热量进行分流，是解决大额定电流真空断路器温升的有效途径。利用这种设计思想，可以在经济和方便的条件下解决额定电流4000A的温升。50kA真空断路器，为满足关合能力和动热稳定性能的要求，需要有较大触头接触压力。在- 7 -尺寸和运动质量受到限制的条件下，设计大压力触头弹簧，结构上有一定难度，而且触头弹簧力量加大，势必影响主轴及框架的刚度与机械强度。利用传动比的适当变化，在确保运行特性满足要求的前提下，减小触头弹簧压力，可以降低传动部件的强度要求，减小合闸功率，达到减小合闸冲击，提高真空灭弧室和真空断路器机械寿命的目的。真空断路器的合闸速度，在不同电压等级略有不同。在相同电压等级下，合闸速度在一个比较大的范围内对关合能力影响不大，这一点已为大量试验所证实。但是，试验表明，特定区间的分闸速度对开断短路电流能力有比较大的影响。并且这个速度在不同短路电流下也不相同，这一点从触头烧损情况可以明显反映出来。这个速度如果选择不恰当，必然造成触头烧损增加，这样，完成电性能试验只好靠产品设计裕度了。在开断电流等级比较少的10kV产品中，电场分布和电动力对短路开断过程触头间隙磁场分布和触头利用效率影响并不突出。随着开断电流等级的提高，这种影响越来越明显。按照理想模型对触头系统进行的计算和推论基本失去了等效性。这些数据只能在整机布置方式确定后从大量试验中总结。2.3 导向与缓冲装置1.导向装置真空灭弧室触头系统不同轴，势必造成分断过程中触头间隙磁场的畸变，使触头烧蚀加大，绝缘水平降低。严重的情况，会危及到真空断路器分断短路电流成功率。为了确保装配与操作过程中，触头对中良好，通常真空灭弧室都装有导向装置。考虑到膨胀系数，断路器操作过程的非直线运动等问题，这个导向装置与动导电杆一般留有足够间隙。多年实践证明，这个导向装置的存在，并不能保证真空灭弧室触头系统的良好对中，影响到真空灭弧室开断短路电流的稳定性。二级导向是ZN28系列真空断路器独创的导向方式，因其结构简单易行，导向性能良好，现已为绝大多数真空断路器制造厂和研究设计人员所接受，并广泛应用到产品中。2.缓冲装置的性能研究真空灭弧室的机械寿命，受控于波纹管的机械寿命。在设定了金属波纹管和触头开距后，真空灭弧室动触头运动方式就决定了真空灭弧室的机械寿命。真空断路器分闸过程的速度急剧变化，分闸过程和反弹，对波纹管的疲劳寿命极为有害。同时，分闸速度的变化特性，也直接影响到真空断路器和所配用操动机构的机械寿命。分闸过程，接触缓冲器瞬间的速度剧变甚至- 8 -反弹，也可能造成真空断路器的弧后重击穿。如何选取缓冲特性，不仅关系到真空断路 器的机械性能，也影响到产品电性能。理想的缓冲特性，应该是在运动部件接触缓冲器瞬间，缓冲器提供较小反力。随着缓冲距离的增加，缓冲特性迅速变陡，最大可能地吸收分闸能量，达到限制分闸反弹和分闸行程的目的。利用液体流阻的变化，可以实现上述设想。以上所述，是ZN28-10/4000-50真空断路器的部分主要设计思想。实践使用表明，产品性能与设计要求是吻合的。这个产品的出现，对发展更高参数的中压真空断路器积累了经验和试验数据，对发展大额定电流的户内真空断路器也得到了初步结果。这些数据，对发展真空发电机保护断路器，也是极其宝贵的经验。3 10kV 真空断路器常见故障分析、预防及处理近年来,真空开关发现缺陷和发生事故的次数有所增多,比例虽低但问题较突出,主要表现为真空泡慢性、漏气机构卡阻等方面,这就要求切实加强真空开关在选型、安装、运行、检修等方面的全过程质量管理工作。真空断路器主要由真空灭弧室、操作机构及支撑部分组成。其灭弧原理是:在真空中由于气体分子的平均自由行程很大,气体不容易产生游离,真空的绝缘强度比大气的绝缘强度要高的多。当开关分闸时,触头间产生电弧。触头表面在高温下挥发出金属蒸气,由于触头设计为特殊形式,在电流通过时产生一磁场,电弧在此磁力的作用下沿触头表面切线方向快速运动,在屏蔽罩上凝结了部分金属蒸气,电弧在自然过零时就熄灭了,触头间的介质强度又迅速恢复起来。真空断路器的常见故障主要分电气回路故障和机械故障两个方面。主要表现为：真空灭弧室的漏气、绝缘故障、拒动和误动事故、分合闸不同期等。3.1 真空灭弧室的漏气问题3.1.1 故障现象与原因真空断路器是以在真空中熄弧为特点，但不是在任何真空度下都可以，而是在某一定真空度范围内才具有良好的绝缘和灭弧性能。真空开关中的内部真空度通常在6.510-1.310 Pa范围内。真空灭弧室的不同、动静触头结构的不同、屏蔽罩的封接不同、壳体材料的不同、波- 9 -纹管材质和加工方法的不同等，都会影响真空灭弧室的性能。我国的真空技术已