真空断路器绝缘耐压试验不合格缺陷分析

杜启业 吴树平

摘要：“高压真空断路器”因其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质都是高真空而得名。真空断路器具有体积小、重量轻、适用于频繁操作、灭弧不用检修的优点，在10kV电力系统中应用较为普及。本文针对两起同类型的真空断路器，在预试过程中出现的绝缘耐压试验不合格的缺陷而进行分析，并根据现场处理情况和以往经验提出相应的处理方法和预控措施，以提高真空断路器的运行可靠性。

关键词：真空断路器；真空度；真空泡；电气预防性试验

真空断路器具有适合频繁操作，电气寿命长，检修维护工作量小，防燃、防爆等优点，在电力系统中的应用越来越广泛。随着供电压力愈来愈严峻，对设备的运行可靠性也要求越来越高。而真空断路器的灭弧和绝缘介质是真空，所以真空灭孤室本身的质量对设备的电气性能，尤其是绝缘与耐压能力起着举足轻重的作用。下面以预试过程中发现的两起真空断路器绝缘耐压不合格缺陷为例，具体分析其缺陷原因并提出相应的预控措施。

1设备缺陷分析

针对以上设备存在的两起重大缺陷，部门成立了专项技术分析小组。为进一步分析设备的缺陷原因，专项技术小组将退出运行的长安站#4主变变低504开关、信垅站#4主变变低504开关B相真空泡重新装配成一台可操作的断路器，对设备的缺陷进行系统、深入的分析，导致真空泡分闸断口绝缘、耐压不合格的原因主要有以下几方面，具体情况如下：

（1）真空泡辅助绝缘部分绝缘不合格

针对真空泡断口绝缘、耐压不合格，初步分析可能固定真空泡的辅助绝缘部分存在问题，影响设备断口的绝缘及耐压，真空断路器真空泡的主要辅助绝缘部分是上下支架绝缘瓷瓶、绝缘操作拉杆、绝缘支撑架及真空泡的外壳绝缘瓷瓶，因此，我们对断路器的辅助绝缘部分进行了电气试验检查，檢查结果见表1.

表1：绝缘部件的绝缘电阻统计表

绝缘部位（单位MΩ） 信垅504开关B相 长安504开关B相

上绝缘支持瓷瓶 20000 14000

下绝缘支持瓷瓶 1470 1300

触头弹簧拉杆绝缘瓷瓶 60000 45000

绝缘支撑架（4根） 6000、16000、14000、20000 12000、13000、75000、40000

真空泡外壳瓷瓶 20000 100000

从上表可以看出，上下绝缘支持瓷瓶，触头弹簧的拉杆绝缘瓷瓶，绝缘支撑架，真空泡外壳的绝缘瓷瓶绝缘电阻均在1000MΩ以上，满足南网《电力设备预防性试验规程》技术要求，绝缘部件外观检查无发现裂纹、损坏等异常情况，可以说真空断路器的外部绝缘部件是完好的，造成绝缘偏低的部位初步判断是发生在真空灭弧室内。

（2）真空泡发生泄漏使真空度降低

真空断路器真空泡内部绝缘及分断熄灭电弧主要靠设备的真空度满足技术要求来实现，如果设备的真空度下降，会直接影响设备的绝缘和耐压，因此，针对设备存在的重大缺陷，我们技术小组组织对真空泡的真空度进行了测试，使用了郑州赛奥电子有限公司生产的型号为ZK-4的真空测试仪，该仪器采用的是磁控放电法[1]：将真空开关灭弧室的两触头拉开一定的距离（例如设备技术标准的开距），施加电场脉冲高压，将灭弧室置于螺线管圈内或将新型电磁线圈置于灭弧室外侧，向线圈通以大电流，从而在灭弧室内产生与高压同步的脉冲磁场，这样在脉冲磁场的作用下，灭弧室中的电子作螺旋运动，并与残余气体分子发生碰撞电离，所产生的离子电流与残余气体密度即真空近似成比例关系。当测知离子电流后，通过离子电流──真空度曲线，由计算机自动完成真空度的计算，显示真空度值。

2分析结论

针对信垅站、长安站#4主变10kV侧504断路器分闸状态下断口绝缘及耐压不合格，我们专项技术小组对设备触头的开距、真空度、附属绝缘部件及机械特性等方面进行了综合评估分析，分析数据结果均满足技术规范要求。

为进一步论证设备存在的缺陷，我们将真空泡的操作连杆拆卸，手动提升动触头的提升杆，将真空泡开距拉开到16mm，然后测量断口绝缘，测试结果为100-130 MΩ，测试结果不合格。同时，采用两个金属导体模拟断路器的动静触头，平行放置空气距离为11mm，对设备进行耐压试验和绝缘试验，试验结果是耐压1.1kV，绝缘为25.6GΩ，由于两根导体在空气中的距离为11mm，却能承受1.1kV耐压、绝缘为25.6GΩ。

真空灭弧室是真空断路器的核心部件，它主要由动静触头、屏蔽罩、波纹管、波壳及上下法兰等部件组成。我们将信垅站C相真空泡拆卸上下支架后对真空泡进行上下晃动，但没有听到内部的金属撞击的异响声，因此，从以下真空灭弧室内部结构图我们可以推测，导致设备缺陷主要原因可能为波纹管屏蔽罩、屏蔽筒、触头系统等部件变形或位移，同时，设备停电后动静触头存在电位差产生局部放电（从504断开到主变变高开关切开信垅站3min、长安站6min）产生的金属粉尘，导致真空泡的分闸断口绝缘、交流耐压不合格。

图1 真空泡内部结构图

为进一步论证缺陷部位，了解真空灭弧室内部情况，变电管理二所技术分析小组决定对信垅站的504开关B相真空泡进行解体分析。为避免破坏真空泡内部结构布局，还原缺陷设备的真貌，检修人员用砂轮机切割开真空泡两端的盖板，取出真空泡内的动静触头。解体发现动静触头的表面平整，并无放电磨损痕迹，波纹管屏蔽罩及瓷壳内壁完好，并无裂纹，触头系统及屏蔽筒外壁均附着微小金属粉尘，屏蔽筒有轻微的移位。

图3 静触头（左）、动触头（右）外观

现场检修人员对真空泡的动静触头尺寸及真空泡内壁的绝缘电阻进行了测量，结果发现在分闸状态下，动静触头间的距离有8mm，符合厂家的开距要求；真空泡的内壁绝缘电阻均在1000MΩ以上，说明真空泡外壳绝缘是合格的。

另外，真空断路器近似遵循巴申定律：当气体成份和电极材料一定，温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强p和电极间距离d的乘积pd的函数，其击穿电压公式可以表示为：

（A、B是与气体种类有关的常数， 为表面电离系数）

图5 均匀电场中几种气体击穿电压和pd的关系曲线

巴申曲线表明，Ub不是pd的单调函数，而是U型曲线，有极小值，pd乘积相同时对应的击穿电压相同，当极间距离d不变时提高气压或降低气压到真空，都可以提高气隙的击穿电压。以上述U型曲线中的空气为例，当极间距离为1cm，压强为1mmHg（约为133pa），其对应的击穿电压约为0.3kV，此时只要满足pd=1或pd=0.3，击穿电压都可以达到0.3kV，如保持极间距离1cm不变，压强降为0.3mmHg（约为39.9pa）。類推到此次发生缺陷的真空断路器，在电气预防性试验中信垅504开关B相耐受电压为160V，其对应的U型曲线有两个点（横坐标pd），假设极间距离d不变，那么真空泡压强p的取值可以在高压强区，也可以在低压强区。此次信垅504开关B相的真空泡当时的真空度应该处于高压强区，超出了真空度测试仪的测试范围，才导致了开关耐压不合格而真空度合格的情况发生。同时，由于真空泡的严重泄漏，使得真空断路器的绝缘能力下降，灭弧性能恶化，使得燃弧时触头上蒸发的金属蒸气急剧增多，附着在触头系统及屏蔽筒外壁而形成金属粉尘。

3预控措施

（1）在7月15日前将真空泡返回厂家，要求厂家完成真空泡的解剖分析，进一步分析设备的缺陷原因，并编写分析报告提交运行单位。

（2）要求厂家配备一定数量的同类型的或可供替代的真空泡（不少于6个），并且当现场发生类似缺陷情况，必须在24小时内备件能发送到现场，避免后续发现同类型缺陷而耽误处理工作进度。

（3）结合设备停电，开展设备的专项检查维护，将断路器的断口耐压、绝缘的电气试验与真空度测试试验相互结合。真空度测试数据虽然合格，但工频耐压没通过的真空灭弧室必须更换；工频耐压虽然通过，但真空度检测不合格的灭弧室也必须更换；工频耐压通过，真空度合格，但真空度下降趋势明显的要加强检测，以确保设备处于健康状态。

参考文献

[1]赵子玉，邹积岩，何俊佳，张汉明；真空灭弧室真空度现场测试技术研究[J]；高压电器；1999年02期.

[2]尹继成，孟伟力；10kV真空断路器运行分析[J]；河北电力技术；2004年05期

作者简介

杜启业（1988），男，广东东莞人。助理工程师，工学学士，主要从事变电一次设备检修工作。

吴树平（1974），男，广东东莞人。变电检修高级技师，主要从事变电一次设备检修工作。