矿用负荷中心高压真空开关分断能力研究

李燕杰，贾 楠，房文景，杨泽程

(1.山西潞安(矿业)集团李村煤矿，山西 长治 046000；2.潞州区能源局，山西 长治 046000)

1 矿用负荷中心高压真空开关运行工况

矿用负荷中心集高压真空开关、干式变压器、组合开关及保护装置于一体，具有容量大、多路多电压输出、通讯集中、移动方便等特点，在煤矿综采工作面得到广泛应用。其中，高压真空开关主要用于变压器的通断和保护，特别是短路故障。因此，供配电设计时，必须用配电网的最大三相短路电流校验其短路分断能力[1]，以确保高压真空开关的额定短路分断电流大于其最近点的三相短路电流。通常情况下，分断能力校验均是以开关额定短路分断电流为准，然而受电网系统、运行环境、操作频率等因素的影响，其实际分断能力将小于额定短路分断电流。2019年8月，李村煤矿发生一起负荷中心组合开关损坏事故，究其原因就是高压真空开关断路器短路分断能力不足、拒分。实物对比如图1所示。

图1 负荷中心组合开关损坏前后对比图

负荷中心通常放置在工作面巷道列车或地轨上，随工作面回采，每7～10d移动一次，期间受巷道成型、单轨吊、地轨平直度等影响，时常伴随有较强烈的颠簸、振动；负荷中心每15d至少做一次断电试验[2]，以检验甲烷闭锁效果；工作面巷道淋水多，相对湿度大，检修频繁。总之，负荷中心高压真空开关运行环境恶劣，操作频繁且时常带负荷分断。

2 分断能力分析

2.1 电网系统

当前，真空开关断路器的额定分断电流由交流分量的有效值表征，前提是触头分离时刻的直流分量不超过20%，衰减标准时间常数为45ms[3]。但随着电力系统中发电机、变压器容量增大、输电网电压等级提高以及快速切换装置投入，各元件的X/R比值增大，致使短路电流直流分量百分数提高，衰减时间常数增大。经计算，直流分量衰减时间常数为45ms，假设快速切换装置40ms分断故障，直流分量含量仍高达41%，此时短路电流是交流分量和直流分量的叠加。考虑直流分量影响后，断路器实际分断能力对应的交流分量数值I1与额定分断电流I2的关系为：

式中，I1为断路器分断的交流分量有效值，kA；I2为断路器额定分断电流，kA；tm为断路器最短分断时间，ms；tn为直流分量衰减标准时间常数，ms；td为直流分量衰减实际时间常数，ms。可见，当直流分量衰减时间常数大于标准时间常数时，K<1，表明断路器实际分断能力低于断路器额定分断能力，直流分量衰减越慢，断路器等效分断能力下降越大[4]，大致为额定值的0.7～0.9。换言之，按短路电流交流分量校核断路器分断能力时，要留有10%～30%的安全裕度[5]。

2.2 断路器结构

真空断路器成功分断的核心条件是确保介质恢复强度高于暂态电压恢复强度，之所以采用高真空作为其灭弧介质和灭弧后触头间隙的绝缘介质就是因为高真空具有较高的绝缘强度。此外，影响分断能力的诸多要素最终都变现为触头熔焊，而触头的损坏程度取决于电弧能量。

A=0.45Evlt2

(2)

式中，A为电弧能量，J；E为电弧电位梯度，V/m，在大电流范围内可设为常数；l为动静触头距离，m；v为触头速度m/s；t为燃弧时间，s。可知，在其他条件一定的前提下，电弧能量随燃弧时间显著提高，当行程确定时，燃弧时间又取决于触头运动速度，尤其是刚分速度[6]。因此，研究真空断路器的分断能力，从某种意义上讲就是设法增强介质绝缘强度，提高触头刚分速度。

2.2.1 触头

真空电弧是一种高温等离子体，弧体温度可到七八千度，断路器频繁分断，尤其是带负荷操作，会使触头表面变得凹凸不平。一方面会引起接触电阻增大，温度上升，形成恶性循环；另一方面这些凹凸缺陷会引起周围电场分布不均，部分区域甚至会增强几十倍，当电场强度达到一定值后极易引起场致发射、真空击穿，降低真空开关的分断能力[7]。

2.2.2 灭弧室

高压真空开关分合闸振动信号为冲击型非周期信号，分合闸瞬间运动触头的加速度可达500～1000g，运行速度急速上升，与静触头碰撞产生的冲击力带动连杆与底座振动。运行中，灭弧室内动静触头不断分合，不断承受机械应力的作用，久而久之将引起灭弧室内运动部件老化，气密性降低，绝缘强度下降，进而导致开关的分断能力降低。

2.2.3 分断机构

刚分速度即两触头分离时的瞬间速度。此时，动力主要有触头弹簧压力、储能弹簧拉力、分断线圈励磁力，阻力主要有永久磁体磁场力、各机械零件连接处的摩擦力、运动系统的重力等[8]。

1)触头弹簧。触头弹簧为压簧，能够保证开关合闸时动静触头间的接触压力，大小符合胡克定律：

F=kx

(3)

式中，F为压应力，N；k为弹性系数，N/m；x为压缩量，m。

当断路器分合闸，尤其是带负载分合闸时，动静触头间会产生高温高压电弧。高温环境下，压簧的材料内部组织激活能增加，位错的滑移量增大，蠕变速率增加，且温度越高，蠕变现象越显著。材料蠕变将使其弹性系数下降，由式(3)可知，此时触头弹簧的压应力减小，进而导致刚分速度下降[9]。杨茜[10]等试验实测，随着环境温度的升高，断路器的平均分断速度同样会下降，并且值得注意的是，断路器常温状态25℃历经两个温度等级的高温试验后，即使再回到初始温度，其分断速度比最初常温时的速度减小了3.45%。

2)储能弹簧。储能弹簧为拉簧，因其功能简单、可靠性高、维护工作量少等优点，在断路器中作为分断动力被广泛使用。开关运行中，储能弹簧长期处于静止的拉伸状态，根据弹簧的应力松弛理论，在位移不变的情况下，随着时间的延长，初载荷逐渐减小，即随着时间的积累，分断动力减小，断路器的分断性能会降低。黎小峰[11]等通过建立断路器动力学仿真模型，测的ZN12型高压断路器分断弹簧在服役12、24、48个月后，其应力松弛量分别为其初始值的4.4%、8.3%、14.7%；分断完成时间由初始状态的21ms，分别增加到23.4ms、25.7ms、30.1ms。

3)电容。 目前，高压真空开关多为永磁操作机构，其分断线圈的励磁能量来自于电容器的电场储能，通过向激磁线圈释放能量，电能转换为磁能，磁能再转换成动触头的机械能。储能电容器的参数直接影响着永磁操作机构真空断路器的分合闸动态性能。张来福[12]通过对不同电容量的永磁操作机构进行性能测试，得到电容器容量减少时，分断电流峰值减小，电压减少较大，动触头分断速度减低。

真空断路器中的电容通常为电解电容，并且铝电解电容居多，其电阻约占内部阻抗的50%以上。分合闸时的操作大电流可达20A，频繁分合闸将加速电解液挥发，加快电解液中的溶剂和可溶物之间或者可溶物和可溶物之间化学反应，引起电解液的电导率降低，进而导致电容的等效串联电阻变大，静态容量变小。此外，负荷中心高压真空开关与变压器一体，开关内部温度高于电容器额定工作温度。著名电容器制造商红宝石公司指出：在纹波电流一定的情况下，电解电容的工作环境温度每升高10℃，使用寿命就会缩短50%[13]。总之，受环境温度与电容器内部温升的共同影响，负荷中心高压真空断路器的电容容量将缩小，寿命将缩短，分断性能将逐渐降低。

4)电源电压。断路器控制回路通过电压互感器(10kV/0.1kV)从主回路获取能量。在控制回路中分成三路，一路直接给设备保护器供电，一路通过整流转换为直流电为电容储能，另一回路通过变压器降压、整流后连接到继电器。当断路器负荷侧发生短路时，尤其是靠近开端处金属性三相短路，巨大的电流会引起电压互感器一、二次侧电压下降。赵钰[14]依托故障模拟平台，通过交流调压器模拟控制回路的交流电压，分别拾取100V、90V、70V时的断路器分断线圈响应时间，发现当交流电压减小时，峰值电流减小，分断线圈响应时间增加。短路电流越大，响应时间越长。

5)连杆机构。受负荷中心移动颠簸和频繁分合闸操作时的振动冲击双重影响，断路器内部机械连杆衔接处将发生偏移、卡涩、松动、变形等现象，这些缺陷均会增加触头运动阻力，降低刚分速度，减低分断性能。

可见，随着运行时间与分合闸操作次数的积累，高压真空开关断路器分断能力会有所下降，加之电网直流分量的影响，其实际短路分断电流远小于额定短路开关电流。

3 优化方案

3.1 科学设备选型

美国电气和电子工程师协会指出[15]，考虑直流分量后，断路器的分断能力应大于实际计算三相短路电流周期分量值的1.25倍，保留25%的余量。此外，长期运行、频繁操作，触头、灭弧室、分断机构等部件磨损均易引起分断能力下降，仅储能弹簧应力松弛影响就可能大于5%。因此，在新设备购置时，断路器的短路分断电流要结合供电实际，并留有不少于30%的安全裕度。目前，矿用新型高压真空开关研制时，将额定短路分断电流由12.5kA升级到25kA正是处于安全裕度考虑[16]。

3.2 合理定值匹配

综采工作面单个负荷中心高压真空开关D2的电源通常直接引自采区变电所高压配电装置D1，即终端负荷只有一台负荷中心，不存在总分关系。供电系统如图2所示。

图2 综采工作面负荷中心供电系统图

鉴于D1安装固定，环境干燥，分合闸操作较少，分断能力相对稳定的特点，在定值匹配方面，可充分发挥其远后备保护作用。D2投入速断和过流保护，定值计算参考《煤矿井下供电的三大保护细则》。D1投入速断和限时速断保护。其中，D1的限时速断定值为D2的速断定值的1.1～1.2倍，动作时限为0.3～0.5s，D1的速断定值由T2变压器二次侧三相短路时流过一次侧的电流不小于1.5的灵敏度系数进行逆向计算[17]。此时，即使D2分断能力不足、拒分，D1可及时切除故障。

3.3 完善试验制度

电力设备预防性试验规程指出，高压真空断路器一般在大修后才进行分、合闸时间测试[18]，周期相对较长。为及时掌握设备性能变化，应结合现场运行条件，制定更切合现场实际的试验制度，明确试验项目，测试周期等。山西省煤生字第761号文件规定，除新装和大修外，运行中的高压真空断路器分、合闸时间测试周期为1～3a。

3.4 加强日常检修

注重控制回路二次线紧固，操作连杆机构整型、润滑等。

4 结 语

受电网系统和运行工况的共同影响，矿用负荷中心高压真空开关的分断能力将逐渐下降。实际供配电设计中，尤其是选用服役多年的旧设备时，不能简单地将其额定短路分断电流作为校验依据，而是要保留不低于30%的安全裕度，并结合预防性试验、保护匹配等因素综合分析。