某大型发电机断路器直阻测量异常原因分析

马荣亮，杨树锋，冉 帅

（中国长江电力股份有限公司 溪洛渡电厂，云南 昭通 657300）

0 引言

近年来国内新建的大型水电站普遍采用发电机—变压器单元接线方式。为适应机组的开、停机操作，减少高压断路器的操作次数，增加电厂运行调度的灵活性，满足发电机-变压器单元实现快速短路保护以及在发电机侧进行同期操作的要求[1]，发电机出口装设断路器(发电机断路器，genemtor circuit breaker，简称GCB)。相较于普通高压断路器，GCB额定电流大，因此对GCB的电接触可靠性提出了很高的要求[2-3]。

某水电厂设备检修时，GCB预防性试验出现了C相回路电阻测试结果异常，现场测量回路电阻值超过了设备厂家规定值。针对回路电阻测试结果异常，结合设备检查情况，笔者对测试结果异常的原因进行了分析。

1 GCB回路电阻异常现象

某水电站GCB投运后，根据《电力设备预防性试验规程》中相关规定，定期对GCB使用直流压降法进行回路电阻测试。2020年12月试验发现某台断路器C相的回路电阻超规定值，厂家设备技术标准中要求断路器与隔离开关的总回路电阻要不大于5 μΩ。

断路器上次回路电阻的测量结果均合格。为查找本次回路电阻异常原因，对断路器进行了开盖检查，采用内窥镜对断路器传动系统、主触头、弧触头、转动绝缘子等部位进行了详细检查。均未发现明显影响回路电阻的问题。

表1 GCB回路电阻测量结果

检查后采用手动慢速合闸，断路器C相回路电阻测量值为3.5 μΩ。采用常规的电动操作合闸，断路器C相回路电阻测量值均不合格。

表2 不同操作方式下C相回路电阻测量结果

断路器回路电阻测试与试验电流大小、通流时间有很大关系。单纯小电流、短时间条件下测量阻值超标不能就贸然判定断路器发生故障[4-8]。但大型发电机出口断路器现场不具备通交流大电流后测量回路电阻的条件。因此需要对回路电阻测量异常原因进行分析，对设备进行更全面的检查。

2 回路电阻增大影响因素分析

此型断路器额定电流为25 kA，机组额定功率断路器运行电流约20.8 kA，断路器回路电阻增大可能会引起主回路发热增加，影响设备的安全运行。通常接触点的温升可由式（1）计算：

式中：Ik—通流大小（A）；Rj—接触电阻（Ω）；L—系数，通常取值 2.4×10-8（V2/K2）；T—触头的平均温度（K）。

由上式可知，触点的温升与接触电阻的平方成正比，若接触电阻增大，触头发热将导致电阻进一步增大，形成恶性循环，因此回路电阻的增大存在断路器温升超过标准的风险，可能导致严重的后果。

根据设备结构分析断路器回路电阻为导电回路的接触电阻。GCB主导电回路为线接触，采用自力型触头。接触电阻由接触表面的收缩电阻与接触表面电阻两部分组成[9-10]。影响接触电阻的综合因素经验公式见公式（2）：

式中：Rj—接触电阻（μΩ）；Fj—接触压力（N）；Kc—材料表面状况系数，接触面均为铜镀银时取值为80；m—接触形式相关系数，线接触取值0.7。

运行中的GCB的电接触点，其接触电阻有可能变化，尤其是在有电弧产生的灭弧室的主触头，其变化更加明显。

水电站机组参与电网调峰，发电机断路器操作次数多，根据统计此台GCB投运以来，总操作次数1 000余次，未开断过短路电流。GCB的操作可能造成触头机械磨损、电弧烧蚀、化学分解物腐蚀和污染[11-14]，从而影响GCB触头性能。

综合分析可能造成接触电阻增加的原因包括[15-17]：①电弧高温烧蚀，弧触头接触表面的接触电阻增加；②主触头在短路开断电流的转移过程中可能出现熔疤而增加接触电阻；③主导电回路的滑动触头在短路开断过程中因操作振动引起的接触点弹跳而动态接触不良可能出现熔疤；④电弧分解物附着在中间触头的接触面上引起接触电阻增大，导致短路开断过程中或动热稳定电流试验时中间触头的某些接触点产生熔疤；⑤中间滑动触头的接触点在滑动过程中卡入绝缘的电弧分解物，使接触电阻增大。对于水平位置的中间滑动触头，因触头自重导致某些接触点的接触压力减小，出现触点卡入电弧分解物可能性更大。

3 解体检查情况

为确定GCB回路电阻异常的原因，此设备返厂解体检查。解体过程对可能影响回路电阻的各类因素进行逐项检查，触头表面平整，未发现熔疤。触指压力未发现明显异常。导电环上、触指与导电环的接触面上布满了一层黑色粉末状污染物。GCB解体检查时触头情况如图1、图2所示：

图1 触指上的黑色污染物图

图2 静触头（导电环）表面污染物

清除导电环及触指上的黑色物质前后，测量回路电阻测量结果如表3所示：

表3 断路器清洁前后回路电阻测量结果

4 原因分析

根据断路器解体检查情况及断路器导电环、触指清理前后回路电阻测量数据分析，影响接触电阻的主要因素为表面膜电阻，接触电阻由两部分组成，即收缩电阻和表面膜电阻[18-19]。根据收缩电阻特性，在导电环表面平整度、触指压力未发生明显变化的情况下基本不变。表面膜电阻为在电接触的接触面上，由于污染而覆盖着一层导电性很差的物质。

灭弧室内的黑色物质具有绝缘特性，黑色污染物（包括硫化物和氟化物）与断路器内所涂抹的VP980润滑脂混合后造成导电脂稠度和粘性的变化。断路器采取不同合闸方式时，不同的速度夹角下导致润滑脂的膜厚度的差异[20-21]。接触电阻随膜厚的增加而增加。污染物与润滑脂膜厚度的差异造成断路器未解体检修前，电动操作合闸、手动慢速合闸两种操作方式下膜电阻的差异导致回路电阻的不同。

5 结论

本文通过对某发电机断路器在不同操作合闸方式下主回路电阻测量值出现异常后，综合设备解体检查处理情况，对产生此种现象的原因进行分析，得出如下结论：

（1）GCB回路电阻测试结果异常的主要原因为主触头上附着了一层黑色燃弧产物，在不同的操作方式下膜电阻不同而导致。

（2）黑色燃弧产物与润滑（导电）脂的混合物在高温、大电流情况下的绝缘特性尚未有明确的研究结论。设备正常运行状态导电回路膜电阻的变化以及是否会导致导电接触面状态的变化不明确的情况下，断路器回路电阻增大时需要及时采取措施，消除设备隐患。