126 kV断路器触头烧蚀故障分析及措施

马飞越，李宁，马青，李辛，陈磊，白涛

(1.国网宁夏电力有限公司电力科学研究院，宁夏 银川 750011；2.国网宁夏电力有限公司银川供电公司，宁夏 银川750011；3.国网宁夏电力有限公司石嘴山供电公司，宁夏 石嘴山 753000)

0 引 言

断路器作为变电站中最重要的设备之一，是应对电力系统中多种任务和需求的开关装置，能够在正常运行条件下关合、持续承载和开断额定电流，也能关合在规定时间内承载和开断不超过其指定的额定短路电流值的所有电流[1-3]。瓷柱式断路器属于外壳带电的断路器，具有处于高电位的灭弧室外壳，相较于罐式断路器具有成本低，对安装空间的要求小，灭弧介质的用量更小的特点[4-6]。在合闸位置时，断路器近似看作理想导体；在分闸位置时，断路器看作理想绝缘体。在电网中某个地点发生短路的情况下，断路器在电流开断的时刻需要触头间隙的电导率在很短的时间内下降13至15个数量级，是电力系统保护链中的最后环节，在运行可靠性方面必须满足非常高的要求[7-8]。

本文针对一起126 kV瓷柱式断路器灭弧室内部触头烧蚀故障，从设备故障情况、现场检查及理论计算分析，确定故障原因，并制定对应的排查措施以避免类似故障发生。

1 断路器故障情况

1.1 故障基本情况

2019年12月22日，某220 kV变电站126 kV断路器带负荷运行(最大电流约430 A)6 min后，后台保护显示系统出现零序电流，A、B相电流正常，C相电流断断续续，故障持续时间2 097 ms后，保护动作跳闸，A、B相开断成功，C相电流仍然存在，持续时间约400 ms。故障录波如图1所示，图中通道53表示A相电流，通道54表示B相电流，通道55表示C相电流，通道56表示零序电流。断路器退出运行后进行测试，发现断路器合闸位置时C相无法测出回路电阻，且分、合闸时间测试显示C相无数值。

1.2 故障断路器解体情况

对该变电站C相故障断路器进行现场解体检查，拆解后照片如图2、图3所示，拆解显示本体内部传动无明显异常，传动连杆及连接轴销正常。灭弧室内部烧蚀严重，其中动主触头及静主触头接触部位边沿已熔化成不规则卷曲状，静弧触头内部固定连接支撑件已熔断，静弧触头掉落在灭弧室内部。

图1 断路器故障录波

图2 本体内部传动连接情况

图3 灭弧室触头烧蚀情况

2 故障原因分析

通过故障录波情况显示C相断路器电流在运行过程中出现断续现象，断路器分闸后仍出现电流，可将该断路器故障电流分为4个阶段：

第一阶段，断路器内部触头烧蚀后未可靠接触，正常运行条件下C相断路器未流过负荷电流，该阶段出现零序电流，持续时长850 ms；

第二阶段，C相断路器出现间歇性的电流，零序电流出现间歇性，持续时间1 240 ms；

第三阶段，断路器再次出现电流为零情况，并持续1 105 ms，此时断路器零序过流保护动作；

第四阶段，断路器分闸动作后，C相断路器再次出现电流，电流持续时间约400 ms。

从现场解体情况可以看出，断路器灭弧室内部动主触头、静主触头及静弧触头支架烧蚀较为严重。结合故障录波过程分析，可以确认该故障断路器灭弧室主触头未可靠接触，导致电流开始从弧触头流通，正常运行时断路器负荷电流较小，由于弧触头未有效接触时电阻较大，当负荷电流增大后长期运行，断路器持续发热严重，导致触头烧蚀。

结合断路器负荷电流变化情况分析，断路器正常运行时触头接触不良缺陷一直存在，主触头未有效接触且动静弧触头接触不良，一直在发热运行，但负荷电流不大，发热量较小。当12月22日负荷突然增大时(电流约430 A，持续6 min)，发热加剧导致静弧触头固定座烧损脱落无法通流，即出现第一阶段情况。第二阶段电流转移到主触头，因动静主触头未可靠接触，主触头之间开始放电拉弧烧蚀，电流出现断断续续的情况，即第二阶段情况。主触头本身处于虚接状态，并经烧蚀后无电流通路，导致零序电流保护启动，即第三阶段，在2 097 ms后保护启动跳闸，录波图显示A、B相开断成功。第四阶段，C相断路器在跳闸后经过一段时间电流出现复燃，电流复燃的原因初步分析是由于主触头之间电弧烧蚀产生的高温熔融物喷溅，使断口出现了间歇性击穿。断路器灭弧室结构如图4所示，断路器触头具体烧蚀情况见图5、图6。

图4 断路器灭弧室结构

图5 静弧触头烧断

图6 主触头烧蚀部位

从图5、图6可以看出断路器弧触头烧蚀及主触头烧蚀均在触头接触不良状态通流发热产生，解体检查断路器机构、连杆等传动部件正常，可见该断路器内部触头配合调整不到位引起触头插入深入不足。经调查该台产品于故障两年前更换过机构，分、合闸时间及回路电阻测试正常，未进行超行程测试，导致触头未可靠接触是触头烧蚀的根本原因。断路器主触头由于该线路正常情况下负荷较小，正常运行条件下负荷电流约为100 A，导致该缺陷未能及时暴露，电流增大后缺陷暴露，是触头烧蚀的诱因。

该型断路器产品超行程技术要求有一个公差范围，每台产品出厂数据并不完全一致，因此断路器更换机构后必须要重新进行超行程测试，若测试结果不满足技术要求，需要重新调整匹配。该型断路器产品的超行程技术要求如表1所示。

表1 超行程技术要求

通过表1可以看出触头超行程没有进行测试时，无法保证主触头接触行程满足技术要求，该断路器主触头接触行程仅为5～8 mm，断路器设备更换机构后仅进行回路电阻测试，但由于触头轻微接触时回路电阻未见明显异常，随着设备动作后振动等作用造成触头出现接触不良情况。

当动静弧触头接触不良时，其触头接触部位存在接触电阻，接触电阻等于收缩电阻和表面膜电阻之和，通流回路总电阻为导体电阻与接触电阻之和[9-10]，则断路器灭弧室触头部位的热源主要来自于导电回路产生的焦耳热损耗Q。

Q=KfI2Rt

(1)

式中：Kf—考虑交变电流的集肤效应和邻近效应对电阻影响的附加损耗系数；

I—回路电流；

R—回路总电阻；

t—通流时间。

如果断路器触头所有焦耳热均被导电回路吸收，短时间内不考虑热交换情况，按照弧触头导电回路单相导体金属材质质量计算，其中弧触头回路电流沿着弧触头接触部位，流过弧触头支撑座与整个灭弧室导体相连。弧触头接触不良时回路总电阻2 mΩ,短时间通流时间60 s。当电流由100 A增大至400 A后，由于静弧触头质量较大，而弧触头支撑座固定材料及金属铝材质量较小，计算该连接部位温升可达到420 K，温度超出支撑材料熔点后熔断并造成支撑座烧损后弧触头脱落；因此，该126 kV断路器触头烧蚀原因为断路器更换机构后未按要求开展行程曲线测试，断路器触头超程不满足要求，导致触头接触不良，当负荷电流突增后，触头部位发热导致灭弧室烧蚀故障。

3 治理措施

为避免此类故障，保障该型断路器同批次更换机构后触头状态满足运行要求，对同型号断路器开展行程曲线测试，对某变电站9台断路器进行测试发现其中3台断路器超程数据不满足技术要求，具体数据见表2。

表2 断路器超程测试数据

从表2可以看出3台断路器超程数据小于技术要求的25～28 mm。超程也叫超行程，即动、静触头接触后，机构将继续超行程运动，超出动静触头位置的那部分。如超程数据偏下，即断路器合闸后触头的插入深度不足，与该站触头烧蚀断路器故障原因一致，因此制定治理措施对不满足要求断路器调整断路器机构传动部位行程，并开展行程曲线测试，确保调节后状态正常。以表2中断路器3为例，调整前该断路器超程23.4 mm，如图7中2条虚线间纵坐标的插值。调整后断路器合闸行程曲线如图8所示，2条虚线见纵坐标的差值为26.2 mm，调整后断路器所有参数满足技术要求规定。

图7 断路器3调整前合闸行程曲线

图8 断路器3调整后合闸行程曲线

4 结 论

1)通过断路器录波波形分析、现场解体检查及理论计算分析，结合断路器触头结构特点，分析确定了断路器触头接触不良是烧蚀故障的根本原因。

2)更换机构后的断路器应按要求开展分/合闸时间测试，回路电阻测试，触头行程和超行程测试，分/合闸速度测试，分/合闸时间线圈电流波形测试，确保断路器状态满足运行要求。

3)加强设备缺陷管理，针对性开展缺陷排查治理，可有效杜绝同批次设备同类型缺陷引发设备故障。