基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估

王军龙，杨欢红，张劲松，汪 雷，谢清松，邓枫林

（1.国网安徽宣城供电公司，安徽宣城 242000；2.上海电力大学，上海 200090）

0 引言

随着电网技术的不断发展，真空断路器以其体积小、重量轻、开断能力强、可频繁操作等优点[1]，在中压配电网中得到普遍应用[2-4]。然而在实际运行中，真空断路器发生异常、故障、甚至灭弧室爆炸的事故并不罕见。用于投切电容器的真空断路器由于操作频繁，触头弹跳、机构慢分慢合、漏真空等导致的爆炸事故屡次发生[5-10]。

真空断路器机械行程小，很难像SF6断路器一样检测其灭弧室气体成份，无法及时发现真空泄漏或内部电弧分解物超标等隐患[11-12]。加之真空断路器本身的结构特性，导致对其极限开断能力、机械特性的预防性试验难以在现场开展。因此，目前对于真空断路器短路开断能力的现场检测，仍研究尚浅。现阶段国内外针对真空断路器开断能力检测的研究主要集中于真空度的检测[13]。真空灭弧室的真空度影响着断路器开断过电流的能力，目前的检测主要分为离线检测方法和在线检测方法[14]。离线检测方法主要是对非运行状态下的真空断路器进行开断能力检测。文献[15]通过在额定距离下，检测能否在静触头两端的施加工频电压来判断开断能力；文献[16]通过向真空灭弧室施加强电场和强磁场检测离子电流来判断真空度；文献[17]采用石英晶振的方法，根据石英晶振阻抗随气压变化的特性，来检测真空灭弧室的气压值从而判断真空度。在线检测方法可以对运行状态下的真空断路器进行开断能力实时监测。文献[18]介绍了一种耦合电容法来检测真空度；文献[19]提出了一种基于潘宁放电原理的在线检测方法，该方法利用离子流与气体压强的关系来判断真空度，并在真空灭弧室内植入传感器实现监测。然而文献[18-19]提出的2 种在线检测方法仅能通过测量灭弧室真空度来检测断路器开断能力，并不能对灭弧室弧触头磨损、拉杆摩擦卡涩等多器械造成的开断能力下降问题做出明确判断；此外，运行经验表明由于开断电流失败造成本体爆炸的断路器，其断口耐压测试水平并无显著降低。

目前大部分中压真空断路器额定短路开断能力均在25 kA 以上，在现场使用对应容量的测试设备直接检测其短路开断能力几乎无可能。由于交流电每10 ms 的自然过零点，很难从燃弧时间判断断路器的极限开断能力，除非施加极大的测试电流，然而这显然不具备现场可操作性。

本文提出一种基于低能量直流的真空断路器短路开断能力的评估方法。通过真空断路器的基本结构和电弧开断原理，以分析真空断路器分闸灭弧室电压变化特性；通过试验研究同参数交流断路器与直流断路器直流电流开断能力对比，得出评估方法原理，即在断路器触头间注入可控的低能量直流基于直流无过零点特点，根据燃弧时间的测试直接反映真空断路器短路开断能力，并设计装置电路，通过现场实验验证了评估方法的有效性。

1 真空断路器的基本结构和电弧开断原理

1.1 真空断路器的基本结构

真空断路器是利用高真空作为灭弧介质，通过密封在真空中的一对动静触头来实现电力电路通断的一种电真空器件[20]，主要由屏蔽罩、触头与其金属连接件、瓷套、波纹管等部件组成，如图1 所示。真空断路器触头结构简单，一般主触头为圆柱形，在周围设置有螺旋状灭弧花纹[21]，利用电流自身的磁场与灭弧花纹拉长电弧而熄灭电弧。12 kV/1 250 A/31.5 kA 真空断路器结构参数如表1 所示。

图1 真空断路器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of vacuum circuit breaker

表1 真空断路器机械特性参数Table 1 Mechanical characteristic parameters of vacuum circuit breaker

1.2 真空断路器的电弧开断原理

由图1 可知，当真空断路器开断电流时，动触点与静触头分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的一点上，电极间电阻剧烈增大，温度迅速升高，直至发生电极金属的蒸发，同时会形成极高的电场强度，导致极强烈的电子发射和间隙击穿，产生真空电弧。随着工频电流逐渐接近零，触头开距不断增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散。当电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，电流变为开断状态[22]。

为了表征真空断路器开断性能特征，根据真空断路器电流零区特性与Langmuir 探针理论，建立基于Langmuir 探针理论的弧后电流模型[23]，如式（1）—式（4）：

式中：ipa为弧后电流；ni为离子浓度；vB为玻姆速度；K为系数；qi为平均离子电荷量；A为触头表面积；U为断路器两端的瞬态恢复电压（Transient Recovery Voltage，TRV）；k为玻尔兹曼常数；t为时间；Te为电子温度；τ为离子浓度衰减时间常数；c1为电极有效面积系数；c2为弧后电流引起的离子衰减系数；mi为离子质量；ε0为真空介电常数。

由式（1）—式（4）可知，真空电弧熄灭后，间隙中存在大量金属蒸汽和等离子体，这些等离子的存在会阻碍弧后介质的恢复。真空断路器开距短，动作速度快，正常使用时弧后介质恢复速度很快，开断能力非常强[24]。一旦灭弧室出现漏真空等问题，由于其开距极短、无强有力的吹弧结构，这些微粒的存在会导致真空间隙重击穿，电弧重燃，开断故障电流失败，严重时真空断路器甚至会发生爆炸。在实际运行中，常常出现短路跳闸后因断路器短路开断能力不足引发的断路器灭弧室损坏或爆炸，在相间故障切除过程中尤其容易发生。

2 低能量直流模拟交流故障电流原理

2.1 断路器分闸灭弧室电压变化特性试验

检测断路器分合闸时刻端部电压的变化，能够判断其电弧开断能力是否正常。本小节通过断路器分闸灭弧室试验对其断口电压特性进行分析。

机械特性正常的断路器，分闸过程中其触头接触电阻随着主触头的接触分离，状态在“短路—电弧导通—开路”3 个状态之间变化，在分闸前触头合闸的短路阶段时，断路器两端的电压接近为零；在电弧导通阶段时，两端电压为电弧燃弧电压。在触头分闸完成开路阶段时，两端电压为稳定的电源电压，完成开断过程如图2 所示。断路器开断能力有所下降时，断路器电弧燃弧时间较长，且电弧电压波动幅度小，如图3 所示。断路器开断能力严重下降，则电弧熄灭后又再次击穿重新产生电弧，如图4所示。断路器机械结构或灭弧室已完全失效时，完全无法熄灭电弧，如图5 所示。

图2 真空断路器开断能力正常时断口电压曲线Fig.2 Fracture voltage curve of vacuum circuit breaker when arc breaking capacity is normal

图3 真空断路器开断能力下降时断口电压曲线Fig.3 Fracture voltage curve of vacuum circuit breaker when arc breaking capacity is reduced

图4 真空断路器开断能力严重下降时断口电压曲线Fig.4 Fracture voltage curve of vacuum circuit breaker when arc breaking capacity decreases seriously

图5 真空断路器开断能力丧失时断口电压特性曲线Fig.5 Fracture voltage characteristic curve of vacuum circuit breaker when arc breaking capacity is lost

由图2—图5 可以发现，通过对断路器分闸时断口电压加以横向对比，能直观地发现断路器的开断能力与机械特性存在的问题。由于直流电流没有过零点，同样机械结构的断路器开断直流电流的能力远远低于开断交流，对于高压开关设备，直流与交流开断容量之比在1∶100—1∶1 000 左右。图6是一个同参数交流断路器与直流断路器直流电流开断能力的测试线路。

图6 交直流断路器开断能力对比实验图Fig.6 Comparative experimental diagram of breaking capacity of AC/DC circuit breaker

通过示波器观察断路器分闸后的电弧燃弧时间，可间接了解交直流断路器对同电流直流电流的开断能力对比。试验结果如表2 所示。

表2 交直流断路器开断时间对比Table 2 Comparison of breaking time of AC/DC circuit breaker

分析试验结果可知，当电源电压较低、电流较小时，因电弧本身能量小、不稳定，交直流断路器开断能力接近。当电源电压升高后，交流断路器开断能力远低于直流断路器，对于同样电流，灭弧时间是直流断路器的几十倍，对于中高压断路器，交直流开断能力差异更为显著，这就是本项目利用低能量直流电流，检测断路器短路开断能力的依据。本文利用这一特性，实现低能量直流电流模拟交流故障电流，检测断路器短路开断能力。

在直流试验电流下，由于没有了交流环境下过零点自然熄弧的干扰，断路器燃弧时间与断口施加的试验电流与试验电压呈现明显的正相关性，即试验电流或电压越高，燃弧时间越长，因此对于同型号结构的断路器，施加同样大小的直流试验电流与电压，通过燃弧时间的对比，就能较为直观地发现断路器极限灭弧能力的差异，由于中高压断路器开断直流与交流电流的能力差异，目前无量化数据，本文提出的方法尚无法准确检测断路器真实交流下短路开断能力，目前仅供现场筛查，即通过同型号断路器依托本方法测试燃弧时间差异横向比较，将燃弧时间值显著长于大部分试品平均值的断路器作为隐患样本回厂测试，对于排摸现场隐患断路器，也能起到较好的效果。

2.2 装置设计电路原理

如图7 所示，本文提出断路器开断能力检测装置设计包括直流高电压发生器、直流大电流发生器、存储示波器、限流电阻R1、限流电阻R2、隔离二极管D1、隔离二极管D2、续流二极管D4、稳流电感L、瞬态电压抑制二极管D3、被测真空断路器的跳闸线圈K。直流高电压发生器的最大输出电压为10 kV，直流大电流发生器的最大输出电流为1 kA。

图7 真空断路器开断能力检测电路结构原理图Fig.7 Schematic diagram of circuit structure of vacuum circuit breaker's arc extinguishing capacity detection

由图7 电路结构可知，断路器触头合闸期间，高电压全部加在限流电阻R1两端，由于限流电阻的存在，2 个电源均不会过载损坏，当断路器分闸后，触头断开，大电流发生器产生的直流电弧作用在触头两端，当电弧熄灭后，高电压发生器的高压立即加在触头两端，这一大电流与高电压的瞬间切换，非常符合真实运行工况的特点。

如果断路器开断能力正常，大电流应能短时间开断，如开断能力不足，则燃弧时间显著增加，甚至大电流断开后会被触头间的高电压重新击穿导通。由于直流电流电压均可控，其整体能量较小，不会损伤灭弧室。限流电阻R1与R2兼做取样电阻，通过在电阻两端连接信号检测电路，就能方便地计算断路器分闸时刻电流电压变化情况，掌握电弧燃烧时间、是否存在截流或重击穿等问题，直观评估出断路器的短路开断能力。

3 现场试验

3.1 直流环境下燃弧时间与试验电流关系

为分析直流环境下真空断路器燃弧时间与电流的关系，选取1 台机械分闸时间为20 ms 的VS1-12 真空断路器，以10 kV 直流电压为固定测试电压，以500 ms 为固定通流时间，施加200～500 A 的直流试验电流，获得其对应的开断电流的燃弧时间。断路器燃弧时间与试验电流关系如表3 所示。

表3 燃弧时间与试验电流关系Table 3 Relationship between arcing time and test current

在正常交流运行下，即使最大故障电流，断路器也可以实现燃弧时间不超过10 ms，即半个周波时长。机械分闸到位后，电弧最慢在半个周波后的过零点熄灭。从表3 可以看出，断路器的燃弧时间随着试验电流增加而增加。通过本文直流电流测试方案，使断路器产生比交流环境下多的灭弧场景，超过正常10 ms 额定燃弧时间的燃弧时间，反映出断路器在没有自然过零点帮助下的真实开断能力。若以同一大小的直流测试电压与电流测试同型号断路器，通过测试燃弧时间，对开断能力下降的断路器进行有效排查。

3.2 断路器短路开断能力现场筛查测试

图8 为宣城220 kV 尚庄变电站VS1-12 真空断路器电弧开断能力检测现场试验图。选取4 台运行时间10 年以上的VS1-12 型断路器，3 相共12个灭弧室，以10 kV 直流电压为固定测试电压，以500 A 为固定试验电流，测试燃弧时间，考虑到离散性，每个灭弧室测试5 次，测试结果如表4 所示。

图8 宣城220 kV尚庄变电站真空断路器电弧开断能力检测现场试验图Fig.8 Field test diagram for arc breaking capacity detection of vacuum circuit breaker in Xuancheng 220 kV Shangzhuang substation

表4 断路器燃弧时间实际测试值Table 4 Actural test value of circuit breaker arcing time ms

从表4 的12 个灭弧室的实际测试结果看，燃弧时间大多数比较接近，其中5 号灭弧室的燃弧时间偏长，并且多次测试的燃弧时间离散性也增大，故通过横向对比，可将5 号样本作为筛查怀疑对象，将该台断路器返厂测试，施加20 kA 交流试验电流（额定短路开断能力25 kA）后，灭弧室破裂，证明了该断路器灭弧室的确存在短路开断能力下降隐患，也证明了本文所提出方法的有效性。

本文所提的低能量直流法实现了断路器灭弧能力极限的评估，同时由于其直流试验电流电压的整体功率很低，不影响灭弧室的开断寿命，实现了现场装置检测的安全性和便捷性。

4 结论

本文针对工程实践中，因真空断路器短路开断能力不足引发的断路器灭弧室损坏或爆炸的问题，提出了一种基于低能量直流的真空断路器短路开断能力评估方法，并通过电压特性试验和某变电站现场测试验证所提方法的有效性，结论如下：

1）通过模拟真实情况在断路器触头间注入可控的较小直流电流、电压，检测断路器分段过程中燃弧时间能够直接反应断路器短路电流开断能力。

2）现场试验装置整体功率较低，直流试验总功率仅数千瓦，试验时电弧能量低，不会对灭弧室开断寿命造成负面影响。

随着测试数据不断积累，可以实现直流电流试验的断弧时间与真实交流短路电流开断能力之间的精确量化，考虑到现场作业环境的特殊性，该方法能在较小的仪器容量和场地面积条件下，测试评估真空断路器的极限开断能力，对于现场筛查排摸短路开断能力存在隐患的断路器效果优异，具备较强的实用性和优越性。