真空断路器灭弧能力现场检测技术

王军龙，张劲松，汪 雷，谢清松，邓枫林

(国网安徽省电力有限公司宣城供电公司，安徽 宣城 242000)

目前对于真空断路器灭弧特性的检测，仍然停留在非常粗糙的原始阶段，仅仅分合闸数次储能回路正常、分合闸时间正常、断口耐压与直流电阻正常即可，如果灭弧触头有磨损、真空泄漏或拉杆有摩擦卡涩，这些检测项目显然不能有效反映，然而实际灭弧能力下降是肯定的。由此可见，现有的真空断路器检测标准还存在很大的不足，对于断路器机械异常与灭弧能力下降等隐患，有时并不能及时有效地发现。随着技术的发展以及状态检修要求的日益提高，对于35 kV以下电网一次设备中最重要的真空断路器，亟需一种能方便有效地检测其灭弧能力的技术手段。

1 真空断路器灭弧特性检测思路

本文提出了一种全新的、基于低能量直流模拟故障电流的真空断路器电弧分断能力的检测技术方案，该技术利用最新的检测研究成果，通过在断路器触头间注入可控的直流电流、电压，直接反映断路器的的灭弧能力。

低能量直流模拟故障电流原理如图1所示。在有条件的情况下，直接利用高压交流电源，对断路器实现大电流注流，检验断路器灭弧能力，是最直接有效的方法，然而该方法需要的设备容量体积极为庞大,因为是直接产生短路故障所需要的能量，这通常只有在厂家才可以完成，对于现场预防性试验，这一方案显然不现实。

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电流的，对于低压开关，一般直流与交流开断容量之比仅仅1∶10，对于高压开关设备，一般在1∶100～1∶1 000，因此，如果采用直流电流来代替交流电流，就能用交流实验设备几百分之一的设备容量，实现同样的灭弧能力测试。

为了进一步模拟真实环境的开断特性，采用了直流电流源与电压源共同作用的方式，直流大电流发生器与高电压发生器各自通过限流电阻与隔离二极管连接到被测试的断路器灭弧室两端、同时施加直流大电流与高电压，由该电路结构可知，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，两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。

如果断路器灭弧能力正常，大电流应能立即开断，如果灭弧能力不足，则大电流断开后会被触头间的高电压重新击穿导通，但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，通过低能量直流模拟故障电流，就能非常直观地检测出断路器的灭弧能力。限流电阻R1与R2兼作取样电阻，通过在电阻两端连接信号检测电路，就能非常方便地计算断路器分闸时刻电流电压的变化情况，掌握电弧燃烧时间、灭弧速度，以及是否存在截流或重击穿问题，从而非常直观地检测出断路器的灭弧能力。巧妙利用直流电流注入的电气量的变化直接反映断路器的灭弧能力，测试方法简单、原理新颖，实用性强。

2 真空断路器的电弧分断特性

2.1 真空中的灭弧机理

真空断路器是利用高真空工作绝缘灭弧介质,靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。真空灭弧室是真空断路器的核心部分，灭弧系统存在真空灭弧室内，密封在真空外壳内部，有两个电极，一个静电极和一个动电极，包括屏蔽罩等部件构成。

当一对载流触头在真空中分离时产生电弧，但由于真空中不存在气体，电弧必须在触头材料的金属蒸气中燃烧，这种电弧就是金属蒸气电弧。真空灭弧室中电弧弧柱压差很大，质量密度差也很大，因而弧柱的金属蒸汽(带电质点)将迅速向触头外扩散，加剧了去游离作用，加上电弧弧柱被拉长、拉细，从而得到更好的冷却，电弧迅速熄灭，介质绝缘强度很快得到恢复，从而阻止电弧在交流电流自然过零后重燃。

2.2 真空断路器电弧分断原理特点

当其断开一定数值的电流时,动静触头在分离的瞬间,电流收缩到触头刚分离的一点上,进而电极间电阻剧烈增大，温度迅速提高,直至发生电极金属的蒸发, 同时形成极高的电场强度,导致极强烈的发射和间隙击穿,产生真空电弧。当工频电流接近零时,同时也是触头开距的增大, 真空电弧的等离子体很快向四周扩散,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,于是电流被分断。真空灭弧室结构如图2所示。

真空断路器触头结构简单，主触头一般为圆柱形，在周围设置有螺旋状灭弧花纹，利用电流自身的磁场与灭弧花纹拉长电弧而熄灭电弧。由于真空断路器开距很短，动作速度快，正常使用时灭弧能力非常强，以至于常常出现电流未到过零点电弧已经熄灭的截流问题，但是一旦灭弧室出现问题，如漏真空，则因为其开距极短、又没有强有力的吹弧结构，灭弧能力会急剧下降，以至无法熄灭电弧而爆炸。

2.3 断路器分合闸灭弧室电流电压变化曲线

机械特性正常的断路器，其分合闸过程中的触头接触电阻随着主触头的接触分离，其状态在“短路—电弧导通—开路”三个状态之间变化，在触头合闸的短路状态时，断路器两端的电压接近为零，在电弧导通阶段，两端电压为12～100 V的电弧燃弧电压，在触头分闸完成阶段，两端电压为稳定的电源电压。据此，我们只需要检测断路器分合闸时刻端部电压的变化，就能掌握其电弧分断能力是否正常。

断路器正常灭弧电压波形如图3所示。当触头断开后，产生数10 V的电弧电压，随着触头拉开，电弧逐渐拉长，弧压升高而熄灭，最后触头两端电压变为电源电压，完成开断过程。

截流过电压波形如图4所示。断路器灭弧能力过强，电弧熄灭过快，以至于产生了截流过电压。

灭弧能力下降电压波形如图5所示。断路器电弧燃弧时间较长，且电弧电压波动幅度小，说明电弧稳定性强，该断路器显然灭弧能力有所下降。

重击穿电压波形如图6所示。断路器电弧熄灭后又再次击穿重新产生电弧，该断路器灭弧能力已经严重下降。

无法灭弧电压波形如图7所示。断路器完全无法熄灭电弧，说明该断路器机械结构或灭弧室已完全失效。

通过对断路器分闸时断口电压加以横向对比，就能非常直观地发现断路器的灭弧能力与机械特性存在的问题，现有技术仅仅检测合闸时静态的接触电阻或断口电压，显然不能从根本上反映断路器的灭弧能力。

3 低能量直流模拟交流故障电流原理

交直流断路器分断能力对比测试如图8所示。图8是一个同参数交流断路器与直流断路器直流电流分断能力的测试线路。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分断能力，结果如表1所示。

表1 交直流断路器分断时间对比

由试验结果可见，当电源电压较低、电流较小时，因为电弧本身能量小、不稳定，交直流断路器分断能力接近；当电源电压升高后，交流断路器灭弧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，交直流断路器灭弧能力差异更为显著。对于额定短路开断能力30 kA的交流断路器，直流的开断能力可能只有数百安培，反过来，如果一个交流断路器能够迅速开断数百安培的直流电流，说明其对于几十千安的交流故障电流开断应该没有问题，这就是本文利用低能量直流电流模拟交流故障电流，检测断路器灭弧能力的依据。

4 检测装置整机结构

真空断路器灭弧能力现场检测装置结构如图9所示。采用硬件波形处理电路或单片CPU完成所有波形处理与逻辑功能，通过专门配套的数字存储示波器完成模拟量、电源、存储、面板显示等功能，电路设计简洁可靠、功耗低、思路主流。装置在使用时，采用附带的高压电流钳直接给断路器触头注入电流电压，分合闸线圈驱动电路直接触发断路器脱口，通过信号处理后的波形显示在手持式存储示波器上，使用十分方便。

5 结语

本文提出了一种全新、基于低能量直流模拟故障电流的真空断路器灭弧能力检测技术。该技术利用最新的研究成果，通过低能量直流模拟故障电流，能很直观地检测出断路器的灭弧能力。之所以使用直流代替交流，是因为直流电弧的开断难度比交流电弧的大，这样就可以通过较小容量的直流电流电压，反映交流环境下的灭弧能力。该技术巧妙利用直流电流注入的电气量的变化直接反映断路器的灭弧能力，彻底改变了真空断路器漏真空等造成的事故难以预防的现状，具有极好的推广应用价值。