高压断路器触头烧蚀及电寿命评估研究综述

赵建磊 王丽娟

摘要：近年来，我国的电力行业有了很大进展，对断路器的应用也越来越广泛。高压断路器在操作过程中，产生的高温电弧，会烧蚀触头，断路器触头经过一定的烧蚀后，其性能急剧下降。文中就高压断路器触头烧蚀及电寿命评估工作进行研究，有一定的参考价值，为断路器性能的提高，提供了数据支撑。

关键词：高压断路器；状态评估；电寿命；触头烧蚀

引言

高压SF6断路器作为调节无功投切、系统控制与保护的重要设备，对于电力系统，特别是110kV以上的输电系统，有着非常关键的作用。为保证电力系统长期安全稳定运行，需要高压SF6断路器能够在频繁动作的条件下仍拥有较长的电寿命。断路器电寿命一旦超出使用范围，灭弧室内部就极易发生重击穿，降低设备的绝缘性能，给电力系统的稳定性与可靠性造成严重影响。

1触头烧蚀过程及其特征

断路器分闸时动、静弧触头间恢复电压小于弧隙介质强度，而该阶段弧触头温度不高，只是由于摩擦而产生机械磨损，因弧触头材料硬度较高，因此该阶段产生的质量损失较少。无论是合闸过程还是分闸过程都存在燃弧过程，燃弧阶段使得弧触头温度急剧升高，该阶段由于喷溅和蒸发表现为触头材料损失和表面形貌改变。在燃弧时和合闸过程的弧后机械磨损是造成触头质量损失主要原因。断路器合闸燃弧时间较开断过程短，产生聚集短弧，会在触头局部产生较薄的层状结构。由于经历了电弧烧蚀过程，触头材料变得柔软且粗糙。由于动、静弧触头高速运动是滑动摩擦，主要考虑粘着磨损与磨粒磨损，燃弧过程结束后静弧触头受到抱紧力的作用，此时考虑摩擦剥落产生的质量损失。随着开断次数的增加，触头烧蚀程度越来越严重，触头烧蚀累计过程呈现非线性。燃弧时间、电弧电流和电弧电压在每次开断时有差异，触头烧蚀累计非线性要求电寿命评估必须要考虑燃弧时间影响。最早根据触头烧蚀累计过程提出了多种电寿命评估方法，其中基于N-I寿命曲线评估方法得到了广泛应用。

2高压断路器触头烧蚀及电寿命评估研究

2.1金相试验

电触头的金相检测主要检测合金试样内部夹杂物、裂纹、空隙、聚集物等缺陷，未经烧蚀触头的界面左侧为铬铜，主要为柱状晶，右侧为铜与钨的混合物；烧蚀后触头的界面左侧为铬铜，主要为等轴晶，右侧为铜与钨的混合物。触头金相检测主要特征如下：铬铜侧：未经烧蚀触头铬铜的结晶方式与烧蚀后不同，柱状晶和等轴晶都是金属的结晶方式都是树枝状结晶，等轴晶是树枝晶的常态，柱状晶只是树枝晶的特例，两者的形成与浇注过程中温度的高低有关。铜钨侧：与烧蚀后的金相相比，未经烧蚀的触头铜相分布不均匀，有部分团聚的现象，并带有孔隙，该厂家铜钨合金制备工艺有较大的分散性。

2.2动态接触电阻测量回路

将一个电源串联在高压断路器弧触头回路中，操作断路器进行合分，回路中会产生较大电流，记录整个合分过程中高压断路器断口两端电压、回路中的电流以及断路器行程曲线。利用得到的断路器全过程动态接触电阻曲线，并结合行程曲线，可以了解断路器运动过程中接触电阻的变化曲线。

2.3弧触头烧蚀机理

高压SF6断路器触头的分闸过程可主要分为4个阶段：合闸状态到主触头分离；主触头分离到弧触头分离；弧触头分离后燃弧；电弧熄灭直到完全分断。部分损失的触头材料会以金属固体形式附着在灭弧室内壁或喷口上，降低触头对地的绝缘能力。此外，弧触头在烧蚀后，表面形貌会发生明显变化，弧触头端部会变得越来越尖，不仅会降低触头之间的绝缘能力，而且会在触头动作过程中造成间隙电场的畸变，降低电流过零后的间隙介质恢复强度，降低断路器短路电流开断能力，同样也会增加关合过程中的预击穿过程的时间，加速弧触头的侵蚀。

2.4基于动态接触电阻的电寿命评估方法

触头状态评估是对断路器当前健康程度的评价，而断路器电寿命评估则需要结合历史运行数据和后续运行工况，本质上预测剩余开断次数离不开断路器当前健康程度。因此，触头状态评估是实现电寿命评估的一个重要环节。动态接触电阻测量法具有不拆卸断路器评估触头烧蚀程度的优点，国内外学者深入研究了动态电阻曲线的数据挖掘和影响因素。与典型曲线对比触头超程与出厂值，判断断路器是否需要检修。动态电阻—时间曲线对断路器动作速度敏感，无法直观反映触头运动的接触电阻，不易发现弧触头过短、触头接触不良等缺陷。

2.5烧蚀量ΔL计算

触头接触行程是衡量SF6断路器电寿命的重要指标，触头接触行程过小会对断路器产生以下严重影响：（1）开断故障电流无法从主触头转移到弧触头，从而导致主触头燃弧，严重情况下可能导致电弧无法熄灭造成灭弧室爆炸。（2）弧触头损失的金属材料附着在灭弧室内壁，降低了其绝缘能力。（3）动静触头之间的电场会产生畸变，降低触头间介质强度恢复能力。（4）喷口提前打开，气缸内气体达不到预定压力，降低SF6气体吹弧能力。本文中，对触头烧蚀量的计算做如下假设：（1）电弧与触头端面接触面积在整个开断过程中保持不变。（2）触头材料的蒸发出现在整个燃弧时间过程中，即忽略触头表面温度达到钨金属熔点之前触头的烧蚀。（3）触头表面的能量输入仅由电极区压降功率提供。（4）触头表面能量耗散主要因为触头材料的蒸发与触头热传导，忽略液滴飞溅影响。2.6数据驱动和退化模型的电寿命预测方法仅通过当前断路器测试数据实现电寿命准确评估比较困难，往往是由于缺乏表征断路器触头烧蚀程度的数据。随着各类监测数据和测试数据完善，基于数据驱动的电寿命预测方法逐渐成为研究热点。主要有人工智能方法、概率统计模型的退化建模方法和数据与退化模型融合方法。高压断路器受到制造工艺、应用环境、退化过程中不确定因素的影响，退化过程具有随机性。人工智能法虽然准确度高，但是通常需要大量样本，目前难以获得足够的训练样本。为获得SF6断路器触头烧蚀特性一些学者进行了专门的烧蚀试验积累数据。通过多台交流接触器进行电寿命试验，获取累积电弧侵蚀量数据，通过极大似然估计确定相关参数，参加电寿命试验的交流接触器越多，最后预测模型越精确。对于高压断路器，若只是根据生产厂家的试验数据确定的预测模型可能误差较大。在用户自己进行相关试验基础上，结合厂家数据确定预测模型更具有实用性。

结语

目前高压断路器电寿命预测和可靠性评价方法尚不完善。断路器分合闸瞬间的电磁和机械混合过程带来严重干扰，表征电寿命信号捕捉和处理，以及微弱特征信号提取和时频联合分析仍需深挖细究，在建立多种高压断路器触头烧蚀试验数据库基础上，应用人工智能技术和机器学习方法判断断路器触头状态是未来电寿命预测的发展方向。在传感器测量技术发展和劣化规律研究的基础上引入数字孪生技术、多物理场耦合仿真技术和虚拟现实仿真技术，结合行程曲线、线圈电流、振动信号和辐射波等特征信号，建立高压断路器的多源、多态三维数字模型。且在数字孪生模型上科学地展现断路器触头劣化过程和实现电寿命的在线非拆卸预测。

参考文献

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