真空断路器触头电磨损估算法在应用中的必要性及案例分析

真空断路器触头电磨损估算功能的研发背景：

        随着电力系统开关设备的无油化进程, 真空断路器凭借自身的诸多优点, 迅速广泛地被应用于电力系统中。在我国中压领域中, 真空断路器已占到80%以上。2000年我国真空断路器的产量已占全部中压断路器产量 87. 36%, 2004 年占有率为 98.85%。       
        在真空断路器使用数量迅速增长的同时, 由于其维护量小、检修周期长等特点, 容易使用户忽略其存在的电寿命问题，而影响真空断路器电寿命的主要因素是触头的电磨损。随着时间的推移, 首批被应用的真空断路器逐渐步入老龄化, 问题日益突显, 应当引起足够的重视。
        根据防而后治，防是重点的理念，我公司认真听取客户的反馈（在真空断路器带电流分闸或故障分闸时，有拉弧现象对断路器触头一定的损坏，能不能把损坏量化出来），参考国内外继电保护的应用及相关技术文献，我公司自主研发了触头电磨损估算功能，针对真空断路器真空管内触头在发生故障时，会对触头有一定损坏的情况，把看不见，摸不着的东西以数学公式模型量化出来，做一个告警，通知运行值班人员检查断路器，把事故隐患消灭在萌芽状态。
        下面引用王敏的《真空断路器触头接触不良引起的同步电机故障》一文中的故障分析，来说明触头电磨损估算法在应用中的必要性。

故障经过：

        某厂运行值班员在设备巡视中，发现1号制氧机所配250KW/6KV同步电机运行声音异常，电动机振动大，控制柜定子电流表指针上下摆动很大，立即停机。维修电工检查发现6KV高压柜C411号电流互感器二次出线严重烧坏，对些进行了处理，并测量了同步电机定转子气隙，没有发现扫膛现象，但未检查真空断路器。运行值班员再次起动同步电动机，运行不到两分钟，机组再次出现前述故障现象，同时故障跳闸停机，遂请来工程技术人员对些故障进行分析处理。

故障处理：
        根据运行人员反映的上述故障现象，技术员对6KV高压断路器(ZN9-630A/10KV-20KA真空断路器)进行全面检查。
        1）用2500V兆欧表测同步电动机和6KV高压真空断路器绝缘状况，相间及对地绝缘电阴在正常值范围。
        2）用三相同期灯检查真空断路器三相触头合闸同期性，发现三相不同期性超过1mS以上，其中C相最差，合闸状下C相同期灯微亮。
        3）用双臂电桥测量三相主触头的接触电阴值，结果A相160微欧、B相90微欧、C相25欧，严重超标（规程要求不大于50微欧）。调整加大超程，C相接触电阻未有改变，由此判断为C相真空灭弧室触头接触不良。
        4）更换C相真空灭室，调整三相同期性，使三相不同期性小于1mS，测试三相触头接触电阻小50微欧。
        经过上述处理后，运行人员重新起动运行，同上步电动机故障现象消除，机组运行恢复正常。

真空断路器触头接触不良故障原因分析及危害：

        根上述检查处理综合分析，造成同步电动机电流变化大，机组声音异常，振动大的直接原因是6KV真空断路器C相主触头电阻严重超标，引起触头接触不良、发热，造成同步电动机三相电流不平衡，从而发生过流跳闸故障。
        技术人员将更换下来的真空灭弧室进行了检查，外表观察发现真空断路器动导电杆及真空灭弧室外壳有过热现象。进一步将真空灭弧室解体，发现灭弧室内主动、静触头旋弧面已严重烧熔，表面凹凸不平，动静触头旋弧面上三条阿基米德螺旋槽已烧熔堵死，灭弧室内还掉落有不少触头烧熔焊渣。
        根据上述解体检查结果，技术人员分析认为真空断路器动静触头严重烧熔的原因是触头接触压力减小，触头磨损引起超程减小，到使运行中触头接触电阻增大而发热。真空断路器触头是用易熔合多材料制成的，触头发热会烧熔，破坏了触头的旋弧表面，使触头的灭弧能力降低，而断路器分合闸时产生的真空电弧加速触头的烧熔，如此恶性循环，使真空灭弧室内动静触头烧坏。要不是及时处理上述故障，真空灭弧室将可能因高温发热不能有效灭弧而发生爆炸。

总结：

真空断路器的灭弧室为一不可拆卸的密封整体，其中触头的良好接触却直接关系到用电用户的用电质量（触头的接触不良会引发三相电流不平衡，过流跳闸，触头接触电阻大会导致高温发热不能有效灭弧而发生爆炸等故障）。
        真空断路器电磨损主要指灭弧室、灭弧介质和触头的电损耗。通常认为起决定作用的是触头的电磨损。触头电磨损主要表现为触头的净损失、触头材料的金属转移和化学腐蚀。影响触头电磨损的主要因素有电流的大小、燃弧时间的长短以及触头材料、磁场结构、弹跳性能等。
        然而触头在灭弧室内，更是看不见，摸不着。那么我们怎么去估算触头的磨损呢？抓住影响触头电磨损的主要因素电流的大小，燃弧的时间。
        我公司参考国内外继电保护的应用及真空断路器触头磨损的研究文献，在控制器内增加触头电磨损估算功能，算法分别用于每相，每一次的磨损量将与之前存储的数值叠加，当三相中任意一相的运行计数超过了设定的值时，系统将发出警告信号。告知运行人员对真空断路器的触头的接触电阻，行程，开距等参数做一个检查，把事故障隐患消灭在萌芽状态。

触头电磨损估算法：

        众所周知，电弧烧损与电弧能量有密切关系, 而电弧能量又开断电流与燃弧时间密切相关，我公司采用累计每次开断的电磨损量（电弧能量），当电磨损量达到设定的值后，控制器发出告警信号，通知运行值班人员对断路器做检查。
        总的电磨损量＝N次开断的电弧能量的累计，其中开断电流有效值，通过高速采样芯片易获得，而燃弧时间却难获得，在常规应用中燃弧时间一般用开断时间来替代，然而多方实践与开断实验证明，用开断时间替代燃弧时间，此法相对比较粗糙。为此我公司对燃弧时间做了一定优化，参考大量对触头磨损，燃弧时间分析等文献结合国外继电保护装置电磨损量的估算法，控制器增加开断时间计数功能，开合统计功能，结合实践经验（开断电流过零时间，触头弹跳时间，超程运行时间等），把燃弧时间这个变量转化一个相对合理的时间常数，让触头电磨损估算法更加具有实用性。