俞 華，劉 宏，梁基重，牛 曙，胡 帆

(國網(wǎng)山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原030001)

斷路器在電網(wǎng)中數(shù)量龐大，起著控制和保護的作用，一旦發(fā)生故障，將引起嚴重后果[1-2]，斷路器性能的檢測與評估具有重要意義。 當前高壓交流斷路器的狀態(tài)評估方法都是針對斷路器某一種特性進行的，如機械、絕緣、溫升[3-9]。 但實際斷路器開斷能力，即滅弧能力，是各特性綜合作用的結果，實際現(xiàn)場測試中，需要在斷路器停電時開展多種試驗，對斷路器狀態(tài)進行評估，操作繁瑣，成本高昂。 而傳統(tǒng)的斷路器電壽命曲線評估方法是考慮了開斷電流對滅弧室內(nèi)燒蝕作用的積累效應，不能夠反應斷路器內(nèi)部的突發(fā)性故障。

斷路器在開斷電流時，當觸頭兩端的電壓高于觸頭間滅弧介質(zhì)的擊穿電壓時，動靜觸頭將發(fā)生擊穿，產(chǎn)生開關電弧，并激發(fā)空間高頻的電磁波向外輻射。 研究表明經(jīng)過多次燒蝕的斷路器，觸頭表面尖刺形成的不均勻電場和滅弧室內(nèi)產(chǎn)生金屬顆粒將導致放電過程中激發(fā)簇狀電磁波信號，斷路器開斷過程輻射至空間中的電磁波信號信息豐富，利用輻射的電磁波信號可評估斷路器的滅弧特性[10-13]。

滅弧特性是斷路器開斷能力的直接表現(xiàn)，是斷路器最重要的性能。 斷路器在電網(wǎng)中數(shù)量龐大，我國電網(wǎng)已發(fā)生多起因滅弧性能劣化而導致的安全事故，滅弧特性缺乏有效評估檢測手段已成為重大安全隱患之一。 斷路器開斷過程中會向外輻射電磁波信號，該信號是斷路器多種特性綜合作用的結果，含有豐富的滅弧特性信息，挖掘輻射電磁波信號特征與滅弧特性劣化間的關聯(lián)性特性，建立滅弧特性缺陷判定依據(jù)，可以為斷路器滅弧性能的現(xiàn)場評估提供必要的技術支持。

1 基于輻射電磁波的斷路器開斷性能仿真分析

1.1 仿真模型建立

以電力系統(tǒng)中實際使用的126 kV 斷路器滅弧室為例，根據(jù)滅弧室的絕緣外殼、動弧觸頭、動主觸頭、靜弧觸頭、靜主觸頭、導電桿的尺寸建立如圖1所示的有限元求解模型。 求解域設置成球型，使滅弧室完全置于求解域內(nèi)，模型的邊界是空氣，設定其邊界條件為磁絕緣。

上述求解模型各部件所選用的材料及其屬性設定如下:(1)滅弧室內(nèi)介質(zhì)材料設置為SF6，相對介電常數(shù)為1.002；(2)滅弧室外殼到求解域介質(zhì)材料設置成空氣，相對介電常數(shù)為1.0；(3)動靜弧觸頭材料設置為CuW80 合金材料；(4)動靜主觸頭材料設置為銅鍍銀合金材料；(5)噴口材料設置成聚四氟乙烯，相對介電常數(shù)為2.1，泊松比為0.4；(6)支柱式絕緣子瓷套采用電工陶瓷，介電常數(shù)設置為7.5。

圖1 求解模型

1.2 仿真結果分析與討論

斷路器燃弧過程高頻放電的模擬是電磁波模型研究的核心，本文應用高斯脈沖電流信號模擬斷路器開斷過程中出現(xiàn)擊穿所導致的高頻放電電流。 通過改變高斯脈沖電流信號的峰值、脈寬和數(shù)量來分別模擬斷路器開斷過程中所產(chǎn)生高頻放電電流的大小、持續(xù)時間和擊穿次數(shù)。 高斯脈沖函數(shù)的表達式為:

式中:a 代表脈沖峰值，b 代表峰值出現(xiàn)點，c 代表脈沖寬度。 改變這三個參數(shù)就可以改變信號峰值峰值時刻和脈寬，同時多個脈沖信號可通過施加多個脈沖激勵來實現(xiàn)。 將高斯脈沖電流信號作為激勵源設置在靜弧觸頭表面，在滅弧室模型外側正對靜弧觸頭表面0.25 m 處，放置探針監(jiān)測空間中的電勢變化，研究斷路器燃弧過程中滅弧室外部空間的電磁波信號。

改變式(1)中的a 值，可以得出低峰值脈沖和高峰值脈沖的激勵源下，測試點低峰值激勵源時檢測到的信號約為1 V，高峰值時的信號峰值約為1.5 V，獲得的波形分別如圖2(a)和圖2(b)所示。

改變式(1)中的c 值，可以得出窄脈沖和寬脈沖的激勵源下，測試點窄脈沖激勵源時脈寬為2 ms左右，寬脈沖激勵源時脈寬為8 ms 左右，獲得的波形分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖2 不同脈沖峰值下測試點電壓波形

圖3 不同脈沖寬度下測試點電壓波形

設置兩個高斯脈沖激勵源，改變式(1)中的b 值，使兩個信號分布在不同的時間區(qū)間上，一個設置在4 ms 位置處，一個設置在12 ms 位置處。 模擬了兩種不同脈沖寬度的激勵源信號，當脈沖間隔為6 ms，脈沖寬度為2 ms 時，檢測到的輻射電磁波信號不重疊；當脈沖間隔為8 ms，脈沖寬度為8 ms 時，檢測到的輻射電磁波信號有交迭現(xiàn)象。 測試點獲得的波形分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

通過對仿真結果的分析，可以得出放電脈沖強度越大，輻射電磁波的信號峰值越高。 放電脈沖寬度越大，輻射電磁波信號寬度越大。 對于多次放電脈沖的情況，當脈沖間隔大于脈沖寬度的時候，檢測到的輻射電磁波信號無交迭現(xiàn)象，而當脈沖間隔接近脈沖寬度的時候，檢測到的輻射電磁波信號有交迭現(xiàn)象。

圖4 兩次脈沖激勵下測試點電壓波形

2 基于輻射電磁的斷路器開斷性能試驗研究

2.1 模擬試驗平臺

在仿真分析的基礎上，通過搭建模擬試驗平臺，研究斷路器滅弧室在不同狀態(tài)下的開斷過程中輻射電磁波與開斷性能的關系，測量并對比了全新弧觸頭和退役弧觸頭開斷過程中的輻射電磁波。

試驗平臺如圖5 所示，主要包括變壓器、滅弧室腔體、振動傳感器、特高頻傳感器，電壓、電流采集系統(tǒng)以及高速攝像機。 其中滅弧室腔體外殼采用有機玻璃，內(nèi)充SF6氣體，方便高速攝像機拍攝斷路器內(nèi)的電弧燃弧情況；振動傳感器用于信號采集的觸發(fā)；測量電磁波的傳感器采用特高頻傳感器，有利于現(xiàn)場電磁波測量時的抗干擾。 根據(jù)輻射電磁波理論，電磁波信號的產(chǎn)生取決于空間中電流信號的變化率，與電流的幅值沒有直接的關系[14]，因此模擬試驗平臺的電源采用試驗變壓器供電，負載為純阻性負載，避免了昂貴的合成回路的使用[15-16]。 全新弧觸頭和退役弧觸頭的外觀如圖6 所示，退役觸頭經(jīng)過多次開斷，表明燒蝕嚴重。 試驗中，為了方便高速攝像機的拍攝，拆除了噴口結構[17]。

圖5 斷路器模擬試驗平臺

圖6 全新觸頭和退役觸頭的外觀對比

2.2 試驗結果分析與討論

測量結果如圖7 所示。 將輻射電磁波的持續(xù)時間定義為第一個電磁波出現(xiàn)到最后一個電磁波消失。在2.5 kV 峰值電壓的作用下，新觸頭開斷過程中輻射電磁波持續(xù)時間為18 ms，而退役觸頭開斷過程中輻射電磁波的持續(xù)時間為76 ms，明顯長于新觸頭。記錄的電流信號表明，在產(chǎn)生電磁波信號后約2 個工頻周期，新觸頭開斷的電流熄滅，而退役觸頭在產(chǎn)生電磁波信號后約4 個工頻周期開斷的電流才熄滅，其滅弧能力明顯弱于新觸頭。能都顯著降低。

圖7 不同觸頭開斷試驗的測量結果

圖8 高速攝像機記錄的觸頭間電弧

上述結果的原因在于，退役觸頭的表面由于多次開斷嚴重燒蝕，存在多處電場不均勻，更容易發(fā)生電弧重燃，燃弧時間相對于全新觸頭會有明顯的增加，同時對外輻射電磁波的持續(xù)時間也增長。 輻射電磁波的持續(xù)時間可以作為判定斷路器開斷性能的判據(jù)。

3 結論

本文通過仿真分析和開斷試驗研究了斷路器在開斷電流時向空間輻射的高頻電磁波信號，并研究了輻射電磁波信號和斷路器開斷性能的內(nèi)在關系。通過仿真分析，得出放電脈沖強度越大，輻射電磁波的信號峰值越高。 放電脈沖寬度越大，輻射電磁波信號寬度越大。 對于多次放電脈沖的情況，當脈沖間隔大于脈沖寬度的時候，檢測到的輻射電磁波信號無交迭現(xiàn)象，而當脈沖間隔接近脈沖寬度的時候，檢測到的輻射電磁波信號有交迭現(xiàn)象。 試驗研究結果表明，隨著觸頭表面燒蝕程度的增加，斷路器開斷性能下降，更容易發(fā)生電弧重燃，燃弧時間相對于全新觸頭會有明顯的增加，同時對外輻射電磁波的持續(xù)時間也增長，輻射電磁波的持續(xù)時間可以作為判定斷路器開斷性能的判據(jù)。