高压断路器的电寿命（KEMA）

2009年第 3期 总第 85期（译文专集） —1/7— 高高压压断断路路器器的的电电寿寿命命 R.P.P.Smeets 荷兰 KEMA试验站 摘要：本文量化了断路器在 25 年运行期间累积的电弧烧 蚀效应。其目的是寻找一种适当的试验方法以验证断路器 在累积电弧烧蚀作用下的的寿命：电寿命。通过这个试验 程序应确保 25 年无需大的维护。手中有此类参数，用户 可识别：超出“”限定以外的断路器预期电寿命。 在统计计算机模型中使用了从世界 13 个国家收集的故障 和电网特性数据，以便量化 IEC标准中的电寿命试验。 结论是目前的 IEC 试验方案太苛刻且正在草拟替代的方 法。 1 简介 断路器在使用寿命期间必须反复开断故障电 流。由于灭弧室部件（主要是触头，喷口，气体） 上的热效应和机械应力，开断电流的能力与这些 部件的劣化程度有关。 断路器可满足这个反复的电弧烧蚀作用的限 度被称为“电寿命”。在重点强调合理化维护的同 时将可靠性保持在高水平的今天，需要一个试验 方案，在试验室用一系列试验来模拟典型的免维 护期间的电弧烧蚀效应。 问题是如何确定此类试验方案。人们对断路 器能够开断故障电流时间次数知之甚少，甚至对 这些故障电流的实际大小也了解不多。因此，仅 可从下面各项得出代表性试验方案： 1）出现的实际故障统计； 2）从系统参数中得到的估计实际故障电流； 3）在试验室可提供不多的固定值的大电流， 用这些具有分布特性的故障电流来表示等效劣化 效应的方法。 2 劣化机理 开关设备制造厂通常按照等式N＝A1B，提供 在给定电流（I）时最大开断次数（N），见图 1。 在大容量实验室中使用的断路器，应用此类 方程式确定何时对其自身的（辅助）断路器需进 行处理（完全更换断路器灭弧室内部部件）。 图 1 170 kV 63 kA CB规定的开断次数 ∑ = −N j B jIA1 1 ＝1 170 kV 63 kA断路器的典型值是： A＝5×105和B＝-1.8 利用这个方法，这意味着当电流为Ij时，在N 次试验后电流加权总和已经达到 1 后，准备对断 路器进行检修。 在 KEMA的标准情况下，一个辅助断路器灭弧 室每年检修 5～6次。 1 2009年第 3期 总第 85期（译文专集） —2/7— 图2 在制造厂建议的170 kV 63 kA 断路器运行寿 命终结时的喷口 因电弧烧蚀导致的元件劣化是各不相同的。 KEMA的经验是劣化结果影响不同的开断能力。 对于涉及到快速上升的瞬态恢复电压和通过试验 （比如近区故障试验）验证开断能力的试验方式， 导致喷口喉部变大的PTFE喷口材料和SF6气体吹 气压力损耗是故障的主要原因。在大量的近区故 障试验中，对接近电流过零期间电弧导电率的测 量表明[1]，电弧导电率在试验过程中呈增加趋势， 这表明喷口逐渐变大，最终降低了开断近区故障 的能力。 图 3 245 kV 50 kA CB在制造厂建议的 245 kV 50 kA 断路器运行寿命终结时的喷口 对于具有最大电流和长燃弧区间的方式（非 对称电流开断）来说，（弧）触头材料损耗影响和 金属蒸汽与环境的相互作用可能是主要因素。 很难给出通用规则，由于某些试验室用的断 路器（尽管实际上喷口没有损坏），在建议的使用 寿命期终了（见图 2），而其它设计表明，在相同 累积的电弧烧蚀后，喷口烧损很严重但仍能具有 其功能。某些在电寿命终了情况下，实际上不影 响电接触（图 4）。 图 4 制造厂建议使用寿命的断路器弧触头 在EDF的试验表明，限制使用寿命的主要原因 是触头磨损和相关的污染[2]。 也许各种劣化过程（触头材料损耗，喷口烧 蚀，气体污染等）都与结构形式（压气式，自能 式），电流（多次小电流和几次强电流），燃弧时 间等因素有关[3]。 3 世界范围的故障统计 到目前为止，断路器在运行中经受电弧烧蚀 效应的最可靠和最广泛信息源是 CIGRE GW13.08 于九十年代末进行的世界范围普查，给出了高压 电网，特别是架空（OH）线上的大量故障信息。 图 5 大量电力用户系统电压每 100 km年架空线 短路次数 2 2009年第 3期 总第 85期（译文专集） —3/7— 表 1 每 100 km*年的架空线短路次数[4] 电 压 k V < 1 0 0 1 0 0～ 2 0 0 2 0 0～ 3 0 0 3 0 0～ 5 0 0 5 0 0～ 7 0 0 中 间 值 1 0 . 5 4 . 7 2 . 3 2 . 0 1 . 2 9 0％ 值 1 7 . 3 8 . 3 4 . 8 3 . 3 4 . 2 在系统电压等级 63 kV 及以上，整个人口涵 盖 900,000断路器年和 70,000架空线年。 本普查涉及到四大州的 13个国家。收集了涉 及到相数和自动重合闸效率的统计信息。这个普 查的结果用于确定代表性试验方案，以通过数量 有限的试验室试验，模拟 25年间的电弧烧蚀效应。 短路的出现和特点 到目前为止，输电电网中的大多数短路出现 在架空线上：超过整个故障的 90％。的每台 变压器的故障次数是每 100变压器每年 3到 4次。 每变电站/母线的故障次数是每 100 个变电站每年 2到 3次。每个电缆回路的故障次数相对于架空线 故障次数非常低。 在图 5中，画出了参加普查的电力公司每 100 km架空线每年的短路次数图。从图中可以看出， 各公司甚至地区的变化很大。 表 1 总结了每电压等级的结果，表明在较高 电压系统短路更少。 从电弧烧蚀效应方面看，两个方面的短路是相 关的：涉及的相数和使用的自动重合闸方式。图 6 描述了在架空线短路中涉及的相数。可以看出对 于较低电压等级，70 ％的故障是单相故障，20 ％ 是两相故障，10 ％是三相故障。对于较高电压等 级，情况的 90 ％是单相故障。从图 7中可以看出， 成功自动重合闸操作百分数比较高：在 OC（分- 合）操作后 80 ％的故障消失；在 O-CO-C 操作后 另外 5 ％的故障消失，大约 15 ％的故障是永久 的。 图 6 在各电压等级故障中涉及的相数[5] 图 7各电压等级不同操作方式故障排除率[5] 短路电流的大小 现在有更多的短路出现及性质的信息，为了 预计电弧烧蚀效应，有必要了解短路电流大小方 面的信息。因为仅有几个现场测量数据，进行量 化显得非常困难 在这个方面三个电流值非常重要： 1）安装的断路器的额定短路开断电流（Ir）； 2）预期最大短路电流（Ib）（在断路器安装位 置的端子故障电流）； 3）实际短路电流（I）。这不是一个固定值， 而是取决于故障的性质和位置、架空线的阻抗和 电站的阻抗等。 在正常情况下，I500 kV）之间。但当地情况的变化相当大。这些故障 大多数是单相故障（特别是在较高电压等级），且 它们在一个单分合操作后故障几乎消失。 通常断路器开断电流远低于其规定能力的开 断电流：据调查，电站理论上可能的最大短路电 流仅大约是断路器能力的 50 ％，实际上出现的短 路电流甚至更小（断路器额定短路开断能力的 10 %～20 ％）。 为了量化断路器在运行 25年中的故障电流大 小和累积的作用效应，开发了基于统计的计算机 程序，来模拟具有与调查相同特性的电网中的故 障。 从这里可以认定，决定因素取决于断路器的 额定短路开断电流，有 90％的断路器，累积 25年 的电弧烧蚀效应低于等效 60 ％额定短路电流的 开断次数。这个数值从 21（用于 20 kA断路器） 变化到 7（用于 80 kA）。 基于上面的研究结果，IEC正在修订其电寿命 试验标准，提出了主要改进并使试验方案不太严 6 2009年第 3期 总第 85期（译文专集） —7/7— 酷。 参考文献 [1] Smeets R.P.P. kertesz V, Nishiwaki,S,koshizuka.T. Suzuki K, “ Short line fault interruption assessment of high voltage circuit breakers by means of current zero analysis” CIGRE A3 colloquium,2003 [2] Jeanjean R. Salzard C. Migaud P, “ Electrical endurance [3] Osawa N., Yoshioka Y., “Analysis of Nozzle Ablation Characteristics of Gas Circuit Breakers”, IEEE T&D Conference Asia Pacific, 2003. [4] Janssen A.L.J., Yamagata Y., Lanz W., Aldrovandi G., Degen W., “Studies on Life Management of Circuit-Breakers”, paper 13-204, CIGRE Conference 1998 [5] CIGRE WG 13.08: “Life Management of Circuit-Breakers”, CIGRE Technical Brochure 165, 2000. [6] IEC TR 62271-310: “Electrical Endurance Testing for Circuit-breakers of Rated Voltage 72.5 kV and Above”, April 2004. [7] CIGRE Taskforce A3.01, “Statistical Analysis of Electrical Stresses on High-Voltage Circuit-Breakers in Service”, Electra, June 2005. [8] Pons A, Sabot A, G. Babusci, “Electrical Endurance and Reliability of Circuit Breakers, Common Experience and Practice of two Utilities”, IEEE Trans. on Pow. Del., vol. 8, no. 1, Jan. 1993. [9] Smeets R.P.P., Ito H., “Electrical Endurance of Circuit Breakers in Service”, CIGRE A3/B3 Colloquium, paper 102, Tokyo, 2005. [10] IEEE Std C37-04, IEEE Standard Rating Structure for AC High-Voltage Circuit Breakers, 1999. 翻译：李芳 校对：杨成汉 7