35kV电容器组投切用SF6断路器电寿命试验与评估方法与流程

35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验与评估方法
技术领域：
1.本技术涉及sf6断路器检测技术领域，特别涉及一种35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验与评估方法。


背景技术：

2.随着经济的发展，电网容量的迅速增加，电力系统对供电可靠性的要求越来越高。电力设备是电力系统的基本元件，是保证电力系统安全、稳定、经济运行的基础。高压断路器是电力系统中最重要的高压开关设备，它在电网中起着控制和保护的双重作用，若高压断路器发生故障会引起大面积停电，造成巨大的经济损失。
3.目前，投切变电站电容器电抗器主要有sf6断路器和真空断路器。其中，真空断路器在35kv配网系统应用占比达98％。然而，由于真空击穿电压的分散性较气体击穿电压高，导致其在关合涌流过程中，可能出现预击穿电弧对触头产生剧烈烧蚀现象，严重威胁电容器组开断后的绝缘水平。另一方面，真空断路器开断存在弧后延迟击穿问题，导致真空断路器在投切电容器组中的应用相对较少。sf6断路器相较真空断路器而言，其在大电流或负载电流开断过程具有更低的延迟击穿概率。sf6断路器用于频繁投切无功设备时(特别是投切电容器组)，存在电寿命低、回路电阻上升的问题。而采用真空断路器用于频繁投切电容器组电寿命虽较长，但在某些情况下可能存在重燃和过电压问题，且高压断路器作为投切无功设备较普通使用投切更为频繁，所以保证变电站投切无功设备的高压断路器的可靠性显得更为迫切。因此现在国网公司要求电容器组投切必须采用sf6断路器。
4.对于电容器组投切用断路器而言，高幅值的开断电流、关合过程预击穿烧蚀、频繁的操作等因素决定了其运行工况非常严酷，一旦超出寿命范围使用，极易发生重击穿，引起级升过电压，直接威胁电容器组的绝缘性能，给电网的安全运行造成隐患。
5.断路器电寿命通常以断路器带载分断操作即主回路流过额定电流时断路器的可靠开断次数来定义的，但由于实际工况变化多样，此数据并不具有完全指导意义。例如，宁夏电网目前电容器投切用sf6断路器应用占电容器组断路器总量比已达50％以上，35kv电容器sf6断路器投切频繁，据宁夏电力公司统计，有部分35kv投切用电容器sf6断路器动作次数已经达到了3万次以上，远远超过了断路器的额定动作次数；而国网公司系统内已发生多起因断路器灭弧能力下降导致的重大安全事故，而其开断次数又远低于额定次数。这些案例说明35kv电容器sf6断路器的使用寿命并不和动作次数完全相关，一些在断路器使用过程中逐渐出现的潜在缺陷并无法用现有的检测方法可靠检测出来。


技术实现要素：

6.有鉴于此，有必要提供一种更加准确的确定sf6断路器的电寿命的35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验方法。
7.一种35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验方法，所述方法包括以下步骤：
8.对待测sf6断路器进行额定容性电流开断试验；
9.对待测sf6断路器进行电寿命退化模拟试验；
10.循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验，其中，完成额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验为一组测试，上述循环是指完成至少两组以上测试，以获得对应的每一组的分闸燃弧阶段的电流值；
11.循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验，在待测sf6断路器不能成功开断时，根据最终获得的所有分闸燃弧阶段的电流值及公式一进行积分计算，以得到该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量，以将该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量作为该断路器的寿命参考值，具体计算公式为：
[0012][0013]
式中，k为常数，与触头材料性质有关，t为燃弧时间，a介于1～2之间，在一定电流变化范围内为常数，且与触头材料性质有关。
[0014]
上述35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验与评估方法中，循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验，以获得对应的每一组的分闸燃弧阶段的电流值；在待测sf6断路器不能成功开断时，根据最终获得的所有分闸燃弧阶段的电流值及公式一进行积分计算，以得到该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量，以将该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量作为该断路器的寿命参考值，通过实际的投切实验来为确定sf6断路器的实际电寿命，以此评估断路器的可靠性，进而保证断路器的可靠运行。
附图说明：
[0015]
图1为合成实验进行额定容性电流开断试验原理图。
[0016]
图2为合成实验进行额定容性电流开断试验电流波形。
[0017]
图3为电寿命退化模拟试验原理图。
[0018]
图4为四线法测动态电阻原理图。
具体实施方式：
[0019]
为考核35kv电容器组投切用sf6断路器的实际电寿命，指导运行和后续工程设备选型，为更高电寿命专用断路器的研制提供试验手段，得到更为有效的断路器电寿命，保证其可靠运行，本发明提供一种35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验与评估方法。
[0020]
本技术提供的35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验方法，包括以下步骤：
[0021]
步骤a：对待测sf6断路器进行额定容性电流开断试验；
[0022]
步骤b：对待测sf6断路器进行电寿命退化模拟试验；
[0023]
步骤c：循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验，其中，完成额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验为一组测试，上述循环是指完成至少两组以上测试，以获得对应的每一组的分闸燃弧阶段的电流值；
[0024]
步骤d：循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验，在待测sf6断路器不能成功开断时，根据最终获得的所有分闸燃弧阶段的电流值及公式一进行积分计算，以得到该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量，以将该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量作为该断路器的寿命参考值，具体计算公式为：
[0025][0026]
式中，k为常数，与触头材料性质有关，t为燃弧时间，a介于1～2之间，在一定电流变化范围内为常数，且与触头材料性质有关。
[0027]
上述技术方案通过实际的投切实验来为确定sf6断路器的实际电寿命，以此评估断路器的可靠性，进而保证断路器的可靠运行。
[0028]
进一步的，35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验方法还包括以下步骤：对待测sf6断路器进行动态电阻测试；
[0029]
步骤c具体为：循环进行额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验及动态电阻测试，其中，完成额定容性电流开断试验、电寿命退化模拟试验及动态电阻测试三个阶段为一组测试，上述循环是指完成至少两组以上测试，以获得对应的每一组的分闸燃弧阶段的电流值及动、弧触头电阻值；
[0030]
将获得的动、弧触头电阻值与预设的将基准动触头电阻值、基准弧触头电阻值进行比较，在比较出获得的动、弧触头电阻值有一项大于对应的基准动触头电阻值、基准弧触头电阻值时，根据当前获得的所有分闸燃弧阶段的电流值及公式一进行积分计算，以得到该断路器的动、弧触头总的基准触头磨损量；
[0031]
将该断路器的动、弧触头总的基准触头磨损量及该断路器的动、弧触头总的最终触头磨损量求平均值，以获得该断路器的动、弧触头总的平均触头磨损量，将该断路器的动、弧触头总的平均触头磨损量作为该断路器的寿命参考值。将该断路器的动、弧触头总的平均触头磨损量作为该断路器的寿命参考值，如此考虑到sf6断路器的理论的动、弧触头总触头磨损量(实际的动、弧触头电阻值达到基准动、弧触头电阻值)及实际的动、弧触头总触头磨损量(不能够投切)，通过二者的平均值，来评估sf6断路器的可靠性，能进一步保证断路器的可靠运行。
[0032]
为了便于对上述技术方案的理解，以下通过实例介绍：
[0033]
在步骤a中，为了更好得模拟断路器正常开断时的燃弧以及熄弧后的重击穿，采用由电流源与电压源组合而成的合成回路进行额定容性电流开断试验，电流源提供电流过零前的大电流，电压源在电流过零前已用在被试断路器上，电压源也提供部分电流。电流过零时，电压源提供的恢复电压立即自动作用在被试断路器上，以满足断路器开断过程中燃弧时的大电流和熄弧后的高电压。
[0034]
原理接线图如图1所示。被试断路器cb3的左边为电流源，它的电源装置为电容器c1和电抗器l1组成的振荡回路。合闸断路器cb1用来关合电流源部分的试验电路，试验电流的大小用电抗器l1进行调节。lj为一电流过零检测器，用来检测电流过零时刻并发出电压脉冲。cb3的右边为电压源，它由电容器组c2和电抗器l2组成的振荡回路所构成。c0和r0分别为调节固有瞬态恢复电压参数的电容和电阻，hs为火花隙。
[0035]
此线路试验时的操作程序如下：试验前先调节电抗器l1、l2参数，将电容器组c1、c2充电到规定数值，电容器组与电感的取值满足产生额定容性电流及恢复电压的需求。辅助断路器cb2和被试断路器cb3处于关合状态。试验时，将合闸断路器cb1关合，于是电流源回路中流过电流i1，随即命令cb2和cb3同时开断。在电流i1过零之前200～300us的时间内，电流过零检测器lj发出电压脉冲使电压源回路中的火花隙hs点火，于是电容器组c2对电抗器
l2进行放电，产生电流i2。i2比i1要小得多(1/5～1/20)。此时，在cb2中流过的电流为i1，而在cb3中流过的电流为i1 i2。电流波形如图2所示，其中，t1时刻hs点火，t2和t3分别为i1和i1 i2过零的时刻。可见，i1要比i2先过零，所以cb2中电弧先熄灭。cb2熄弧后，电流源回路便和cb3隔离，此后cb3便完全转入电压源回路。在i2过零以后，断路器cb3弧隙上出现一由c2，l2，r0和c0决定的瞬态恢复电压，其稳态分量即为电容器组c0上的残余电压。此合成回路试验时各设备的参数选择方法如下：(1).为了使试验电流的波形不致因受电弧电压的影响而产生过分的畸变，电流源的电压应不小于被试断路器中电弧电压的10倍。(2).电压源回路的振荡率f2应选择在250～1000hz之间(3)。为保证被试断路器cb3中电流过零的下降速率与直接试验时相同，电压源电流的有效值i2应按下式选取：
[0036]
式中i1—电流源电流的有效值。
[0037]
所述步骤b中，采用烧蚀试验回路进行电寿命退化模拟试验。此实验的目的为采用大电流对断路器触头进行烧蚀，因此只需采用图1左侧的电流源回路及被测断路器cb3，无需电压源回路，试验回路如图3所示。
[0038]
回路主要包含电容器组c1、电感l1、合闸断路器cb1、辅助断路器cb2与被试断路器cb3。试验前先调节电抗器l1参数，将c1充电到规定数值，电容器组与电感的取值满足产生工频短路电流的需求，辅助断路器cb2和被试断路器cb3处于关合状态。试验时，将合闸断路器cb1关合，随即命令cb3开断，辅助断路器cb2不承担开断任务。回路电流频率计算公式如下：
[0039]“对待测sf6断路器进行动态电阻测试”中，动态电阻测量(drm)是测量高压断路器分闸或者合闸过程中动静触头的动态接触电阻,通过动态接触电阻分析弧触头侵蚀状态。由于分闸比合闸的动态接触电阻更稳定，主、弧触头接触电阻区分明显，选择分闸时的动态接触电阻分析弧触头接触状态。具体地，采用四线法对被试断路器触头接触电阻进行测量，如图4所示。四线法消除了测试线导线电阻与接触电阻的影响，因此一般用于准确测量阻值在10ω以下的电阻。为消除触头间电感效应，采用蓄电池作为电源，并提供1000a以上的测试电流，通过测量分闸过程中测试电流在触头上产生的电压降得到动静触头之间的接触电阻的变化曲线，配合触头行程测试，获得动态电阻－行程曲线。
[0040]
一般而言，主、弧触头电阻值随着断路器投切次数的增加而逐渐增加。研究表明，主触头电阻值一般在200μω以下为正常，弧触头电阻值在400μω以下为正常，超出此范围预示着主触头或弧触头存在过度烧蚀，断路器电寿命处于告警或尾声阶段。
[0041]
每做完3次额定容性负载电流开断试验，便进行1次额定短路电流开断试验，每次均要对电流数据进行完整记录。最后，再进行1次动态电阻测试试验。以此为一个完整试验周期反复进行，直至断路器不能成功开断为止，此时认为断路器电寿命达到尽头。特别地，每次额定容性负载电流开断试验中，分别设定2ms、5ms、8ms 3种不同的燃弧时间，考虑机械操作带来的
±
2ms的时间分散性，这样的时间设定可以得到10ms内的所有燃弧时间下的额定容性负载电流开断试验数据。
[0042]
进一步地，还可根据上述计算结果倒推评估各次试验中不同阶段下的断路器电寿命，并将评估结果与动态电阻测试得到的动、弧触头电阻进行对比分析，印证电寿命评估方法的正确性及准确性。例如，若总的电寿命为10000，某次试验后，断路器总的触头磨损量为
7000，则该断路器的剩余电寿命为3000。
[0043]
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明提供一种10～35kv电容器组投切用sf6断路器电寿命试验与评估方法，能够在进行电寿命试验的同时，完成动态电阻的测量，电寿命试验的结果与动态电阻测试的结果相互印证，例如将sf6断路器的理论的动、弧触头总触头磨损量及实际的动、弧触头总触头磨损量求平均值，来评估sf6断路器的可靠性，为考核35kv电容器组投切用sf6断路器的实际电寿命，指导运行和后续工程设备选型，为更高电寿命专用断路器的研制提供试验手段，得到更为有效断路器电寿命，保证其可靠运行，本发明实施后能够有效减少实验次数，缩小试验周期，降低试验费用，对断路器进行准确且具有工程指导意义的电寿命评估，保证断路器的可靠运行。