魏 统
宁夏源众人力资源公司，宁夏 银川 75004
摘要:本文首先对摩根公司所生产合闸电阻的基本物理性能以及主流制造厂采用的两种合闸电阻堆布置方式进行介绍，之后通过合闸过程暂态波形分析、合闸过程中声振检测与应力分析、电磁场仿真、合闸电阻热容量试验、合闸电阻热容量仿真以及基于迭代最近点算法的合闸电阻堆拼接等方法，对两起串并联合。
关键词: 串联PIR;并联PIR;SF6断路器;运行可靠性;故障诊断
1断路器合闸电阻运行原理及可靠性分析
不同厂家合闸电阻布置方式不同，目前主要包括三种方式，分别为合闸电阻单端布置、合闸电阻双端布置以及合闸电阻单独气室布置。尽管不同厂家布置方式不同，但依据合闸电阻堆与主断口关系不同，带合闸电阻堆断路器主要包括串联结构、并联结构两种方式。以750kV罐式断路器为例，串联结构代表设备为新东北LW56－800系列，并联式结构代表设备为西开LW13－800、平高LW55－800、ABB800PM50－50T等。并联结构的PIR断口与电阻堆串联，之后与灭弧室主断口并联，而串联结构PIR断口与电阻堆并联后再与主断口串联。并联PIR结构在合闸期间PIR开关与主开关同步动作，PIR开关先合闸，PIR投入运行8～11ms后主开关闭合短接PIR。分闸时PIR开关在阻尼弹簧作用下首先断开，之后将开断电流转移至灭弧室主开关，主开关断开切断电流。串联PIR结构在合闸期间主开关与PIR开关同步动作，其中主开关先合闸，电阻堆投入8～11ms后PIR开关合闸短接PIR，分闸时主开关先断开切除电流，之后PIR开关断开为下次合闸做准备。
2声振信号检测
为进一步分析该断路器运行过程中合闸电阻堆是否存在缺陷，本文以断路器合闸过程中弹簧释能作为触发信号，并采用高精度信号录波仪、超声波传感器、振动传感器对异常C相与正常B相断路器合闸过程中的机械振动状态进行检测。断路器主断口机械合闸后声振信号较合闸初期大，其中异常相断路器振动信号、超声波信号分别为正常相1.6倍与3倍，分别达到6.73V与80V。此时合闸电阻处于投运初期，分析断路器合闸过程中的异常振动导致合闸电阻堆内表面损伤并产生微粒附着在合闸电阻堆内表面与绝缘柱外表面，造成合闸电阻堆与绝缘柱搭接异常放电现象。
3电场仿真
基于异常断路器的暂态波形分析、动态电阻拟合、声振带电检测结果，分析合闸电阻内表面存在机械损伤。相应的机械损伤主要包括内表面剐蹭，气隙存在异物，外表面破裂以及电阻片存在贯穿性裂纹等，通过COMSOL对合闸过程中合闸电阻堆损伤状态以及粒子影响情况进行电场仿真，合闸电阻堆组成部分、几何结构以及其他物理参数来源于HVR线性电阻片。在耐受电压为1746kV、合闸电阻堆与绝缘支撑柱之间气隙间距1.5mm、颗粒尺寸为0.2mm、合闸电阻裂缝深度10mm、裂缝宽度1mm，电阻片存在裂纹时电场畸变最严重部位为裂缝首端22.75kV/mm，在裂缝边沿电场较为集中为14.5kV/mm。电阻堆与绝缘柱之间气隙内存在微粒时，随着粒子在气隙中位置不同，电场畸变程度不同，其中接近电阻内表面电场畸变最严重为17.22kV/mm，电阻与绝缘柱接触时次之。电阻片冲击电压为25kV、1.2/50μs，电阻片存在裂纹时电场畸变程度接近电阻片冲击电压范围，存在微粒时表面电场强度小于电阻片冲击电压峰值，但作用时间11ms远超出其半峰时间50μs。通过物理场仿真知合闸电阻存在缺陷时，易导致缺陷部位电场发生畸变，最终影响合闸电阻的耐压性能与涌流抑制能力。
4解体检查及故障原因分析
拆除断路器机构，将灭弧室与罐体分离后发现一柱合闸电阻外表面熏黑，分子筛附近存在少量黑色分解产物;合闸电阻表面烧伤，烧蚀痕迹从内向外扩展;绝缘柱存在两处损伤，表面存在明显熏黑现象;电阻铜制连接片存在烧蚀，烧蚀状态呈现辐射状。通过异常断路器合闸过程的暂态波形分析、声振信号带电检测、物理场仿真以及返厂检查情况，分析导致断路器合闸涌流异常原因有以下方面:
(1)串联PIR结构断路器主断口合闸，PIR投入时产生较强的机械振动，使端面电阻片内表面受损，产生异物，导致单柱电阻堆在投运时绝缘柱两端发生贯穿性放电;同时产生放电粉尘，粉尘随气流运动吸附到电阻堆外表面等位置，形成黑色痕迹，造成部分电阻片及连接片靠近绝缘杆的中心孔位置发生轻微烧蚀。
(2)合闸电阻堆电阻片压紧工艺不良，导致连接铜片与电阻片为点接触方式，在电阻堆投运时局部电流密度过高，产生电弧放电，造成电阻堆损伤，最终导致合闸电阻堆绝缘支撑杆绝缘击穿。
5并联结构断路器故障诊断技术
拆除断路器底部吸附剂罩盖板时发现盖板表面、罐体内部存在112块合闸电阻碎片，经检查发现一柱阻值为58Ω的合闸电阻堆发生炸裂，其他3柱合闸电阻堆防护套正常。由第一章电阻堆散热时间常数知，电阻在8s内的热量损失可以忽略，即导致合闸电阻炸裂原因为断路器内部发生放电，导致电阻在大电流作用下发生崩裂。分析设备内部发生多点击穿时有较大的短路电流通过炸裂合闸电阻堆，故障断路器解体检查发现炸裂电阻堆与正常电阻堆连接的屏蔽罩烧蚀严重，炸裂电阻堆端部均压环发生烧蚀。故障断路器电压录波知故障电流流过合闸电阻，持续时间不低于3370μs，即电压波形开始发生振荡前故障电流流过合闸电阻，之后内部发生多点接地，接地电压开始振荡衰减。
针对返厂解体合闸电阻堆缺陷，基于ICP算法的碎片拼接结果以及存在异物时电场仿真情况，本文采用Ansys对运行过程中电阻堆应力特性进行分析，判断异物是否有合闸电阻片受力不均匀导致。合闸电阻堆装配时通过弹簧施加4964N弹力压紧，即正常装配状态下，电阻堆内每片线性电阻端面均承受该压力;同时，电阻堆装配完成后，装配件整体的重力加载在装配件的质心上。按照此边界条件对电阻堆进行静力分析，仿真过程中重点关注每柱电阻堆最靠近断口位置处电阻片的应力状况。对靠近灭弧室主断口的6片电阻片进行应力计算，计算结果均小于电阻片允许的压缩强度120MPa，即合闸电阻装配过程中无缺陷时，导致断路器内部主放电点发生击穿的异物不是合闸电阻碎片。由应力仿真结果知并联PIR结构断路器在进行电阻片组装时在应力较大部位宜添加适当厚度铝片进行应力缓冲与电阻堆厚度调整，避免断路器分合闸过程中应力超出电阻堆应力限制，导致电阻片绝缘击穿，引发故障。基于故障断路器解体情况与合闸电阻堆应力计算结果，此次由合闸电阻破损及气室内发生接地故障原因有以下方面:
(1)断路器合闸电阻堆组装过程中电阻片内表面与绝缘支撑杆外表面之间间隙较大，导致分合闸过程中电阻片之间与电阻片端部压力不均而产生异物，异物下降过程中导致电场畸变，发生气隙间歇性击穿。
(2)气隙间隙性击穿过程中气室内部环境发生变化，导致故障演变为单相接地故障，合闸电阻堆在短时大电流作用下，由于累积热量不能充分释放发生外爆。
5结论
合闸电阻是断路器分合闸过程中涌流与过电压抑制的重要部件，然而在运维分析、故障诊断中基本没有对应的方法提供参考。本文给出了合闸电阻测试与分析方法，以及相应的合闸电阻堆状态检测方法。基于动态电阻的合闸涌流拟合方法可以复现断路器合闸过程中电阻阻值变化状态，继而判断电阻片及连接片靠近绝缘杆的中心孔位置烧蚀情况，避免电阻堆两端发生贯穿性放电。电场仿真知合闸电阻内表面、外表面以及内表面与绝缘支撑柱间存在异物时，易导致缺陷部位电场发生畸变，且靠近内表面存在缺陷时电场畸变最严重，缺陷的存在最终影响合闸电阻的耐压性能与涌流抑制能力。基于ICP的合闸电阻堆碎片拼接方法在较低的失真度下，将碎片边缘噪声降至最低，同时结合故障过程中热容量仿真可以为运行过程中合闸电阻堆炸裂后故障原因分析、放电发展轨迹提供理论支撑。
参考文献:
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