电容器组用SF6断路器弧触头关合侵蚀研究

摘要

由于关合涌流电弧烧蚀和弧后高温加剧机械磨损，电容器组用SF6断路器弧触头比一般断路器侵蚀更严重，电寿命明显缩短，特别是特高压系统的电容器组关合涌流可高达10kA，且操作频繁，断路器弧触头侵蚀问题尤为突出，现有断路器只能实现1000余次开合，无法达到3000次开合的电寿命要求。因此，迫切需要针对电容器组用SF6断路器弧触头侵蚀问题开展研究。本文首先试验研究弧触头关合侵蚀质量损失特性，然后针对侵蚀过程中的机械磨损行为过程开展研究分析，建立关合侵蚀质量损失模型与侵蚀形貌模型，对弧触头进行优化设计，最后研究弧触头的侵蚀状态检测方法。主要研究内容与获得的结论如下:
　　建立了断路器关合侵蚀质量损失试验平台，包括关合侵蚀试验与电弧烧蚀试验两个试验回路，通过对两个回路的燃弧时间与电弧电流的控制，使关合侵蚀试验与电弧烧蚀试验的电弧烧蚀作用等效，通过质量损失相减，有效分离出侵蚀过程中机械磨损作用造成的质量损失，实现了对造成弧触头侵蚀的电弧烧蚀作用和机械磨损作用的分别研究。在不同试验电流条件下，对不同过盈量弧触头开展了近1000次试验，获得了弧触头电弧烧蚀和机械磨损质量损失随过盈量和电流的变化规律，发现机械磨损造成的质量损失占总质量损失的72.6％以上，机械磨损作用是造成弧触头侵蚀的主要原因。
　　针对机械磨损是造成弧触头质量损失的主要原因，结合Rabinowics磨损理论分析了弧触头机械磨损的行为过程。首先，仿真计算了动、静弧触头的动态接触应力，发现弧触头碰撞最大等效应力小于常温条件下W材料的屈服强度，不满足发生粘着磨损的必要条件，常温条件下弧触头的磨损行为主要是磨粒磨损。然后，仿真计算了电弧烧蚀高温条件下弧触头材料的物性参数变化，结果表明高温下Cu与W屈服强度均显著下降，已小于弧触头碰撞最大等效应力;发生粘着磨损所对应磨削半径虽然增大，但小于能谱仪（EDS，Energy Dispersive Spectrometer）检测到的弧触头表面微粒半径，屈服强度和微粒半径均满足发生粘着磨损的条件，说明电弧烧蚀条件下，弧触头电弧烧蚀中心区会发生粘着磨损行为，这将加剧弧触头的机械磨损侵蚀，随着远离电弧烧蚀中心区，磨损行为逐渐由粘着磨损过渡到磨粒磨损。磨损行为的分析为定量研究弧触头关合侵蚀提供了依据。
　　根据磨损行为过程特点，基于Archard磨损理论，建立了表征弧触头电弧烧蚀区域、过渡区域及远离电弧烧蚀区机械磨损质量损失特性的数学模型，结合J.Tepper电弧烧蚀质量损失模型，实现了弧触头关合侵蚀质量损失的定量计算。建立了弧触头关合侵蚀形貌数学模型，将弧触头轴向接触行程损失和径向半径过盈量损失与弧触头质量损失建立映射关系，模型计算表明，相同关合次数条件下，过盈量越大，弧触头轴向接触行程损失量越小，但有饱和趋势。结合断路器关合电寿命3000次与接触行程损失20mm的优化目标，提出在关合电流为10kA时弧触头半径过盈量应大于1mm小于1.5mm的优化设计措施。
　　为解决运行断路器弧触头侵蚀状态检测问题，研究提出了基于分闸过程动态接触电阻的弧触头侵蚀状态检测方法，通过动态接触电阻曲线中弧触头接触电阻对应段的长度反演弧触头轴向侵蚀量，利用弧触头动态接触电阻平均值反映径向侵蚀量。研制出动态接触电阻测量装置。实现了断路器不拆解条件下对弧触头侵蚀状态的检测，并成功应用于现场。
　　本文的主要创新点有:
　　1)建立了断路器关合侵蚀质量损失试验平台，实现了对关合侵蚀过程中机械磨损作用造成质量损失的有效分离，获得了电容器组用SF6断路器弧触头关合侵蚀质量损失特性，揭示了关合侵蚀主要是由于机械磨损造成，其造成的质量损失占总质量损失的72.6％以上。
　　2)揭示了弧触头关合侵蚀的机械磨损行为过程。常温条件下的磨损行为主要是磨粒磨损;电弧烧蚀条件下，弧触头电弧烧蚀中心区会发生粘着磨损行为，这将加剧弧触头的机械磨损侵蚀，随着远离电弧烧蚀中心区，磨损行为逐渐由粘着磨损过渡到磨粒磨损，为定量研究弧触头关合侵蚀提供了依据。
　　3)建立了弧触头机械磨损质量损失模型和侵蚀形貌模型，实现了弧触头关合侵蚀过程的定量计算，分析获得了弧触头接触行程与半径过盈量随关合次数变化的定量关系，关合电流10kA时为达到3000次关合接触行程损失小于20mm的目标，提出弧触头半径过盈量应大于1mm的优化设计措施。
　　4)提出了基于分闸过程动态接触电阻的弧触头轴向与径向侵蚀状态检测方法，研制出断路器动态接触电阻测量装置，实现了无需拆解条件下对弧触头侵蚀状态的检测，为运行断路器弧触头状态检测提供了手段，并成功应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的背景与意义

1．2 课题的研究现状

1．2．1 弧触头侵蚀特性研究

1．2．2 弧触头侵蚀状态检测方法

1．3 本文的研究内容

第2章 弧触头关合侵蚀质量损失特性

2．1 试验平台建立与试验方法

2．1．1 关合侵蚀试验回路建立

2．1．2 关合侵蚀试验方法

2．1．3 基于振动加速度的预击穿电弧烧蚀时间测量方法

2．1．4 电弧烧蚀试验回路建立

2．1．5 电弧烧蚀试验方法

2．1．6 GIS试验装置研制

2．2 关合侵蚀质量损失特性

2．2．1 质量损失率计算方法

2．2．3 质量损失与损失率

2．3 电弧烧蚀质量损失特性

2．3．1 试验参数测量与弧触头形貌检测

2．3．2 质量损失与损失率

2．4 机械磨损质量损失特性

2．5 本章小结

第3章 弧触头关合机械磨损行为过程

3．1 关合接触应力计算

3．1．1 弧触头材料力学特性参数

3．1．2 动弧触头运动速度

3．1．3 模型建立与网格划分

3．1．4 条件设置

3．1．5 仿真结果

3．2 常温下弧触头磨损

3．3 高温下弧触头磨损

3．3．1 弧触头温度场仿真

3．3．2 高温下弧触头物性参数变化

3．3．3 试验后弧触头检测与磨损行为分析

3．4 本章小结

第4章 弧触头关合侵蚀数学模型与优化设计

4．1 关合侵蚀质量损失数学模型

4．1．1 机械磨损数学模型

4．1．2 电弧烧蚀质量损失数学模型

4．2 关合侵蚀形貌数学模型

4．2．1 轴向侵蚀形貌数学模型

4．2．2 径向侵蚀形貌数学模型

4．2．3 模型计算与测量值比较

4．3 弧触头轴向与径向侵蚀随关合次数的变化特性

4．4 弧触头优化设计

4．5 本章小结

第5章 弧触头侵蚀状态检测方法

5．1．1 弧触头形貌与接触电阻的物理关系

5．1．2 动态接触电阻测量原理

5．2 动态接触电阻测量装置研制与性能

5．2．1 测量装置的技术要求

5．2．2 测量电源选择

5．2．3 测量电流选择

5．2．4 测量结果分散性

5．2．5 分闸速度对动态接触电阻测量的影响

5．3 基于动态接触电阻的弧触头侵蚀状态检测方法

5．3．1 轴向侵蚀弧触头的检测方法

5．3．2 径向侵蚀弧触头的检测方法

5．4 动态接触电阻测量装置应用

5．5 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 主要结论

6．2 工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介