10kv真空断路器的常见故障分析

摘 要：文章以我厂使用的ABB VD4真空断路器为例，介绍了其工作原理，并对常见的故障现象与原因进行了分析，探讨了相应的预防及处理措施，最后提出了减少10kv真空断路器故障的几点建议。

关键词：真空断路器；常见故障；断路器维护

前言

VD4真空断路器适用在以空气为绝缘的户内式开关系统中。只要在正常的使用条件及断路器的技术参数范围内，VD4真空断路器就可以满足电网在正常或事故状态下的各种操作，包括关合和开断短路电流。

真空断路器具有适合频繁操作、防燃、防爆、运行可靠性高等诸多优点，是一种很少需要维护的开关设备，但随着使用时间的增长，故障的出现是不可避免的。

1 真空断路器的主要工作原理

1.1 真空包内的屏敞保护层

在真空包内有一层用紫铜片制成的屏敞层，主要作用是防止触头在燃弧过程中生产的大量金属蒸汽和液滴喷溅，污染绝缘外壳的内壁，造成管内绝缘强度下降，其次，可以改善管内电场分布，也可吸收电弧能量，冷凝电弧生成物，提高真空弧室开断电流能力。

1.2 真空灭弧室工作原理

真空包内的真空灭弧室是利用高真空工作绝缘灭弧介质，靠密封在真空中的一对触头来实现电力电路的通断功能的一种电真空器件。当其断开一定数值的电流时，动静触头在分离的瞬间，电流收缩到触头刚分离的一点上，出现电极间电阻剧烈增大和温度迅速提高，直至发生电极金属的蒸发，同时形成极高的电场强度，导致极强烈的发射和间隙击穿，产生真空电弧，当工频电流接近零时，同时也是触头开距的增大，真空电弧的等离子体很快向四周扩散，电弧电流过零后，触头间隙的介质迅速由导电体变为绝缘体，于是电流被分断。

由于灭弧室的静态压力极低，约10-2～10-6pa，所以只需很小的触头间隙就可达到很高的电介质强度。分闸过程中的高温产生了金属蒸气离子和电子组成的电弧等离子体，使电流将持续一段很短的时间。由于触头上形螺旋槽，电流曲折路径效应形成的磁场作用在电弧上，使电弧以每秒10～100米的速度在触头表面旋转运行，直到电弧熄灭。这样即使在切断很大的电流时，也可避免触头表面的局部过热与不均匀的灼烧。电弧在电流自然过零时熄灭，残留的离子、电子和金属蒸气只需在毫秒级时间内即可复合或凝聚在触头表面屏蔽罩上，因此，灭弧室断口的电介质强度恢复极快。对真空灭弧来说，由于触头间隙小，金属蒸气产生的电弧等离子体导电率高，电弧电压极低。加外，燃弧时间短，伴生的电弧能量极小，综上各点都有利于触头寿命的增加，也有利于真空灭弧室性能的提高。[1]

2 真空断路器的常见故障

真空断路器的常见故障主要分电气回路故障和机械故障两个方面。主要表现为真空灭弧室的漏气、绝缘故障、拒动和误动等。

2.1 真空灭弧室的漏气问题

2.1.1 故障现象与原因

真空断路器运行时，正常情况下，其灭弧室的屏蔽罩颜色应无异常变化，真空度正常。若运行中或合闸之前（一端带电压）真空灭弧室出现红色或乳白色辉光，说明真空度下降，影响灭弧性能。

真空度降低将严重影响真空断路器开断过电流的能力，并导致断路器的使用寿命急剧下降，严重时会引起开关爆炸。

真空灭弧室、动静触头结构、屏蔽罩的封接、壳体材料、波纹管材质和加工方法等都会影响真空灭弧室的性能。高压真空断路器应用或保护环境的污秽等级、湿度、盐雾等选择不够合适，有害气体、凝露造成波纹管点状腐蚀，可导致波纹管和盖板及封接面的漏气。

随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数增多，其真空度也可逐步下降，下降到一定程度将会影响它的开断能力和耐压水平。真空断路器的触头多为对接式结构，在分合操作中可能产生不同程度的反弹现象不论分闸反弹还是合闸反弹都会给运行带来危害。分合闸时的冲击速度及冲击力较大发生弹跳都可能产生触头和导电杆的变形，甚至产生裂纹，反弹导致波纹管经受强迫振动可能产生裂纹，使灭弧室漏气。

2.1.2 故障预防

真空断路器在使用过程中必须定期检查灭弧室管内的真空度。目前检查方法有：（1）对玻璃外壳真空灭弧室可以定期目测巡视检查，正常时内部的屏蔽罩等部件表面颜色应很明亮，在开断电流时发出浅蓝色弧光。当真空度下降很严重时，内部颜色就会变得灰暗，开断电流时将发出暗红色弧光。（2）定期（3年左右）进行一次工频耐压试验。当动静触头保持额定开距条件下，如果工频耐受电压不低于额定工频耐受电压，则表明真空度满足使用要求。如果在升压过程中，真空灭弧室内部发生持续击穿或辉光放电，则表明真空灭弧室真空度已严重下降，已不能继续使用。

2.1.3 故障处理

保证高压真空断路器超行程、触头行程在规定范围，合理的选择使用和储存环境，是解决真空灭弧室漏气问题的重要措施。

当发生断路器真空度降低时，必须更换真空泡，或更换真空断路器，并做好行程、同期、弹跳等特性试验。

2.2 绝缘故障

2.2.1 故障现象与原因

固封极柱技术，是真空断路器技术的巨大进步，真空断路器的极柱绝缘经历了空气绝缘-复合绝缘-固封绝缘。这就形成了三代真空断路器。在第一代空气绝缘中，带电部分完露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响。在第二代复合绝缘中，将灭弧室保护在环氧树脂套筒内。但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮气、昆虫等影响。第三代绝缘也就是固封极柱，它通过APG工艺，利用环氧树脂将灭弧室及上下出线端全部包封。这样做，不仅缩小了灭弧室尺寸，而且彻底不受外界环境（灰尘、潮气等）的影响，提高了耐气候性，此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。

目前，真空开关的使用状况是三代真空断路器共存。其中， 由于第三代固封极柱真空断路器的极柱固封技术是一种崭新的技术，在国外也只有极少制造公司掌握这种技术，如ABB公司在1997年用固封极柱开发出VMl型免维护真空断路器。2003年，我国同时研制出两种固封极柱真空断路器：VEP型和VSM型。第三代固封极柱真空断路器在市场的占有量还有限，大部分真空断路器是第二代复合绝缘，受外界环境影响较大。运行中产生的热量和电场应力都会使绝缘产生老化。绝缘故障在真空开关设备中仍居多，其威胁是不言而喻的。

据相关文献报道，1998年至2008年我国运行的高压开关设备共发生绝缘故障398次，其中6～35kv绝缘故障共300次，占总绝缘故障的75.4%。而6～35kv高压开关设备绝缘故障中，真空开关设备的绝缘故障共138次，占绝缘故障的46%，仍然居多。[2]

2.2.2 故障预防

（1）选择真空断路器时就考虑使用环境和平时维护检修的条件，选择质量可靠的产品。

（2）在安装、调试、检修过程中工装工艺到位，防止操作过程中机构运动对绝缘体的外力破坏。

（3）在运行时的环境得到充分保证，减少灰尘、潮气等对设备的影响；减小维护周期，定期对开关的绝缘部分包括绝缘拉杆进行必要的清扫和外观检查。

（4）定期按规程规范对绝缘进行检测。另外，加强绝缘寿命预测对减少绝缘事故有着重要的意义。[3]

2.2.3 故障处理

一旦发生绝缘事故，找准事故原因采取相应对策的原则，对损坏的绝缘器件进行更换，并进行绝缘试验。

2.3 拒动、误动故障

2.3.1 故障现象及原因

（1）真空断路器合闸失灵

电气方面的故障主要有：合闸电压过低（操作电压低于0.85额定电压）或合闸电源整流部分故障；合闸电源容量不够；合闸线圈断线或合闸线圈匝间短路二次接线接错等。

操动机构的故障主要有：合闸过程中分闸锁扣未扣住，分闸锁扣的尺寸不对；辅助开关的行程调得过大，使触片变形弯曲，接触不良。

（2）真空断路器分闸失灵

电气方面的故障主要有：分闸电压过低（操作电压低于0.85额定电压）；分闸线圈断线；辅助开关接触不良。

操动机构的故障主要有：分闸铁芯的行程调整不当；分闸锁扣扣住过量；分闸锁扣销子脱落。

（3）VD4真空断路器只能合分闸一次

只要将VD4真空断路器中的防跳继电器KO线圈回路切断，VD4真空断路器就能恢复正常操作了。

切断防跳继电器KO线圈回路有两种方法：一种是拆除防跳继电器KO线圈回路A或B端，并将拆除后的线头包扎好。另一种方法是将CSL216B线路保护装置的合闸出口#7线改接在VD4真空断路器的CZ12端子上，使防跳继电器KO没有工作电源而失去作用。因为CSL216B线路保护装置中还有防跳继电器TBJ，取消VD4真空断路中的防跳继电器KO不会给线路保护和断路器造成影响。

（4）真空断路器运行中断相

真空断路器接通高压电动机时，有时会出现断相，使电动机缺相运行而烧坏电动机。真空断路器出现合闸断相的可能原因如下：

断路器超行程（触头弹簧被压缩的数值）不满足要求，影响该相触头的正常接触。这可通过调节绝缘拉杆的长度，并重复测量多次，才能保证其超行程的正确性和接触的稳定性。

断路器行程不满足要求。在保证超行程的前提下，通过调节分闸定位件的垫片，使三相行程均满足要求，并三相同步。

由于真空断路器的触头为对接式，触头材料较软，在分、合闸数百次后触头易变形，使断路器超行程变化，影响触头的正常接触。

（5）真空断路器弹簧操作机构合闸储能回路故障

储能不正常是真空断路器较常见的故障之一，特别是棘轮、棘爪驱动的储能机构，故障几率较高。储能机构要完成储能动作，主要取决于储能电机、驱动机构、定位件这3个环节。紧紧抓住这3个环节，很容易找出故障的症结。

2.3.2 故障预防

真空断路器的拒动和误动故障基本上都是由操作机构及控制回路故障所引起， 其故障预防和处理应注意以下几个方面。

（1）防止松动与蹩劲。机构在操作时会发生冲击和振动，所有紧固处应有防松措施，一些受力较大的活销，不能单用开销定位，防止由于操作时各连板上的力不平衡，造成活销蹩劲，从而剪断开口销。

（2）防止锈蚀和脏污。锈蚀和脏污会显著降低机构操作可靠性，使操作系统的机械特性变坏，甚至酿成分合闸拒动事故。滑动轴承由于锈蚀和脏污，摩擦系数可以高达0.3，即使采用了滚柱和滚子轴承，锈蚀和脏污也会使它的摩擦系数增大到0.1，这比正常条件下的数值大一个数量级，将引起肘节和脱扣机构工作的不稳定。保持机构所处环境条件的清洁度，定期去除机构上（特别是旋转、滑动配合）的脏污，经常注意，在轴和销上喷涂的硫化钼固体剂等可取得很好的效果。

（3）防止机构进水。进水会使机构的绝缘件受潮，加速金属零件的锈蚀。

（4）提高控制回路的可靠性。要保持接线可靠，不致因操作一定次数后振动脱落绝缘件有足够的绝缘；辅助开关固定要牢固，不因操作而变动或窜动，其联动机构要调整到位，并防止变动；辅助开关的节点要防止锈蚀。

2.3.3 故障处理

断路器的基本操作过程可以简单地描述为：储能合闸准备合闸合闸保持（锁扣）完成合闸动作分闸（脱扣）完成分闸动作。

上述任何一个环节出问题，都将影响断路器的合、分操作。因此，分析故障点时，首先要分清各功能块，再采取分步排除法，逐个排查。

在此需强调指出，在断路器发生拒动、空合等情况时于分析检修断路器主体之前，要充分判断一下原因是否出在控制及二次元件如辅助开关、端子排等方面，然后再进行断路器的分析诊断。

3 结束语

通过以上对真空断路器在运行中所出现故障的分析，结合真空电弧理论知识和运行中的经验，提出以下几点建议：

（1）最好选用外壳由两个高氧化铝陶瓷管组成、屏蔽罩固定于2个陶瓷管之间、屏蔽罩与动静触头间的分布电容要求完全相等、内部电场均匀、结构简单的真空灭弧室结构。

（2）触头材料要求含气量低、开断能力大、抗熔焊、截流电流小、电磨损速率小、接触电阻小。铜铬触头最适合。

（3）应加强对真空断路器的合闸弹跳和分闸反弹的监督力度。

（4）加强对真空断路器的开距、超行程、刚分、刚合速度等特性测试。断路器在选型时，尽量选择机构布局简单、易于拆装、工艺性好、互换性强的产品。

（5）今后在设备选型时，应特别加强对制造工艺的要求和对其它辅助设备的技术要求。

（6）按产品技术规范对真空断路器定期维护。

参考文献

[1]厦门ABB开关有限公司. VD4真空开关产品说明书[Z].

[2]GB/T 11022-2011.高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].

[3]GB 17701-2008.设备用断路器[S].