真空斷路器觸頭電磨損估算功能的研發(fā)背景：

        隨著電力系統(tǒng)開關(guān)設(shè)備的無油化進程, 真空斷路器憑借自身的諸多優(yōu)點, 迅速廣泛地被應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。在我國中壓領(lǐng)域中, 真空斷路器已占到80%以上。2000年我國真空斷路器的產(chǎn)量已占全部中壓斷路器產(chǎn)量 87. 36%, 2004 年占有率為 98.85%。       
        在真空斷路器使用數(shù)量迅速增長的同時, 由于其維護量小、檢修周期長等特點, 容易使用戶忽略其存在的電壽命問題，而影響真空斷路器電壽命的主要因素是觸頭的電磨損。隨著時間的推移, 首批被應(yīng)用的真空斷路器逐漸步入老齡化, 問題日益突顯, 應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。
        根據(jù)防而后治，防是重點的理念，我公司認(rèn)真聽取客戶的反饋（在真空斷路器帶電流分閘或故障分閘時，有拉弧現(xiàn)象對斷路器觸頭一定的損壞，能不能把損壞量化出來），參考國內(nèi)外繼電保護的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，我公司自主研發(fā)了觸頭電磨損估算功能，針對真空斷路器真空管內(nèi)觸頭在發(fā)生故障時，會對觸頭有一定損壞的情況，把看不見，摸不著的東西以數(shù)學(xué)公式模型量化出來，做一個告警，通知運行值班人員檢查斷路器，把事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。
        下面引用王敏的《真空斷路器觸頭接觸不良引起的同步電機故障》一文中的故障分析，來說明觸頭電磨損估算法在應(yīng)用中的必要性。

故障經(jīng)過：

        某廠運行值班員在設(shè)備巡視中，發(fā)現(xiàn)1號制氧機所配250KW/6KV同步電機運行聲音異常，電動機振動大，控制柜定子電流表指針上下擺動很大，立即停機。維修電工檢查發(fā)現(xiàn)6KV高壓柜C411號電流互感器二次出線嚴(yán)重?zé)龎?，對些進行了處理，并測量了同步電機定轉(zhuǎn)子氣隙，沒有發(fā)現(xiàn)掃膛現(xiàn)象，但未檢查真空斷路器。運行值班員再次起動同步電動機，運行不到兩分鐘，機組再次出現(xiàn)前述故障現(xiàn)象，同時故障跳閘停機，遂請來工程技術(shù)人員對些故障進行分析處理。

故障處理：
        根據(jù)運行人員反映的上述故障現(xiàn)象，技術(shù)員對6KV高壓斷路器(ZN9-630A/10KV-20KA真空斷路器)進行全面檢查。
        1）用2500V兆歐表測同步電動機和6KV高壓真空斷路器絕緣狀況，相間及對地絕緣電陰在正常值范圍。
        2）用三相同期燈檢查真空斷路器三相觸頭合閘同期性，發(fā)現(xiàn)三相不同期性超過1mS以上，其中C相最差，合閘狀下C相同期燈微亮。
        3）用雙臂電橋測量三相主觸頭的接觸電陰值，結(jié)果A相160微歐、B相90微歐、C相25歐，嚴(yán)重超標(biāo)（規(guī)程要求不大于50微歐）。調(diào)整加大超程，C相接觸電阻未有改變，由此判斷為C相真空滅弧室觸頭接觸不良。
        4）更換C相真空滅室，調(diào)整三相同期性，使三相不同期性小于1mS，測試三相觸頭接觸電阻小50微歐。
        經(jīng)過上述處理后，運行人員重新起動運行，同上步電動機故障現(xiàn)象消除，機組運行恢復(fù)正常。

真空斷路器觸頭接觸不良故障原因分析及危害：

        根上述檢查處理綜合分析，造成同步電動機電流變化大，機組聲音異常，振動大的直接原因是6KV真空斷路器C相主觸頭電阻嚴(yán)重超標(biāo)，引起觸頭接觸不良、發(fā)熱，造成同步電動機三相電流不平衡，從而發(fā)生過流跳閘故障。
        技術(shù)人員將更換下來的真空滅弧室進行了檢查，外表觀察發(fā)現(xiàn)真空斷路器動導(dǎo)電桿及真空滅弧室外殼有過熱現(xiàn)象。進一步將真空滅弧室解體，發(fā)現(xiàn)滅弧室內(nèi)主動、靜觸頭旋弧面已嚴(yán)重?zé)?，表面凹凸不平，動靜觸頭旋弧面上三條阿基米德螺旋槽已燒熔堵死，滅弧室內(nèi)還掉落有不少觸頭燒熔焊渣。
        根據(jù)上述解體檢查結(jié)果，技術(shù)人員分析認(rèn)為真空斷路器動靜觸頭嚴(yán)重?zé)鄣脑蚴怯|頭接觸壓力減小，觸頭磨損引起超程減小，到使運行中觸頭接觸電阻增大而發(fā)熱。真空斷路器觸頭是用易熔合多材料制成的，觸頭發(fā)熱會燒熔，破壞了觸頭的旋弧表面，使觸頭的滅弧能力降低，而斷路器分合閘時產(chǎn)生的真空電弧加速觸頭的燒熔，如此惡性循環(huán)，使真空滅弧室內(nèi)動靜觸頭燒壞。要不是及時處理上述故障，真空滅弧室將可能因高溫發(fā)熱不能有效滅弧而發(fā)生爆炸。

總結(jié)：

真空斷路器的滅弧室為一不可拆卸的密封整體，其中觸頭的良好接觸卻直接關(guān)系到用電用戶的用電質(zhì)量（觸頭的接觸不良會引發(fā)三相電流不平衡，過流跳閘，觸頭接觸電阻大會導(dǎo)致高溫發(fā)熱不能有效滅弧而發(fā)生爆炸等故障）。
        真空斷路器電磨損主要指滅弧室、滅弧介質(zhì)和觸頭的電損耗。通常認(rèn)為起決定作用的是觸頭的電磨損。觸頭電磨損主要表現(xiàn)為觸頭的凈損失、觸頭材料的金屬轉(zhuǎn)移和化學(xué)腐蝕。影響觸頭電磨損的主要因素有電流的大小、燃弧時間的長短以及觸頭材料、磁場結(jié)構(gòu)、彈跳性能等。
        然而觸頭在滅弧室內(nèi)，更是看不見，摸不著。那么我們怎么去估算觸頭的磨損呢？抓住影響觸頭電磨損的主要因素電流的大小，燃弧的時間。
        我公司參考國內(nèi)外繼電保護的應(yīng)用及真空斷路器觸頭磨損的研究文獻(xiàn)，在控制器內(nèi)增加觸頭電磨損估算功能，算法分別用于每相，每一次的磨損量將與之前存儲的數(shù)值疊加，當(dāng)三相中任意一相的運行計數(shù)超過了設(shè)定的值時，系統(tǒng)將發(fā)出警告信號。告知運行人員對真空斷路器的觸頭的接觸電阻，行程，開距等參數(shù)做一個檢查，把事故障隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

觸頭電磨損估算法：

        眾所周知，電弧燒損與電弧能量有密切關(guān)系, 而電弧能量又開斷電流與燃弧時間密切相關(guān)，我公司采用累計每次開斷的電磨損量（電弧能量），當(dāng)電磨損量達(dá)到設(shè)定的值后，控制器發(fā)出告警信號，通知運行值班人員對斷路器做檢查。
        總的電磨損量＝N次開斷的電弧能量的累計，其中開斷電流有效值，通過高速采樣芯片易獲得，而燃弧時間卻難獲得，在常規(guī)應(yīng)用中燃弧時間一般用開斷時間來替代，然而多方實踐與開斷實驗證明，用開斷時間替代燃弧時間，此法相對比較粗糙。為此我公司對燃弧時間做了一定優(yōu)化，參考大量對觸頭磨損，燃弧時間分析等文獻(xiàn)結(jié)合國外繼電保護裝置電磨損量的估算法，控制器增加開斷時間計數(shù)功能，開合統(tǒng)計功能，結(jié)合實踐經(jīng)驗（開斷電流過零時間，觸頭彈跳時間，超程運行時間等），把燃弧時間這個變量轉(zhuǎn)化一個相對合理的時間常數(shù)，讓觸頭電磨損估算法更加具有實用性。