弧觸頭

弧觸頭用耐弧金屬材料製成，是一種常用的電器元件，多與主觸頭配合使用。大容量電容器組用斷路器存在較大的關合涌流，與常規斷路器相比，其關合預擊穿電弧能量大，弧觸頭燒蝕得更嚴重，同時在電弧燒蝕後的高溫下動、靜弧觸頭還會發生機械摩擦，電弧燒蝕與機械摩擦均使弧觸頭質量受損和外形發生變化，產生較為嚴重的侵蝕。

基本介紹

• 中文名：弧觸頭
• 外文名：Arc contact
• 學科：電力工程
• 領域：工程技術
• 範圍：能源
• 材料：耐弧金屬材料

簡介

大容量電容器組用斷路器存在較大的關合涌流，與常規斷路器相比，其關合預擊穿電弧能量大，弧觸頭燒蝕得更嚴重，同時在電弧燒蝕後的高溫下動、靜弧觸頭還會發生機械摩擦，電弧燒蝕與機械摩擦均使弧觸頭質量受損和外形發生變化，產生較為嚴重的侵蝕。我國特高壓系統用電容器組容量大，其使用的斷路器最大關合涌流達到10kA，同時操作頻繁，弧觸頭受侵蝕更快，斷路器電壽命嚴重縮短，國內外均沒有達到3000次操作要求的高壽命斷路器滿足特高壓電容器組投切的需要。

研究滿足要求的大容量電容器組用斷路器需要進行關合侵蝕試驗並獲得受侵蝕弧觸頭的侵蝕狀態，因此，研究有效的測量與評價弧觸頭侵蝕狀態的方法是迫切需要的，同時，對於一般運行的斷路器，弧觸頭侵蝕狀態的測量與評價也是制定斷路器檢修策略的重要依據。迴路電阻測量是常用來評價主觸頭狀態的方法，不能反映弧觸頭的侵蝕狀態。動態接觸電阻(dynamic contact resistancemeasurement，DRM)並結合接觸行程(或稱超程)測量是國際上發展起來的一種評價弧觸頭狀態的方法，該方法是利用斷路器動作過程中弧觸頭先合後分的特點，測量弧觸頭高速運動過程中的動態接觸電阻，依據測量的動態接觸電阻評價弧觸頭的侵蝕狀態。但是對於建立動態接觸電阻與弧觸頭侵蝕狀態之間關係的評價方法還較少，還需要進一步研究。

弧觸頭侵蝕形貌

我國特高壓系統用電容器組容量大，使用的斷路器關合涌流大，關合侵蝕嚴重。對一台特高壓系統用電容器組斷路器進行1100 次10kA電流關合侵蝕試驗後新舊弧觸頭的對比。

靜弧觸頭前端受電弧的燒蝕，其長度直接減短1.5mm，前端22mm被動弧觸指磨損呈尖錐狀，受侵蝕的動弧觸頭內徑增大1.7mm，將受侵蝕的靜弧觸頭插入動弧觸頭，兩者接觸距離比新弧觸頭減小34mm。可將弧觸頭侵蝕變化分成兩個方向，一個是軸向的變化，主要體現在靜弧觸頭縮短、變尖，另一個是徑向的變化，主要體現在靜弧觸頭變細，動弧觸頭內徑增大。

弧觸頭形貌結構與接觸電阻的物理關係

斷路器弧觸頭接觸電阻以往有採用基於球形接觸面之間的接觸電阻計算方法，動、靜弧觸頭間的接觸是金屬材料的面與面接觸，符合格林渥與威靈遜提出的表面凸丘分布的面接觸數學模型，本文基於格林渥與威靈遜的面接觸數學模型推導出了弧觸頭間接觸電阻計算方法，能更準確的反映接觸電阻與弧觸頭形貌結構的物理關係。

根據格林渥與威靈遜的模型，兩個表面粗糙的弧觸頭接觸可用一個具有大量微觀凸丘的接觸面與一個理想的光滑平面接觸表示。由於觸頭間接觸力較大，此處認為均發生了金屬接觸，不考慮表面膜的影響。

動弧觸頭內徑小於靜弧觸頭直徑產生的觸頭間機械壓力；由於動弧觸頭為8觸指，電流經過動弧觸指時產生分流，每個動弧觸指通過的電流為1/8，同方向的電流使動弧觸指間產生的電磁吸力；觸頭接觸時，由於導電面積的改變，使電流線在接觸點處產生收縮，進而產生的電斥力。由於動弧觸頭內徑小於靜弧觸頭直徑，當靜弧觸頭插入動弧觸頭時，動弧觸指被擠壓向外移動的距離。

弧觸頭在軸向的侵蝕會使接觸行程減小，在徑向的侵蝕會使動弧觸指的位移量減小，接觸電阻增大。因此，可採用接觸電阻與接觸行程來反映弧觸頭在徑向與軸向的狀態變化。由於正常斷路器合閘時弧觸頭接觸電阻無法測量，只有在分、合閘動作過程中利用弧觸頭先合後分的特點，採取動態接觸電阻結合行程測量的方法(以下簡稱動態接觸電阻測量)反映弧觸頭侵蝕狀態在徑向與軸向的變化。

弧觸頭動態接觸電阻測量方法

動態接觸電阻測量的方法是將斷路器先合後分，測量合、分過程中的弧觸頭兩端的電壓、電流及動弧觸頭運動的行程信號，動態接觸電阻為電壓與電流的比值。

測量系統要求主要包括：測量電源採用12V蓄電池或超級電容器，內阻不大於1m；電壓採集模組A/D轉換位數採用16位；電流採集採用霍爾電流感測器；信號採樣頻率不小於20k。

行程、電流、動態接觸電阻及電壓曲線的起始階段為斷路器合閘，從弧觸頭接觸開始電壓急劇下降，電流上升，動態接觸電阻由無窮大減小到微歐級；合閘穩定後斷路器為合閘狀態，持續時間約250ms，此時測量的接觸電阻可視為靜態接觸電阻；250ms後斷路器開始分閘，分閘從行程減小開始到電阻值為無窮大時結束，斷路器完全分閘。在合閘階段，弧觸頭間會發生碰撞及彈跳，接觸不穩定，電阻值變化較大，分閘階段，電阻值較穩定，因此，選擇分閘階段的動態接觸電阻能更準確反映弧觸頭間的接觸狀態。

弧觸頭侵蝕狀態評價方法

1.動態接觸電阻評價方法

由於靜弧觸頭直徑變細，動弧觸指位移量減小，觸頭間壓力減小是動態接觸電阻增大的主要因素，本文提出基於動、靜弧觸頭間機械壓力變化的弧觸頭動態接觸電阻平均值評價方法，該方法可以避免接觸行程明顯減小時採用動態接觸電阻與接觸行程兩者積作為判據造成的誤判。

2.接觸行程分析與評價方法

接觸行程的獲得方法是比較測量的動態接觸電阻與行程曲線，從行程曲線的分閘起始點至動、靜弧觸頭金屬分離的距離為接觸行程，取動態接觸電阻增大到1m時表示動、靜弧觸頭的金屬分離。

根據模擬各種弧觸頭接觸行程的測量結果可以看出，接觸行程能夠準確反映弧觸頭變短或變尖的變化，因此，對於接觸行程的評價，可先測量新斷路器接觸行程作為原始值，再對受侵蝕的斷路器接觸行程進行測量，採取比對的方法獲得侵蝕後的接觸行程的變化。

綜上所述，將動態接觸電阻與接觸行程的評價方法共同作為大容量電容器組用斷路器弧觸頭侵蝕狀態評價的方法，能夠較好的反映弧觸頭在徑向與軸向的侵蝕狀態變化。

總結

基於動、靜弧觸頭間機械壓力變化的弧觸頭動態接觸電阻測量與評價方法，當動態接觸電阻平均值大於450μΩ時，認為弧觸頭處於非正常狀態，該方法優點是只根據動態接觸電阻分析，減小了接觸行程的影響；採用侵蝕前後比對的方法評價斷路器弧觸頭的接觸行程。將兩者結合共同作為大容量電容器組用斷路器弧觸頭侵蝕狀態評價方法，能夠較好的反映弧觸頭在徑向與軸向的侵蝕狀態變化。該方法也可用於常規運行斷路器弧觸頭侵蝕狀態的評價，指導制定斷路器的檢修策略。