0 引言

内蒙古电力（集团）有限责任公司（以下简称内蒙古电力公司）于2001年开始投运大量某公司生产的LW13-550型SF6断路器。该型断路器到目前为止运行年限多数已超过10 a，近几年发生多起放电事故。本文以内蒙古超高压供电局断路器放电事故为例，对该型号断路器进行拆卸解体及模拟计算，确定断路器频繁放电原因，并制定改进方案，以确保内蒙古电力公司在运断路器安全稳定运行。

1 LW13-550型SF6断路器放电事故

2017-09-22，内蒙古超高压供电局500 kV永圣域变电站5022 L1相LW13-550型SF6断路器发生放电事故，断路器基本参数为额定电压550 kV，额定电流3150 A，额定短路开断电流50 kA。断路器罐体内壁直径900 mm，灭弧室静侧屏蔽罩为分体式结构。该断路器已经运行15 a以上。

事故发生后，断路器生产厂家对5022 L1相断路器进行了解体检查。结果显示，断路器灭弧室静侧屏蔽罩与罐体内壁间发生击穿放电，如图 1、图 2所示。

2 原因分析

发生放电事故的断路器为引进日本三菱公司技术生产，出厂试验时对地工频耐压790 kV，高于DL/T 593—2016《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》中规定的740 kV，操作冲击耐受电压可达1175 kV，从设计角度看裕度充分^[1]。但是该型号断路器在运行中，依然存在放电事故隐患，即当罐体内部存在微量异物（主要是金属微粒）时易破坏内部绝缘强度，从而诱发放电事故，因此对断路器罐体内有金属微粒时的电场强度进行模拟计算^[2-4]。

2.1 灭弧室屏蔽罩和金属微粒表面电场强度计算

SF6断路器采用稍不均匀电场结构，其对电场的均匀性十分敏感，如果存在金属微粒，可使局部电场强化，其放电特性与极不均匀电场间隙相近。本文通过计算机模拟电场，对屏蔽罩延面的电场进行分析。

正常情况下，施加电压1675 kV时，电场强度最大为25 kV/mm。屏蔽罩延面的电场等位线如图 3所示。假设屏蔽罩安装最大错位为5 mm，在罐体底部人为制造大小为5 mm×1 mm的金属微粒，计算屏蔽罩延面和金属微粒表面的电场强度。计算结果显示，最大电场强度转移到金属微粒表面，为29 kV/ mm（见图 4）。

在断路器罐体内壁直径从900 mm增至1000 mm、屏蔽罩改为整体结构的情况下，当罐体底部有5 mm×1mm大小的金属微粒时，施加电压1675 kV，屏蔽罩延面电场强度减小到22 kV/mm（如图 5），金属微粒引起罐体表面的电场强度减小到17 kV/mm（如图 6）。说明罐体内径增大，可降低屏蔽罩延面电场强度，从而有效降低金属微粒表面电场强度^[5]。

2.2 金属微粒的产生途径

本次发生故障的断路器罐体内的金属微粒可能来源于以下途径。

（1）在生产工厂装配时带入，如螺丝孔残留金属异物（见图 7）。

（2）在设备安装期间带入。在现场安装过程中因环境管控措施不到位、土建交叉施工，粉尘异物极易进入断路器罐体内部，安装完成后未清理干净而造成异物残留。

（3）断路器开断短路电流产生SF₆气体分解物。SF₆气体在断路器开断过程中经电弧高温分解，在电弧的作用下与罐体内部的其他气体杂质发生化学反应，产生硫化物及氟化物等固态粉末^[6]。

（4）断路器在分、合闸操作时触头间刮擦产生金属异物。

（5）断路器开断过程中，在电弧的作用下触头被烧损产生金属异物。

2.3 原因确定

本次发生故障的断路器罐体内壁直径900 mm（不带粒子捕捉器），灭弧室屏蔽罩距离罐体内壁150 mm，罐体内壁直径偏小，绝缘裕度较低。金属微粒经上述可能途径进入断路器罐体，在电场作用下被极化，受电场及气流变化的影响聚集在罐体底部，并向断路器内部电场强度较高的部位移动，当电网偶然产生过电压时，引发了放电事故。

3 改进措施及效果

针对LW13-550型SF6断路器故障原因，从设备结构和工艺措施方面制定了改进方案^[7]。

3.1 增设粒子捕捉器

在断路器罐体上（对应灭弧室静侧屏蔽罩位置）增设了粒子捕捉器，既可以捕捉金属微粒，使金属微粒无害化，又可以增大灭弧室均压屏蔽罩到罐体的绝缘距离，从而提高绝缘裕度。

3.2 优化断路器结构

（1）将断路器罐体内壁直径从900 mm增大到1000 mm，以提高绝缘裕度。

（2）优化静主触头结构，以减轻触头间机械磨损。原静主触头为两瓣式结构，这种结构在灭弧室中容易发生磨损。将静触头改为整体结构，确保触头间对中良好，以避免主触头之间发生磨损而产生金属微粒。改造前后静主触头见图 8所示。

（3）灭弧室静侧屏蔽罩由分体式结构改为整体式结构。在不改变灭弧室静侧屏蔽罩外形尺寸的前提下，将灭弧室均压屏蔽罩改为整体旋压成型，以避免2个屏蔽罩间由于制造尺寸公差出现装配接缝现象^[8]。改造前后灭弧室静侧屏蔽罩见图 9。

3.3 改进生产工艺

对新投运的LW13-550型SF6断路器的生产工艺进行了如下改进。

（1）采用新型润滑材料代替微碳导电酯，有效减少了由于机械摩擦产生的金属粉末。

（2）按照国家电网新标准要求，在断路器出厂时，先进行200次机械操作试验，以保证触头的充分磨合。操作试验完成后，彻底清理断路器罐体及内部零部件，再进行其他出厂试验，试验合格后方可出厂。

目前，已对丰泉500 kV变电站、乌海500 kV变电站、高新500 kV变电站所属多台LW13-550型SF6断路器进行了改造，改造后的断路器运行状况良好，再未发生过放电事故。

4 建议

建议对内蒙古电力公司目前在运的该型号断路器全部进行罐体改造，即由900 mm罐体改造成1000 mm罐体，并加装粒子捕捉器，从根本上消除该型号断路器因结构问题导致的设计缺陷，以保证设备的安全稳定运行。