500kV SF6斷路器運行機理初探

趙永昌

六氟化硫斷路器是利用SF6氣體作為絕緣介質和滅弧介質的新型高壓斷路器。按照SF6氣體壓力系統不同，分為單壓力和雙壓力式兩種類型。雙壓力結構比較復雜，維護困難，并要求嚴格控制水分含量，其斷路容量較大。單壓力式結構簡單，易于制造，氣體壓力低，SF6氣體在低溫下無液化問題，可靠性高，維護容易，斷路能力可大幅度提高。因此，二十多年來，世界各國都側重發展單壓力式結構，現在，500KV變電站采用的FA4-550型六氟化硫高壓斷路器（以下簡稱FA4型）即為單壓力式結構。下面，主要就FA4型斷路器的運行機理進行初探。

一、液壓操作原理

FA4型斷路器的液壓操作機構是用來使斷路器分閘，維持在合閘狀態和分閘狀態的設備，是利用氮氣存儲能量，以液壓油作為傳能介質，推動活塞動作，使斷路器分、合閘的新型操作機構。為什么該斷路器不用SF6氣體作為傳遞能量的介質，而采用液壓油操作呢？因為SF6氣體的使用壓力不能太低，容易液化。若溫度在20℃，壓力為20個大氣壓，就會變成液體。所以只能采用液壓操作機構，其動作原理為：

FA4型斷路器液壓機構油壓326巴，氮氣壓力180巴。油泵起動打壓，通過油流在氮氣中將機械能轉變成位能。在額定電壓下，可進行斷路器的分合閘操作。將操作開關放到合閘位置，合閘電磁鐵向下運行，推動合閘一級閥，高壓油流通過逆止閥進入合閘二級閥。此時合閘二級閥高壓油流一方面進入合閘二級閥的上側使合閘位置自保持，另一方面進入信號缸合閘活塞側和合閘三級閥的背面，合閘三級閥向下運動，其內部高壓油壓加到供、排油閥活塞上，供油閥打開，則來自貯壓器的高壓油進入工作缸，加到斷路器絕緣桿活塞，合閘側（分閘側經常有來自貯壓器的高壓油），由于合閘側截面大于分閘側截面，使絕緣桿向上運動，斷路器合閘。同時，高壓油分別作用于信號缸合閘活塞上（分閘活塞側經常有高壓油），因合閘活塞面積大于分閘活塞面積，使活塞向合閘方向運動。當斷路器分閘時，分閘電磁鐵帶動分閘一級閥向上運動，放掉合閘二級閥背面的壓力，接著合閘三級閥背面的壓力被釋放，供、排油閥后面的高壓油也很快放壓。由于供、排油閥前面是高壓油，此時，則它們必向后面運行，放油閥打開，高壓油進入副油箱中，使斷路器分閘。當合閘二級閥打開時，信號缸合閘活塞后面油壓也被放掉，處于常高壓的分閘活塞由于受到高壓油的作用，就往分閘方向移動。行程終了，輔助開關切斷分閘線圈和輔助分閘線圈電流。工作缸和信號缸分閘活塞側均處于貯壓器高壓。油的作用下，使其活塞保持在分閘位置。整個液壓機構原理先進，結構合理，動作迅速，可靠性較高。

二、滅弧室動作過程及滅弧機理

FA4型斷路器采用SF6作為斷路器的滅弧介質和內絕緣。滅弧室為單壓力式結構。其滅弧室的動作過程及滅弧原理為：

（一）當FA4型斷路器合閘時，五聯箱的傳動機構（液壓回路驅動絕緣桿，絕緣桿帶動五聯箱的傳動機構）帶動滅弧室內拉桿分別向：左、右兩臂斜上方運動（與對稱軸成45°角），運動速度4±0.6米/秒，運動到一定位置時，靜弧觸頭首先插入動弧觸頭中，接著動觸頭的主觸頭插入觸指中，直到滅弧室內拉桿行進150±1mm，完成合閘動作。在壓氣缸快速向上行進中，閥片打開，使滅弧室SF6氣體迅速進入壓氣缸內。合閘時電流通路為（設斷路器北柱左側為電源側）：電源由斷路器北柱左滅弧室端子進入斷路器、靜弧觸頭支座、靜觸頭、動觸頭、滑動觸頭、缸體，缸體的一端外延形成滅弧室的另一側接線端子，經導電板到右滅弧室的另一側接線端子上，然后通過南柱左滅弧室、右滅弧室，最后至線路側。簡化的電路圖如圖（1）示，K1、K2、K3、K4為斷路器主斷口，Dl、D3為同一斷路器兩滅弧室間導電聯接板，D2為南北柱兩斷路器間導電聯接板。

（二）當斷路器分合閘時，與合閘動作過程相反。滅弧室內拉桿帶動觸頭系統快速向斜下方移動（與對稱軸成45°角），分閘速度6±0.5米/秒。首先觸指與動觸頭脫離接觸，然后動弧觸頭和靜弧觸頭分離。在動觸頭向斜下方運動過程中，閥片關閉，壓氣缸內腔的SF6氣體被壓縮，經噴管吹向電弧，加強去游離（去游包括擴散與復合），高壓氣流從弧柱中帶走大量自由電子和正離子，此現象稱擴散。同時，電弧一方面被冷卻，減弱熱游離，減少質點碰撞游離；另一方面，高壓氣流壓力很大，單位體積中的質點數增多。這兩方面加強了復合去游離。并且SF6氣體有很好的負電性，它的分子能迅速捕捉自由電子形成負離子，這些負離子作用十分遲緩，加速了電弧介質的恢復率。去游離大于游離，使電弧熄滅。

三、防止操作過電壓采取的措施

FA4型斷路器采用四個滅弧室串聯的集木式結構，形成多斷口斷路器。為了防止操作過電壓，在每個滅弧室上并聯一個電容、一個電阻。如圖（2）示，為斷路器一個斷口的電路圖，K1為主斷口，K2為鋪助斷口，C為2500PF的均壓電容，R為100±50的合閘電阻。在每個主斷口上并聯電容，目的是為了使各斷口上的電壓分布均勻，提高斷路器的滅弧能力。為什么每個主斷口上并聯足夠大的電容后，能提高斷路器的滅弧能力呢？先以兩斷口斷路器為例，研究其電壓分布情況。如圖（3）示，為單相斷路器在斷開接地故障后，未并聯電容前的電壓分布計算圖。u為電源電壓，在電弧熄滅后，每個主斷口可看成一個電容Cd。中間機構箱與斷路器底座間可看成一個對地電容C0。兩主斷口上的電壓分別為u1，u2于是兩主斷口上的電壓是：u1=u（Cd+C0）/（2Cd+C0），u2=uCd/（2Cd+C0），Cd與C0通常不超過100PF。假設Cd=C0，則u1=u（Cd+ Cd）/（2Cd+ Cd）二2u/3； U2==u Cd/（2Cd+Cd）=u/3

由計算得：兩主斷口并聯電容前，電壓相差很大。第一個滅弧室的工作條件顯然比第二個滅弧室要嚴重得多。為使兩滅弧室的工作條件接近相等，充分發揮其滅弧作用，在每個滅弧室上并聯一個比Cd或C0大得多的電容C，稱均壓電容。如圖（4）示，并聯均壓電容后的電壓分布是：endprint

U1={（C+ Cd）+C0}/[2（C+ Cd）+C0]；

U2=U（C+ Cd）/[2（C+ Cd）+C0]

由于C值很大，若忽略C0，則

U1≈u（C+ Cd）/2（C+ Cd）二U/2；

U2≈u（C+ Cd）/2（C+ Cd）二U/2

可見，主斷口上只要并聯電容足夠大，兩斷口上的電壓分布接近相等。

同理，500KVFA4型四斷口斷路器，各斷口并聯2500PF電容電壓分布為：u1≈u2≈u3≈u4≈1/4u，基本相等，從而提高了斷路器的開斷容量和過電壓水平，改善了各主斷口上的電壓分布，不致于操作時或自動合、跳閘時，使某斷口上過電壓，而其它斷口上沒有達到額定值，從而提高了斷路器的滅弧能力。

為了進一步提高斷路器的滅弧性能，限制操作過電壓，特別是進行空載線路重合閘操作時的過蟲壓，在每個主斷口上并聯一個電阻。如圖（5）示，并聯電阻是斷路器的輔助斷口，其提前投入時間主要由靜觸頭和動觸頭之間的距離決定。當輔助斷口合閘時，斷路器的絕緣桿通過五聯箱的傳動機構，經自動接頭，帶動并聯電阻內操作桿，隨操作桿一起運動，直到合閘動觸頭插入靜觸頭，輔助斷口合閘完畢。合閘過程中，彈簧被壓縮貯能，為分閘作準備。當操作桿繼續向前運動，操作桿上的擋鐵就被緩沖座所阻，但操作桿仍向前運動，使擋鐵帶動操作桿中穿的頂桿相對向后退，到一定位置頂桿前部退出脫扣爪，使脫扣爪兩件合攏。當收攏至與動觸頭座分離時，動觸座隨同動觸頭在彈簧的作用下迅速后退，完成分閘。FA4型斷路器在制造時已確定；并聯電阻在主斷口合閘前7—11ms內投入，在主斷口合閘若干ms后自動解除，這個時間是不可調的，從而可避免斷路器在合閘時產生的過電壓。斷路器分閘時，由滅弧室的可靠滅弧，可以保證斷路器不會產生過電壓。

四、提高斷路器沿面放電電壓采取的對策

FA4型斷路器組成部件中，距底座最近的導電部件中是五聯箱。五聯箱是斷路器的一套動作分配機構，通過其中內部元件使得支柱絕緣桿的單一上下直線運動分成四個方向的直線運動。斷路器南北柱每一五聯箱分別由兩個滅弧室、兩個并聯電阻和支柱裝配。箱體與底座間形成具有垂直分量的極不均勻電場，如圖（6示）。1一電極，2一支柱瓷瓶。

五聯箱本身的形狀和布置已使電場分布很不均勻，因而支柱絕緣子表面積聚的電荷使電位重新分布所造成的電場畸變，不會顯著降低沿面閃絡電壓。因不均勻電場的垂直分量較小，沿瓷表面流過的電容電流又不大，放電過程中不會出現熱游離現象。故滑閃電壓很低。對于500KV的高電壓，不采取高強度的絕緣材料和增加沿面放電路徑的長度，就會使沿面閃絡電壓降低，出現明顯的滑閃電壓。FA4型斷路器支柱絕緣子三節84個瓷瓶。因此，為了提高沿面放電電壓，FA4型斷路器一方面增加了絕緣子的高度，另一方面將支柱絕緣子做成波紋形狀，具有凸出的一些裙邊。絕緣子帶有裙邊，可以增加電極間瓷表面的放電路徑，從而提高了絕緣子表面的閃絡電壓。由于絕緣子高度的增大，沿面放電電壓分布就更不均勻。為了使放電電壓分布均勻，首先應從電極的形狀入手，增加電極的曲率半徑，使電極間的電場分布趨于均勻。采用的對策是在五聯箱的下部，安裝了均勻環的方法。

通過以上初步探討，我們對500KV SF6斷路器的運行機理有了較深的理解，這不僅對我們正確操作、檢查和維護SF6斷路器提供了理論依據，而且待SF6斷路器出了故障后，可以幫助我們迅速查找原因，排除故障，縮小故障范圍，減少故障損失，確保電網安全穩定運行。endprint