淺析高壓斷路器的電氣聯動與機械聯動

中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

在電力系統中,牽引變電所主變進線間隔的斷路器要求三相聯動操作,以保證在系統發生故障時能三相同時開斷線路,在故障排除后又能三相同時接通線路,避免缺相運行,以確保變電所關鍵設備牽引變壓器的安全。斷路器的傳動方式有三相電氣聯動和三相機械聯動兩種傳動方式。三相電氣聯動通常為一臺斷路器的三相分別由三臺操動機構進行分合閘操作,通過二次回路對三臺操動機構同時發出分合閘命令,也可以對其中的一相或兩相進行分合閘,且斷路器本體具有非全相保護功能。而三相機械聯動是通過一套機械傳動裝置將一臺操作機構與斷路器的三相柱連接在一起,一臺操動機構同時操作該斷路器的三相,不能進行分相操作。其兩種傳動方式各有優缺點。

1 三相電氣聯動與三相機械聯動的選擇比較

在220kV的電力系統中,由于架空線路的線間距離大,發生的故障大部分是單相接地故障,而發生相間故障的機會非常少,并且絕大部分故障都是瞬時性單相接地造成的故障。因此,在線路上裝設可以分相操作的斷路器。當發生單相接地故障時,只把發生故障的一相斷開,然后進行重合閘,而未發生故障的兩相一直保持閉合狀態,維持系統的持續運行。這樣,不僅可以大大提高供電的可靠性和系統并列運行的穩定性,而且還可以減少相間故障的發生。而在線路上發生相間故障時,仍然跳開三相斷路器,而后進行三相自動重合閘。因此,對于220kV電力系統中,線路側選用三相電氣聯動并具備帶有單相操作的功能的斷路器,具有十分重要的意義。

與三相電氣聯動的斷路器相比,三相機械聯動的斷路器是由一臺操動機構操作斷路器的三相,涉及的零部件較少、控制回路簡單,并且其傳動裝置、操動機構等配套設施通常都在工廠已調試好,且整件整體運輸,現場安裝調試時幾乎不需再對斷路器的特性進行調試。與三相機械聯動的戶外瓷柱式斷路器相比,不用安裝調試相間連接的長連桿。由于現場安裝的原因造成斷路器非全相運行的可能小,對變壓器組高壓側的斷路器來說,如果采用具有分相操作的斷路器,常由于誤操作或機械方面的原因使三相不能同時閉合或分斷,或在正常運行中突然一相跳閘 ,且斷路器的非全相保護功能又因某種原因未起動,則將致使三相電流嚴重不平衡,長時間非全相運行將產生很大的負序電流和零序電流。負序電流流過變壓器將產生負序旋轉磁場,在勵磁線圈和阻尼線圈上產生感應電流,引起附加損耗,損壞變壓器定子線圈,嚴重時燒壞轉子線圈,使變壓器產生振動等。而零序電流將嚴重干擾鄰近的通信設施,因此變壓器組高壓側應選用三相機械聯動的斷路器。相應地,220kV母聯間隔也應采用三相機械聯動的斷路器。由于母聯開關如果處于非全相運行,有可能引起母線電壓、電流嚴重不平衡,造成保護誤動或嚴重過電壓,危及站內人身和設備安全。

原因造成斷路器非全相運行的可能小,對變壓器組高壓側的斷路器來說,如果采用具有分相操作的斷路器,常由于誤操作或機械方面的原因使三相不能同時閉合或分斷,或在正常運行中突然一相跳閘 ,且斷路器的非全相保護功能又因某種原因未起動,則將致使三相電流嚴重不平衡,長時間非全相運行將產生很大的負序電流和零序電流。負序電流流過變壓器將產生負序旋轉磁場,在勵磁線圈和阻尼線圈上產生感應電流,引起附加損耗,損壞變壓器定子線圈,嚴重時燒壞轉子線圈,使變壓器產生振動等。而零序電流將嚴重干擾鄰近的通信設施,因此變壓器組高壓側應選用三相機械聯動的斷路器。相應地,220kV母聯間隔也應采用三相機械聯動的斷路器。由于母聯開關如果處于非全相運行,有可能引起母線電壓、電流嚴重不平衡,造成保護誤動或嚴重過電壓,危及站內人身和設備安全。

（鄧湖牽引所220kV斷路器）

2 三相電氣聯動與三相機械聯動的故障分析比較

據CICRE(國際大電網組織)對SF6斷路器進行的可靠性調查,因操動機構故障造成的失效占總失效數的64.8%,其中二次電氣控制和輔助回路故障占21%,操動機構機械故障占43.8%。而操動機構包括2個部分,一是機械傳動部分；二是包括控制機械部分合、分操作的控制回路和輔助回路的二次元件。資料表明,目前斷路器主要故障為操動機構故障且機械故障占有較大比例。不同操動機構故障情況從中可以看出彈簧操動機構故障次數遠遠低于液壓及氣動機構其可靠性相對較高。

三相電氣聯動的高壓斷路器一般采用三個獨立操動機構通過匯控箱使機構之間通過電氣連接來實現三相聯動各相機構傳動輸出軸直接與極柱相連在保護裝置上采用三相位置不一致繼電器啟動跳閘。三相機械聯動的高壓斷路器一般采用一個操動機構,斷路器三個極柱與操動機構之間通過操作桿聯接。彈簧機構和極柱之間為直接連接,對絕緣擊穿和斷路器無法開斷或操作這兩種故障電氣或機械聯動聽發生的機率應是相同的。區別在于彈簧機構內部的機械故障的不同以及彈簧機構與本體之間的機械故障的不同。

①機構與本體之間出現故障的可能。與電氣聯動相比機械聯動的斷路器安裝要困難得多,它需要在三極之間進行準確的調整才能確保三極之間的機械聯接在允許誤差范圍之內并保證其同期性。一般情況下由于現場施工條件比較簡陋,斷路器基礎及支架尺寸也會有偏差,再加上施工人員技術素質不同,很難滿足安裝的要求。機械部分變形損壞在機構部分故障中所占的比例達到23%。因此現場安裝調試難度加大會造成運行后故障的增多。而電氣聯動操動機構由于機構與斷路器極柱直接連接出現該故障的機率就少多了。其次,對于機械聯動機構各極上的力和能量的傳遞是不一樣的,離機構最近的一極將承受比較大的機械應力。各極之間的振動也不一樣離機構最近的一極其振動程度最嚴重。此外,由于大氣溫度的變化金屬會熱脹冷縮連桿長度的變化會使斷路器的分合閘時的位置發生改變而這種改變的后果是嚴重的。最后機械連桿內部的應力會隨著相間距離的變化而增大。

②機構本身故障可能性。彈簧機構斷路器的故障次數要遠低于液壓和氣動機構斷路器的故障次數,但三相聯動機構與電氣聯動機構相比,前者所需操作功比后者要大的多產生的應力和振動就大,對機構的破壞就大。當然,對各制造商來說其產品性能與其制造質量、工藝水平有很大關系用戶可以選用年平均故障率低、質量可靠的制造商的產品以降低故障率但總的說三相聯動機構故障率遠大于電氣聯動機構故障率。

3 三相電氣聯動和三相機械聯動比較總結

結合以上的內容比較,大致可以看出三相電氣聯動和三相機械聯動斷路器的以下不同點：

序號 比較項目 三相電氣聯動 三相機械聯動1分相操作 能 不能2傳動裝置 3套,簡單 1套,復雜3二次回路 復雜 簡單4 每臺斷路器配操作機構 3臺,操作功小 1臺,操作功大5分合閘同期性 不利于調節 易于調節6單相重合閘 能 不能7制造成本 高 低

4 結束語

三相電氣聯動和機械聯動的斷路器分別具有不同的優缺點,對于一套GIS設備來說,應根據其斷路器在主接線形式中所處的位置和使用情況,選擇不同傳動方式的斷路器。當然鐵路等級規格,建造成本與斷路器所處位置的操作頻率等綜合因素也是不得不考量的。蒙華鐵路作為國家級的煤運通道工程,并且后期運載負荷較大,因此選擇便于調節和控制分合閘同期性的三相機械聯動的GL314型的斷路器也是有一定的原因的。