500kV SF6斷路器運(yùn)行機(jī)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(zhì)和滅弧介質(zhì)的新型高壓斷路器。按照SF6氣體壓力系統(tǒng)不同，分為單壓力和雙壓力式兩種類(lèi)型。雙壓力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，維護(hù)困難，并要求嚴(yán)格控制水分含量，其斷路容量較大。單壓力式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，氣體壓力低，SF6氣體在低溫下無(wú)液化問(wèn)題，可靠性高，維護(hù)容易，斷路能力可大幅度提高。因此，二十多年來(lái)，世界各國(guó)都側(cè)重發(fā)展單壓力式結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在，500KV變電站采用的FA4-550型六氟化硫高壓斷路器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)FA4型）即為單壓力式結(jié)構(gòu)。下面，主要就FA4型斷路器的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行初探。

一、液壓操作原理

FA4型斷路器的液壓操作機(jī)構(gòu)是用來(lái)使斷路器分閘，維持在合閘狀態(tài)和分閘狀態(tài)的設(shè)備，是利用氮?dú)獯鎯?chǔ)能量，以液壓油作為傳能介質(zhì)，推動(dòng)活塞動(dòng)作，使斷路器分、合閘的新型操作機(jī)構(gòu)。為什么該斷路器不用SF6氣體作為傳遞能量的介質(zhì)，而采用液壓油操作呢？因?yàn)镾F6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(gè)大氣壓，就會(huì)變成液體。所以只能采用液壓操作機(jī)構(gòu)，其動(dòng)作原理為：

FA4型斷路器液壓機(jī)構(gòu)油壓326巴，氮?dú)鈮毫?80巴。油泵起動(dòng)打壓，通過(guò)油流在氮?dú)庵袑C(jī)械能轉(zhuǎn)變成位能。在額定電壓下，可進(jìn)行斷路器的分合閘操作。將操作開(kāi)關(guān)放到合閘位置，合閘電磁鐵向下運(yùn)行，推動(dòng)合閘一級(jí)閥，高壓油流通過(guò)逆止閥進(jìn)入合閘二級(jí)閥。此時(shí)合閘二級(jí)閥高壓油流一方面進(jìn)入合閘二級(jí)閥的上側(cè)使合閘位置自保持，另一方面進(jìn)入信號(hào)缸合閘活塞側(cè)和合閘三級(jí)閥的背面，合閘三級(jí)閥向下運(yùn)動(dòng)，其內(nèi)部高壓油壓加到供、排油閥活塞上，供油閥打開(kāi)，則來(lái)自貯壓器的高壓油進(jìn)入工作缸，加到斷路器絕緣桿活塞，合閘側(cè)（分閘側(cè)經(jīng)常有來(lái)自貯壓器的高壓油），由于合閘側(cè)截面大于分閘側(cè)截面，使絕緣桿向上運(yùn)動(dòng)，斷路器合閘。同時(shí)，高壓油分別作用于信號(hào)缸合閘活塞上（分閘活塞側(cè)經(jīng)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)斷路器分閘時(shí)，分閘電磁鐵帶動(dòng)分閘一級(jí)閥向上運(yùn)動(dòng)，放掉合閘二級(jí)閥背面的壓力，接著合閘三級(jí)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(shí)，則它們必向后面運(yùn)行，放油閥打開(kāi)，高壓油進(jìn)入副油箱中，使斷路器分閘。當(dāng)合閘二級(jí)閥打開(kāi)時(shí)，信號(hào)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(dòng)。行程終了，輔助開(kāi)關(guān)切斷分閘線圈和輔助分閘線圈電流。工作缸和信號(hào)缸分閘活塞側(cè)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(gè)液壓機(jī)構(gòu)原理先進(jìn)，結(jié)構(gòu)合理，動(dòng)作迅速，可靠性較高。

二、滅弧室動(dòng)作過(guò)程及滅弧機(jī)理

FA4型斷路器采用SF6作為斷路器的滅弧介質(zhì)和內(nèi)絕緣。滅弧室為單壓力式結(jié)構(gòu)。其滅弧室的動(dòng)作過(guò)程及滅弧原理為：

（一）當(dāng)FA4型斷路器合閘時(shí)，五聯(lián)箱的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（液壓回路驅(qū)動(dòng)絕緣桿，絕緣桿帶動(dòng)五聯(lián)箱的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）帶動(dòng)滅弧室內(nèi)拉桿分別向：左、右兩臂斜上方運(yùn)動(dòng)（與對(duì)稱(chēng)軸成45°角），運(yùn)動(dòng)速度4±0.6米/秒，運(yùn)動(dòng)到一定位置時(shí)，靜弧觸頭首先插入動(dòng)弧觸頭中，接著動(dòng)觸頭的主觸頭插入觸指中，直到滅弧室內(nèi)拉桿行進(jìn)150±1mm，完成合閘動(dòng)作。在壓氣缸快速向上行進(jìn)中，閥片打開(kāi)，使滅弧室SF6氣體迅速進(jìn)入壓氣缸內(nèi)。合閘時(shí)電流通路為（設(shè)斷路器北柱左側(cè)為電源側(cè)）：電源由斷路器北柱左滅弧室端子進(jìn)入斷路器、靜弧觸頭支座、靜觸頭、動(dòng)觸頭、滑動(dòng)觸頭、缸體，缸體的一端外延形成滅弧室的另一側(cè)接線端子，經(jīng)導(dǎo)電板到右滅弧室的另一側(cè)接線端子上，然后通過(guò)南柱左滅弧室、右滅弧室，最后至線路側(cè)。簡(jiǎn)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(dǎo)電聯(lián)接板，D2為南北柱兩斷路器間導(dǎo)電聯(lián)接板。

（二）當(dāng)斷路器分合閘時(shí)，與合閘動(dòng)作過(guò)程相反。滅弧室內(nèi)拉桿帶動(dòng)觸頭系統(tǒng)快速向斜下方移動(dòng)（與對(duì)稱(chēng)軸成45°角），分閘速度6±0.5米/秒。首先觸指與動(dòng)觸頭脫離接觸，然后動(dòng)弧觸頭和靜弧觸頭分離。在動(dòng)觸頭向斜下方運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，閥片關(guān)閉，壓氣缸內(nèi)腔的SF6氣體被壓縮，經(jīng)噴管吹向電弧，加強(qiáng)去游離（去游包括擴(kuò)散與復(fù)合），高壓氣流從弧柱中帶走大量自由電子和正離子，此現(xiàn)象稱(chēng)擴(kuò)散。同時(shí)，電弧一方面被冷卻，減弱熱游離，減少質(zhì)點(diǎn)碰撞游離；另一方面，高壓氣流壓力很大，單位體積中的質(zhì)點(diǎn)數(shù)增多。這兩方面加強(qiáng)了復(fù)合去游離。并且SF6氣體有很好的負(fù)電性，它的分子能迅速捕捉自由電子形成負(fù)離子，這些負(fù)離子作用十分遲緩，加速了電弧介質(zhì)的恢復(fù)率。去游離大于游離，使電弧熄滅。

三、防止操作過(guò)電壓采取的措施

FA4型斷路器采用四個(gè)滅弧室串聯(lián)的集木式結(jié)構(gòu)，形成多斷口斷路器。為了防止操作過(guò)電壓，在每個(gè)滅弧室上并聯(lián)一個(gè)電容、一個(gè)電阻。如圖（2）示，為斷路器一個(gè)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(gè)主斷口上并聯(lián)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(gè)主斷口上并聯(lián)足夠大的電容后，能提高斷路器的滅弧能力呢？先以?xún)蓴嗫跀嗦菲鳛槔?，研究其電壓分布情況。如圖（3）示，為單相斷路器在斷開(kāi)接地故障后，未并聯(lián)電容前的電壓分布計(jì)算圖。u為電源電壓，在電弧熄滅后，每個(gè)主斷口可看成一個(gè)電容Cd。中間機(jī)構(gòu)箱與斷路器底座間可看成一個(gè)對(duì)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(guò)100PF。假設(shè)Cd=C0，則u1=u（Cd+ Cd）/（2Cd+ Cd）二2u/3； U2==u Cd/（2Cd+Cd）=u/3

由計(jì)算得：兩主斷口并聯(lián)電容前，電壓相差很大。第一個(gè)滅弧室的工作條件顯然比第二個(gè)滅弧室要嚴(yán)重得多。為使兩滅弧室的工作條件接近相等，充分發(fā)揮其滅弧作用，在每個(gè)滅弧室上并聯(lián)一個(gè)比Cd或C0大得多的電容C，稱(chēng)均壓電容。如圖（4）示，并聯(lián)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(jiàn)，主斷口上只要并聯(lián)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(lián)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(kāi)斷容量和過(guò)電壓水平，改善了各主斷口上的電壓分布，不致于操作時(shí)或自動(dòng)合、跳閘時(shí)，使某斷口上過(guò)電壓，而其它斷口上沒(méi)有達(dá)到額定值，從而提高了斷路器的滅弧能力。

為了進(jìn)一步提高斷路器的滅弧性能，限制操作過(guò)電壓，特別是進(jìn)行空載線路重合閘操作時(shí)的過(guò)蟲(chóng)壓，在每個(gè)主斷口上并聯(lián)一個(gè)電阻。如圖（5）示，并聯(lián)電阻是斷路器的輔助斷口，其提前投入時(shí)間主要由靜觸頭和動(dòng)觸頭之間的距離決定。當(dāng)輔助斷口合閘時(shí)，斷路器的絕緣桿通過(guò)五聯(lián)箱的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)自動(dòng)接頭，帶動(dòng)并聯(lián)電阻內(nèi)操作桿，隨操作桿一起運(yùn)動(dòng)，直到合閘動(dòng)觸頭插入靜觸頭，輔助斷口合閘完畢。合閘過(guò)程中，彈簧被壓縮貯能，為分閘作準(zhǔn)備。當(dāng)操作桿繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，操作桿上的擋鐵就被緩沖座所阻，但操作桿仍向前運(yùn)動(dòng)，使擋鐵帶動(dòng)操作桿中穿的頂桿相對(duì)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(dāng)收攏至與動(dòng)觸頭座分離時(shí)，動(dòng)觸座隨同動(dòng)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(shí)已確定；并聯(lián)電阻在主斷口合閘前7—11ms內(nèi)投入，在主斷口合閘若干ms后自動(dòng)解除，這個(gè)時(shí)間是不可調(diào)的，從而可避免斷路器在合閘時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓。斷路器分閘時(shí)，由滅弧室的可靠滅弧，可以保證斷路器不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。

四、提高斷路器沿面放電電壓采取的對(duì)策

FA4型斷路器組成部件中，距底座最近的導(dǎo)電部件中是五聯(lián)箱。五聯(lián)箱是斷路器的一套動(dòng)作分配機(jī)構(gòu)，通過(guò)其中內(nèi)部元件使得支柱絕緣桿的單一上下直線運(yùn)動(dòng)分成四個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。斷路器南北柱每一五聯(lián)箱分別由兩個(gè)滅弧室、兩個(gè)并聯(lián)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(chǎng)，如圖（6示）。1一電極，2一支柱瓷瓶。

五聯(lián)箱本身的形狀和布置已使電場(chǎng)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(chǎng)畸變，不會(huì)顯著降低沿面閃絡(luò)電壓。因不均勻電場(chǎng)的垂直分量較小，沿瓷表面流過(guò)的電容電流又不大，放電過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)熱游離現(xiàn)象。故滑閃電壓很低。對(duì)于500KV的高電壓，不采取高強(qiáng)度的絕緣材料和增加沿面放電路徑的長(zhǎng)度，就會(huì)使沿面閃絡(luò)電壓降低，出現(xiàn)明顯的滑閃電壓。FA4型斷路器支柱絕緣子三節(jié)84個(gè)瓷瓶。因此，為了提高沿面放電電壓，F(xiàn)A4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(luò)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(yīng)從電極的形狀入手，增加電極的曲率半徑，使電極間的電場(chǎng)分布趨于均勻。采用的對(duì)策是在五聯(lián)箱的下部，安裝了均勻環(huán)的方法。

通過(guò)以上初步探討，我們對(duì)500KV SF6斷路器的運(yùn)行機(jī)理有了較深的理解，這不僅對(duì)我們正確操作、檢查和維護(hù)SF6斷路器提供了理論依據(jù)，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(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。endprint