淺析高壓斷路器的電氣聯(lián)動與機(jī)械聯(lián)動

中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司 湖北 武漢 430000

在電力系統(tǒng)中,牽引變電所主變進(jìn)線間隔的斷路器要求三相聯(lián)動操作,以保證在系統(tǒng)發(fā)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(guān)鍵設(shè)備牽引變壓器的安全。斷路器的傳動方式有三相電氣聯(lián)動和三相機(jī)械聯(lián)動兩種傳動方式。三相電氣聯(lián)動通常為一臺斷路器的三相分別由三臺操動機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合閘操作,通過二次回路對三臺操動機(jī)構(gòu)同時發(fā)出分合閘命令,也可以對其中的一相或兩相進(jìn)行分合閘,且斷路器本體具有非全相保護(hù)功能。而三相機(jī)械聯(lián)動是通過一套機(jī)械傳動裝置將一臺操作機(jī)構(gòu)與斷路器的三相柱連接在一起,一臺操動機(jī)構(gòu)同時操作該斷路器的三相,不能進(jìn)行分相操作。其兩種傳動方式各有優(yōu)缺點。

1 三相電氣聯(lián)動與三相機(jī)械聯(lián)動的選擇比較

在220kV的電力系統(tǒng)中,由于架空線路的線間距離大,發(fā)生的故障大部分是單相接地故障,而發(fā)生相間故障的機(jī)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(shè)可以分相操作的斷路器。當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,只把發(fā)生故障的一相斷開,然后進(jìn)行重合閘,而未發(fā)生故障的兩相一直保持閉合狀態(tài),維持系統(tǒng)的持續(xù)運行。這樣,不僅可以大大提高供電的可靠性和系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性,而且還可以減少相間故障的發(fā)生。而在線路上發(fā)生相間故障時,仍然跳開三相斷路器,而后進(jìn)行三相自動重合閘。因此,對于220kV電力系統(tǒng)中,線路側(cè)選用三相電氣聯(lián)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(lián)動的斷路器相比,三相機(jī)械聯(lián)動的斷路器是由一臺操動機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)等配套設(shè)施通常都在工廠已調(diào)試好,且整件整體運輸,現(xiàn)場安裝調(diào)試時幾乎不需再對斷路器的特性進(jìn)行調(diào)試。與三相機(jī)械聯(lián)動的戶外瓷柱式斷路器相比,不用安裝調(diào)試相間連接的長連桿。由于現(xiàn)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(cè)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(jī)械方面的原因使三相不能同時閉合或分?jǐn)?或在正常運行中突然一相跳閘 ,且斷路器的非全相保護(hù)功能又因某種原因未起動,則將致使三相電流嚴(yán)重不平衡,長時間非全相運行將產(chǎn)生很大的負(fù)序電流和零序電流。負(fù)序電流流過變壓器將產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場,在勵磁線圈和阻尼線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流,引起附加損耗,損壞變壓器定子線圈,嚴(yán)重時燒壞轉(zhuǎn)子線圈,使變壓器產(chǎn)生振動等。而零序電流將嚴(yán)重干擾鄰近的通信設(shè)施,因此變壓器組高壓側(cè)應(yīng)選用三相機(jī)械聯(lián)動的斷路器。相應(yīng)地,220kV母聯(lián)間隔也應(yīng)采用三相機(jī)械聯(lián)動的斷路器。由于母聯(lián)開關(guān)如果處于非全相運行,有可能引起母線電壓、電流嚴(yán)重不平衡,造成保護(hù)誤動或嚴(yán)重過電壓,危及站內(nèi)人身和設(shè)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(cè)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(jī)械方面的原因使三相不能同時閉合或分?jǐn)?或在正常運行中突然一相跳閘 ,且斷路器的非全相保護(hù)功能又因某種原因未起動,則將致使三相電流嚴(yán)重不平衡,長時間非全相運行將產(chǎn)生很大的負(fù)序電流和零序電流。負(fù)序電流流過變壓器將產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場,在勵磁線圈和阻尼線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電流,引起附加損耗,損壞變壓器定子線圈,嚴(yán)重時燒壞轉(zhuǎn)子線圈,使變壓器產(chǎn)生振動等。而零序電流將嚴(yán)重干擾鄰近的通信設(shè)施,因此變壓器組高壓側(cè)應(yīng)選用三相機(jī)械聯(lián)動的斷路器。相應(yīng)地,220kV母聯(lián)間隔也應(yīng)采用三相機(jī)械聯(lián)動的斷路器。由于母聯(lián)開關(guān)如果處于非全相運行,有可能引起母線電壓、電流嚴(yán)重不平衡,造成保護(hù)誤動或嚴(yán)重過電壓,危及站內(nèi)人身和設(shè)備安全。

（鄧湖牽引所220kV斷路器）

2 三相電氣聯(lián)動與三相機(jī)械聯(lián)動的故障分析比較

據(jù)CICRE(國際大電網(wǎng)組織)對SF6斷路器進(jìn)行的可靠性調(diào)查,因操動機(jī)構(gòu)故障造成的失效占總失效數(shù)的64.8%,其中二次電氣控制和輔助回路故障占21%,操動機(jī)構(gòu)機(jī)械故障占43.8%。而操動機(jī)構(gòu)包括2個部分,一是機(jī)械傳動部分；二是包括控制機(jī)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(jī)構(gòu)故障且機(jī)械故障占有較大比例。不同操動機(jī)構(gòu)故障情況從中可以看出彈簧操動機(jī)構(gòu)故障次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液壓及氣動機(jī)構(gòu)其可靠性相對較高。

三相電氣聯(lián)動的高壓斷路器一般采用三個獨立操動機(jī)構(gòu)通過匯控箱使機(jī)構(gòu)之間通過電氣連接來實現(xiàn)三相聯(lián)動各相機(jī)構(gòu)傳動輸出軸直接與極柱相連在保護(hù)裝置上采用三相位置不一致繼電器啟動跳閘。三相機(jī)械聯(lián)動的高壓斷路器一般采用一個操動機(jī)構(gòu),斷路器三個極柱與操動機(jī)構(gòu)之間通過操作桿聯(lián)接。彈簧機(jī)構(gòu)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(jī)械聯(lián)動聽發(fā)生的機(jī)率應(yīng)是相同的。區(qū)別在于彈簧機(jī)構(gòu)內(nèi)部的機(jī)械故障的不同以及彈簧機(jī)構(gòu)與本體之間的機(jī)械故障的不同。

①機(jī)構(gòu)與本體之間出現(xiàn)故障的可能。與電氣聯(lián)動相比機(jī)械聯(lián)動的斷路器安裝要困難得多,它需要在三極之間進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整才能確保三極之間的機(jī)械聯(lián)接在允許誤差范圍之內(nèi)并保證其同期性。一般情況下由于現(xiàn)場施工條件比較簡陋,斷路器基礎(chǔ)及支架尺寸也會有偏差,再加上施工人員技術(shù)素質(zhì)不同,很難滿足安裝的要求。機(jī)械部分變形損壞在機(jī)構(gòu)部分故障中所占的比例達(dá)到23%。因此現(xiàn)場安裝調(diào)試難度加大會造成運行后故障的增多。而電氣聯(lián)動操動機(jī)構(gòu)由于機(jī)構(gòu)與斷路器極柱直接連接出現(xiàn)該故障的機(jī)率就少多了。其次,對于機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)各極上的力和能量的傳遞是不一樣的,離機(jī)構(gòu)最近的一極將承受比較大的機(jī)械應(yīng)力。各極之間的振動也不一樣離機(jī)構(gòu)最近的一極其振動程度最嚴(yán)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(fā)生改變而這種改變的后果是嚴(yán)重的。最后機(jī)械連桿內(nèi)部的應(yīng)力會隨著相間距離的變化而增大。

②機(jī)構(gòu)本身故障可能性。彈簧機(jī)構(gòu)斷路器的故障次數(shù)要遠(yuǎn)低于液壓和氣動機(jī)構(gòu)斷路器的故障次數(shù),但三相聯(lián)動機(jī)構(gòu)與電氣聯(lián)動機(jī)構(gòu)相比,前者所需操作功比后者要大的多產(chǎn)生的應(yīng)力和振動就大,對機(jī)構(gòu)的破壞就大。當(dāng)然,對各制造商來說其產(chǎn)品性能與其制造質(zhì)量、工藝水平有很大關(guān)系用戶可以選用年平均故障率低、質(zhì)量可靠的制造商的產(chǎn)品以降低故障率但總的說三相聯(lián)動機(jī)構(gòu)故障率遠(yuǎn)大于電氣聯(lián)動機(jī)構(gòu)故障率。

3 三相電氣聯(lián)動和三相機(jī)械聯(lián)動比較總結(jié)

結(jié)合以上的內(nèi)容比較,大致可以看出三相電氣聯(lián)動和三相機(jī)械聯(lián)動斷路器的以下不同點：

序號 比較項目 三相電氣聯(lián)動 三相機(jī)械聯(lián)動1分相操作 能 不能2傳動裝置 3套,簡單 1套,復(fù)雜3二次回路 復(fù)雜 簡單4 每臺斷路器配操作機(jī)構(gòu) 3臺,操作功小 1臺,操作功大5分合閘同期性 不利于調(diào)節(jié) 易于調(diào)節(jié)6單相重合閘 能 不能7制造成本 高 低

4 結(jié)束語

三相電氣聯(lián)動和機(jī)械聯(lián)動的斷路器分別具有不同的優(yōu)缺點,對于一套GIS設(shè)備來說,應(yīng)根據(jù)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(dāng)然鐵路等級規(guī)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(fù)荷較大,因此選擇便于調(diào)節(jié)和控制分合閘同期性的三相機(jī)械聯(lián)動的GL314型的斷路器也是有一定的原因的。