高压断路器与操动机构

高压断路器与操动机构 高压断路器与操动机构 张裕生 (重庆新汇源高压开关有限公司) 摘要；本文综述了高压断路器与操动机构的发展；分析了 各类操动机构的优缺点；指出了高压断路器配用操动机构 的发展方向。 1高压断路器的发展概况 高压断路器由于新的绝缘和灭弧介质的研制 和发展，由最初的磁吹断路器发展到压缩空气断 路器、多油断路器、少油断路器、真空和sF。断 路器。 1)磁吹断路器 磁吹断路器的灭弧室为空气狭缝式，开断时 利用电弧自身产生的电磁力将电弧引入灭弧室中 拉长和去游离，因而熄弧时间长，电弧电压高。 为使断开的空气间隙有足够的绝缘恢复强度，要 求在分闸过程中电弧能够迅速转移到弧角上，而 且动触头要有较高的分闸速度，允许分闸时间短 于燃弧时间，开距由绝缘水平决定。在开断小电 流时，由于电磁力极小，还需依靠与动触头联动 的吹气装置，帮助电弧进入灭弧室中。此装置消 耗操作功，但在行程后期也起一定的分闸缓冲作 用。 磁吹断路器开断电流小，一般用在3-15kV 的配电设备中，适宜于在小容量的保护，控制和 频繁操作的场合。由于操作功相对较小，一般配 用电磁操动机构或小型弹簧操动机构。油断路器 的发展，基本上取代了磁吹断路器。 ’2)压缩空气断路器 压缩空气断路器的灭弧室用压缩空气作绝缘 和灭弧介质。开断时利用压缩空气气流吹弧和去 游离并建立弧后绝缘。灭弧室的特点是从燃弧开 始，气吹就十分强烈，电流过零过后，介质绝缘 强度的恢复开始缓慢，最后则绝缘强度较高。因 而，对开断空载长线极为有利，能给灭弧室并联 电阻起到增容效果。 在高压和超高压的压缩空气断路器中使用的 大多是纵吹灭弧室。多配用早期的气动操动机构。 由于体积大、压力高、操作功大、噪声大，少油 断路器的发展已经取代了压缩空气断路器。 3)多油断路器 多油断路器用较多的绝缘油作绝缘和灭弧介 质。开断时利用电弧的高温将油分解气化(大部分 为氢气)形成熄弧气流，冷却和去游离，加上灭弧 室的气吹，电流过零时使电弧熄灭(有的多油断路 器无灭弧室，靠分闸速度开断，如柱上油断路器)。 多油断路器多配用电磁操动机构，后期的多 油断路器也可以配用弹簧操动机构。多油断路器 用油量大，在高压领域中已经淘汰。目前在农村 35kV电网中还少量使用35kV多油断路器。 4)少油断路器 少油断路器用较少的绝缘油作绝缘和灭弧介 质。灭弧原理与多油断路器相同，但是少油断路 器的灭弧室充分利用了纵横吹气流，使开断能力 大大加强，其用油量也大幅度降低。为了可靠的 开断小电流，110kV以上的少油断路器灭弧室中 装有压油活塞。 ‘ 少油断路器主要配用液压操动机构。我国二 十世纪70～80年代主要使用少油断路器。但是从 80年代中期开始，由于真空和SF6断路器的快速 发展己逐渐取代了少油断路器。 5)真空断路器 真空断路器的真空灭弧室以高真空为绝缘和 灭弧介质。高真空(10i乙1a4毫米水银柱)具有较 高的绝缘强度，开断短路电流时形成真空电弧。 在真空电弧中，气体中非常稀薄，残存的气体不 起作用。在电流过零后，由于电极周围的金属蒸 汽密度低，弧隙间的介质强度恢复很快，所以真 空的开断性能比其他介质优良，特别适合切近区 故障电流和高频电流。 真空断路器可配用电磁操动机构、弹簧操动 机构和永磁操动机构。在中压领域真空断路器发 展很快，几乎取代了其他断路器。随着触头截流 问题逐渐得到解决，真空断路器正在向高压领域 发展。 6)sR断路器 sF6断路器以SF#气体(1900年法国科学家才 合成的一种气体)作绝缘和灭弧介质。因为SF6气 体具有优异的绝缘和灭弧性能，近几十来sF6断 重庆市电机工程学会2004年学术会议论文 路器发展很快，在高压和超高压领域已基本取代 了其他断路器。压气式SF6断路器配用气动操动 机构或液压操动机构。由于自能式sF6断路器需 要的操作功比压气式小得多，配用无油压和气压 的弹簧操动机构，因此受到用户青睐。目前自能 式SF6断路器正在向超高压发展。 2操动机构的发展及优缺点 高压断路器的操动机构由手动操动机构发展 到手动储能弹簧操动机构、电磁操动机构、气动 操动机构、液压操动机构、弹簧操动机构、液压 弹簧操动机构和永磁操动机构，目前正在向电机 操动机构发展。 1)手动操动机构 靠手力分合闸的操动机构称为手动操动机 构，它在最早的低电压等级的断路器上使用过。 它的优点是结构简单，不需要辅助设备和电源， 缺点是不可能开断大电流，不能实现自动重合闸 而且不安全，因此已经被淘汰。 2)手动弹簧操动机构 靠手力合闸并同时给分闸弹簧储能，分闸靠 弹簧力的操动机构称为手动弹簧操动机构。这种 机构多用于10kV柱上断路器。它的优点是结构 较简单，不需要辅助设备和电源，缺点是不能实 现自动重合闸和自动控制。这种机构目前仍然在 有些柱上断路器上使用。 3)电磁操动机构 靠电磁力合闸并同时给分闸弹簧储能，分闸 靠弹簧力的操动机称为电磁操动机构。电磁操动 机构优点是结构简单，工作可靠，制造成本较低， 缺点是合闸消耗的功率太大(17kW至52kW分闸 线圈电流75—235A)。因此用户必须配备价格较贵 的蓄电池组或整流电源装置，而且结构笨重、耗 材多、合闸时间长(0．2--0．8s)只适用于110kV及以 下的断路器。 电磁操动机构目前仍然在一些多油、少油和 真空断路器上使用，但数量会越来越少直至淘汰。 4)气动操动机构 气动操动机构分早期和后期两种形式。 早期的气动操动机构用于空气断路器，分合 闸都靠压缩空气提供动力，储压筒内压力高。机 构体积大，噪声高。这种气动操动机构已经淘汰。 后期的气动操动机构是改进后的气动操动机 构。分闸靠压缩空气提供动力，同时给合闸弹簧 储能。合闸靠弹簧提供动力。因此，也称为气动 弹簧操动机构。 气动弹簧操动机构的优点：(1)以压缩空气为 动力源，不需要大功率的直流电源。(2)当失去电 源时，储压罐内的压缩空气仍然可以操作断路器。 (3)结构较简单，传动零件较少，也较为可靠。气 动弹簧操动机构的缺点：(1)空气压缩机及系统如 果出现故障就会造成机构故障。(2)压缩空气系统 如果泄漏严重就会因失压而造成机构故障。(3)噪 声大。 目前气动弹簧操动机构仍然在有些 126—500kV压气式sF6断路器上使用。但是随着 自能式高压sF6断路器的发展，气动弹簧操动机 构将会被淘汰。 5)液压操动机构 液压操动机构利用液压油作为动力传动的介 质。用于断路器的为储能式的液压操动机构，它 利用储压器中预储的能量，运用差动原理，间接 推动操作活塞来实现断路器的分合闸操作。 液压操动机构的优点：(1)体积小、操作力大、 操作平稳、无噪声而需要控制的能量小。(2)容易 实现自动控制和各种保护。液压操动机构的缺点： (1)如果有泄漏就会影响能量输出而造成断路器 的慢分和慢合。(2)如果气温变化大，一是储压器 中的压力变化增大；二是引起油的粘度变化而影 响断路器分合速度的变化。(3)加工精度要求高。 由于液压操动机构具有的优点，在相当一段 时期在高压断路器上广泛使用。高压断路器的不 断发展也促使了液压操动机构不断改进。目前， 模块化，高质量，无泄漏的新型的液压操动机构 仍然受到用户欢迎。 6)弹簧操动机构 弹簧操动机构是利用己储能的弹簧为动力， 来实现断路器的分合闸操作。弹簧储能靠电动机。 弹簧操动机构因使用的弹簧类型不同，有各种形 式。有压缩弹簧操动机构、拉伸弹簧操动机构、 扭簧储能弹簧操动机构、盘簧储能弹簧操动机构 等。弹簧操动机构的传动机构为四连杆机构。其 原理是相同的。 弹簧操动机构的优点是：(1)不需要专门的操 作电源。储能电动机功率小，交直流两用，使用 方便。(2)没有油压和气压，因此也不需要这些压 力的监控装置。弹簧操动机构的缺点是：(1)结构 高压断路器与操动机构 比较复杂，零件数量较多，加工要求较高。(2)传 动环节较多，有时会出现故障。 自能式高压sF6断路器多配用弹簧操动机 构。随着高压断路器的不断发展也促使了弹簧操 动机构不断改进和更新。除模块化的弹簧操动机 构外，目前已有第三代弹簧操动机构出现。法国 Alstom公司第三代FK3．X型弹簧操动机构的结 构特点：(1)合闸轴系只转动220～240度(过剩的 能量在完成合闸过程后被分闸弹簧吸收和储能)； (2)带专利设计的凸轮，使滑动杠杆轻缓落在分闸 脱扣器上。(3)螺旋式分闸弹簧可以设在机构中， 也可以设在断路器本体中。这种弹簧操动机构的 优势为：(1)动态操作冲击小；(2)内部转换能量低 印≯无功”消耗)；(3)合闸缓冲器的抑制作用：(4) 与上代产品相比较，减少零件数30％。(F]∞．1型 100¨1700J，FK3—2／FK-3型1700--3200J， FK-4／FK3-5型3300--5200J)。可以满足各种断路 器的要求。 7)液压弹簧操动机构 液压弹簧操动机构是在液压操动机构基础上 发展起来的。最大的改进是用蝶簧储能取代了氮 气储压筒储能，这就避免了泄漏和温度变化造成 的故障，且大大减少了机构体积，简化了结构。 新型液压弹簧操动机构完全模块化，采用集装板 块结构(如ABB公司的HM]3型，见示意图1)。 闰1HMB-4型液压弹簧操动机构结构示意图 ．1．储能模块2．充电模块 3．工作模块4．控制模块 5．监测模块 操动机构的主要元件按功能分为五大模块： 充能模块、储能模块、工作模块、控制模块和监 测模块。结构紧骤，基本上无管道连接，大大减 少了泄漏，且检修方便。 由于液压弹簧操动机构集液压和弹簧操动机 构的优点，操作平稳，性能较为可靠，因此在高 压SF6断路器上使用范围逐渐扩大。但是由于该 机构蝶簧的材料和工艺要求高，液压元件精度要 求也高，制造难度较大，成本较高，也有继续研 究和改进的必要。如果要将该机构用于自能式高 压SF6断路器上的话，对多次打压后由于油温升 高，油的粘度变化而影响断路器速度变化的现象 不可忽视。 8)永磁操动机构 永磁操动机构是在电磁操动机构基础上发展 起来的。最大的改进是使用了永久电磁铁。永磁 操动机构利用电磁力操动、永磁保持和电子控制。 由于取消了脱、锁扣装置，而采用永久电磁铁进 行终端位置的保持，动作元件和零部件数目明显 减少，因而可靠性大大提高。而电子控制便于实 现智能化。 永磁操动机构与弹簧操动机构比较有很大的 优势：(1)弹簧操动机构由150多个零件组成，而 永磁操动机构仅有60多个零件。零件数减少近 60％，大大减少了库存和出现故障的可能性，维 护工作量也大大降低；(2)弹簧操动机构的机械寿 命1万次，而永磁操动机构的机械寿命3万次， 甚至10万次：(3)新一代永磁操动机构的真空断 路器配有一个指示器，进行运行监视并指明出问 题的地方。 图2永磁操动机构原理简圈 1．静铁芯2．动铁芯3、4t永体磁 5．驱动杆6．合闸线圈7．分闸线圈 永磁操动机构的行程相对较短，因此，特别 适合真空断路器配用，在真空断路器领域逐渐得 到运用。 但是，永磁操动机构必须配用电容器和电子 窑；④ 重庆市电机工程学会2004年学术会议论文 元件，这些元件的可靠性直接影响断路器的可靠 性。因此，永磁操动机构在这方蔼有待进一步研 究和改进。 9)电机操动机构 电机操动机构为新一代高压断路器的操动机 构，它采用了先进的数字控制技术与简单、可靠、 成熟的电动机设计结合，不仅满足断路器操动机 构的所有要求，还可以提供更多新的功能。 电机操动机构也采用了集装板块结构，由能 量缓存单元、充电单元、变换器单元、控制单元、 电机与解算器单元和输入，输出单元等模块组成。 电机通过变换器从能量缓存单元获得能量，能量 缓存单元从充电单元(能量提供单元)锝到能量。 电机经过电子控制，直接操动断路器，速度控制 和监控由以单片机微处理器为核心的控制单元和 输入／输出单元来执行。各单元之间的连接见示意 图3。 图3电机操动机构设计框图 电机操动机构收集和储存的一些有关断路器 的数据，可以通过调制解调器获得。如工作状态 (闭合或断开)；报警；能量水平；内部故障；缺 相监测(单相控制除外)。通过选配的人机界面， 还可以获得以下信息：触点动作；断开或闭合时 间(通过脉冲检测分解器位置)；操作中能量损耗 情况；电容放电状况：控制单元温度状况：和看 门狗状况等。除上述监控功能外，电机操动机构 还具有一种新的功能——_“微动功能”。即通过移 动电机转子(断路器触头嫡前向后移动几毫米的 动作来检查整个系统从输入，输出到断路器触头 各个部分的工作情况。在微动期间断路器触头一 直保持连接，所以该测试可以在工作现场完成， 而断路器不需要脱离运行。这种动态试验是传统 机械结构的断路器操动机构无法作到的。 电机操动机构为高压断路器提供了新的操作 方法，它有以下优点：只有一个动作部件；理想 的预设动作曲线；触头工作与设备使用年限，和 温度变化无关；工作条件受到直接监控，不需要 额外的传感，；；具有先进的现场监控平台；用串 口通讯实现远程监控；低功耗，无瞬间高负荷； 低机械压力和低噪音；模块化设计。 电机操动机构可以很方便地运用在各种断路 器上，并保持始终如一的性能，国外的一些公司 (如瑞典ABB公司)正在将电机操动机构用于 H、rAC型断路器、GIS和发电机断路器上，这些 断路器在．50℃~45℃地区使用都工作正常。 由于电机操动机构使用时间较短，还没有显 示出它的缺点。 3高压断路器配用操动机构发展之 我见 1)高压断路器对操动机构的要求 搡动机构的功能是驱动断路器在线路正常和 各种异常(如短路)的情况下分、合闸或重合闸。 因此操动机构的工作性能和质量，对高压断路器 工作性能和可靠性起着重要的作用。断路在运行 中对操动机构的要求是：可靠逝合闸并保持合闸 状态：可靠地分闸并保持分闸状态；能够自由脱 扣，能够防止跳跃：能够复位：具有可靠连锁。 因此，无论何种操动机构都必须具有上述功能。 集全世界高压断路器运行的经验，大部分故障属 机械故障。随着全球经济的发展和人们生活水平 的不断提高，对供电的可靠性要求越来越高，因 此，有必要研制瓤的，更加可靠的操动机构。 2)对操动机构研制和发展总的要求 高压断路器的发展要求其操动机构小型化、 集成化、智能化和高可靠。 (1)小型化 小型化就是要求操动机构零件数少，传动环 节少，储能功率小，体积小。 (2)集成化 集成化就是要求操动机构模块化，采用集装 板块结构，各功能模块有机组合且便于检修。 (3)智能化 智能化就是要求操动机构具有：“自检”(自我 检查运行状态)；“自监’'(监控机构的功能)，“自 处”(采用微机处理系统处理采集的数据)；和“遥 控’Y微机联网，实现无人值班)功能。 (41高可靠 操动机构如果实现了小型化、集成化和智能 高压断路器与操动机构 化就应该具有高可靠性。可以实现免维护或少维 护， 31对几种操动机构研制和发展之我见 笔者认为应该大力研究和发展液压弹簧操动 机构、永磁操动机构和电机操动机构。因为这三 种操动机构都便于实现“三化”小型化、集成化和 智能化)。而且还应该继续研制小型化、集成化和 智能化的高可靠性的弹簧操动机构。 f1)液压弹簧操动机构的发展方向 ①研制新的蝶簧材料和加工工艺，提高蝶簧 的可靠性和寿命。 ②研制新的液压油，这种新油的粘度不随温 度的变化而变化。 ③研制新的阀系统，这种新的阀系统除更加 可靠外还能够数字控制。 ④智能化。 (2)永磁操动机构的发展方向 ①研制配永磁操动机构的高可靠的电容器 和电源。 ②研制配永磁操动机构的高可靠的电子控 制元件。 ③研制配高压$F6断路器较大行程的永磁 操动机构。 ④智能化。 (3)电机操动机构的发展方向 ①研制配电机操动机构的高可靠的充电单 元。 ②研制配电机操动机构的高可靠的数字控 制元件。 ③研制配高压SF6断路器较大行程的电机 操动机构。 ④研制配电机操动机构的高可靠的电机。 纵观配高压断路器操动机构的发展，操动机 构的机械传动部分越来越少．而电子控制部分增 多。因此，机械问题大大减少，然而电器问题会 增多。所以，研究高可靠的操动机构重点应放在 研究高可靠的电子控制装置上。 总之，要大力研制小型化、集成化、智能化 的高可靠的，能够适应高压SF6断路器和高压真 空断路器发展的操动机构。