应用于新一代智能变电站的隔离断路器

李劲彬，阮羚，陈隽

(1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，武汉市430077; 2.国家电网公司电气设备现场试验技术重点实验室，武汉市430077)

应用于新一代智能变电站的隔离断路器

李劲彬1，2，阮羚1，2，陈隽1，2

(1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，武汉市430077; 2.国家电网公司电气设备现场试验技术重点实验室，武汉市430077)

20世纪90年代以来，随着断路器技术的不断进步，断路器设备的可靠性大幅提升，而隔离开关的技术水平却停滞不前。在此情况下，隔离断路器新型设备开始应用于电网。对应用于武汉110 kV未来城变电站(新一代智能变电站)的110 kV隔离断路器进行了研究，通过将隔离断路器与传统断路器、隔离开关进行对比，介绍了隔离断路器的设计理念、功能特点和优点。对隔离断路器的国外应用情况、国内型式试验和制造情况及在线监测装置使用情况进行调研，分析了隔离断路器的技术特点和现阶段的研究及应用情况，研究了隔离断路器的差异化型式试验考核要求。研究结果可为“新一代智能变电站”中隔离断路器这一新型设备的应用和运行维护管理提供借鉴和经验。

隔离断路器;新一代智能变电站;型式试验;在线监测

0 引言

在传统的变电站设计中，断路器与隔离开关是相互独立的设备。20世纪90年代前，电网中断路器主要采用的是油断路器。由于油断路器运行可靠性低、临修频繁，对变电站进行设计时，在断路器的两侧均配置隔离开关，以便在断路器检修时形成可见断口隔离高压，同时保持站内其他设备处于运行状态。

随着断路器设备的设计、新材料研发、运行维护技术的不断提高，断路器设备的可靠性大幅提升。其灭弧介质由真空、多油、少油发展为SF6气体介质，设备故障停电率大幅下降;断路器内部的串联断口减少，目前500 kV电压等级的断路器设备已能够实现单断口结构;断路器的操动机构也取得了进步，由气动机构、液压机构发展为弹簧机构，现场维护量小。而隔离开关结构简单，造价低廉，长期不受制造部门的重视，其设计、选材、加工工艺、组装调试和质量控制均处于次要位置，产品的性能和质量难以保证。在20世纪90年代之前，虽然高压隔离开关故障频发，质量问题大量存在，但由于油断路器检修周期短，隔离开关的问题并不十分突出。但是近年来，由于SF6断路器的大量使用，突显了隔离开关与运行可靠性得到极大改善的SF6断路器不相匹配的矛盾［1］。

根据国外研究机构对各国电网设备运行情况的统计分析，现今断路器本体的平均检修周期约为13年，而隔离开关的平均检修周期约为6年［2］，断路器的故障率已小于隔离开关，平均检修时间间隔已超过了隔离开关。随着断路器可靠性的不断提高，利用隔离开关来隔离高压电以进行断路器停电检修的检修策略和模式，已不再适用于电网的实际管理和发展需求。由此提出变电站的设计原则由原来的断路器两端设置隔离开关改为将隔离功能集成到断路器的灭弧室内部，从而提出了一个新的产品——隔离断路器(disconnecting circuit breaker，DCB)，并将其应用于“新一代智能变电站”110 kV武汉未来城变电站。

1 隔离断路器的特点

隔离断路器结合了传统断路器与隔离开关等设备的功能。设备的动、静触头被保护在SF6灭弧室内，兼具断路器和隔离开关的双重功能，可替代传统断路器与隔离开关的联合应用。采用隔离断路器，可以减少站内一次设备的数量，减少变电站空间与土地占用，优化变电站纵向尺寸，降低工程成本。同时，由于原本裸露在空气中的隔离开关触头被集成保护至SF6灭弧室内，隔离断路器的检修维护量较小，供电可靠性大幅提高。

隔离断路器除了集成接地开关，也采用与电流互感器紧凑式布局，电流互感器与隔离断路器拉近距离布置或者将电流互感器支架与隔离断路器的支架集成，可进一步减少占地面积和工程量。随着近年电子式互感器尤其是全光互感器的发展，实现了将电流互感器集成至隔离断路器本体上，以获得更为紧凑、简单可靠的结构和更高的技术含量，这与电力系统智能化的发展趋势正相适应［3-5］。

隔离断路器的工作位置除了有传统断路器所具有的合闸位置和分闸位置，还具有接地位置。单断口隔离断路器和双断口隔离断路器的接地工作位置如图1所示［6］。

2 隔离断路器的国外应用情况

目前，在国外厂家中，ABB、SIEMENS、ALSTOM这3家公司均有隔离断路器产品，其中ABB公司是最早进行隔离断路器相关研究的公司，目前已实现了从72.5 kV到550 kV各电压等级的应用。

2000年，世界上第1台隔离断路器在瑞典正式挂网使用。2012年，已累计有1 370余台隔离断路器投运于超过25个国家的电网，其每年投运数量呈快速上涨趋势，如图2所示［7］。

根据国际大电网会议(International Council on Large Electric systems，CIGRE)和相关研究机构对各国电网在运隔离断路器运行情况的统计分析，将断路器和隔离开关集成为隔离断路器后，132 kV隔离断路器的维护停电时间由5.3 h/(年·台)下降为1.2 h/(年·台)，设备维护量降低87%，设备故障停电时间由0.21 h/(年·台)下降为0.12 h/(年·台)，设备故障率降低43%;400 kV隔离断路器的维护停电时间由4.8 h/(年·台)下降为0.5 h/(年·台)，设备维护量降低90%，设备故障停电时间由0.19 h/(年·台)下降为0.09 h/(年·台)，设备故障率降低50%［8］。(132 kV和400 kV为国外部分国家的电网电压等级)。

目前，瑞典已将隔离断路器作为新建变电站和在运变电站设备改造更换的标准设备配置，瑞典南部已有30余座变电站装用了隔离断路器，挪威等国也有多个工程实例。在新西兰，隔离断路器的应用取得了较良好的效果。新西兰是地处太平洋南部的岛屿国家，大部分变电站都临近海边，隔离开关等户外设备长期受到咸湿海风的侵蚀，加快了金属触头等裸露部件的腐蚀。新西兰的地热地区产生的硫化氢等化学物同样会加速传统隔离开关设备的腐蚀。隔离断路器实现了将触头部位全部集成入灭弧室内，受SF6气体的保护，取得了较好的应用效果。

3 隔离断路器的国内试制情况

3.1 隔离断路器生产制造

此次即将应用于“新一代智能变电站”——110 kV武汉未来城变电站的隔离断路器由西安西电高压开关有限责任公司设计制造。与传统断路器相比，隔离断路器在瓷柱式断路器基础上，集成了接地开关和电子式电流互感器，设备上部为灭弧室，中间为电子式电流互感器，下部为支柱瓷套及框架。隔离断路器设备形态如图3所示［9］。

接地开关与隔离断路器共用1个底架，配备的电动机构及其连接机构装在边相支柱上。接地开关结构如图4所示。

电子式电流互感器置于隔离断路器套管和支柱套管之间，采集器置于光纤绝缘子顶部，光纤置于光纤绝缘子内部，采集数据通过光纤传输，光纤绝缘子固定于断路器支架上，整体结构紧凑，节省占地空间。电子式电流互感器结构如图5所示。

3.2 隔离断路器型式试验

为适应隔离断路器的发展需要，国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)于2005年颁布了IEC62271—108《High-voltage alternatingcurrentdisconnectingcircuit-breakers for rated voltages of 72.5 kV and above》标准。我国于2011年相应发布了GB/T 27747—2011《额定电压72.5 kV及以上交流隔离断路器》标准，并于2012年正式实施。该标准描述了隔离断路器独立功能间相互作用的要求，明确了这些要求与分立的断路器和隔离开关的独立要求之间的差异。

隔离断路器的设计基于传统的SF6断路器，将隔离开关的功能集成至断路器的灭弧室内。当触头在分闸位置时，须实现隔离开关的功能。这意味着隔离断路器除要满足对断路器全部要求外，还要满足对隔离开关的要求。隔离开关的功能要求通过提高断路器动、静触头的绝缘水平来实现，达到满足系统失步工频电压、操作冲击电压、雷电冲击电压等严格条件考核的要求。

隔离断路器设备型式试验即在完成隔离断路器本体、接地开关、电子式互感器各部分的型式试验的基础上，还要求进行组合功能试验，来验证隔离断路器的绝缘耐受能力满足长期连续运行的要求。因此，在机械操作试验和规定的短路试验方式后都应该满足绝缘要求。组合功能试验是此类装置特定的型式试验要求，旨在验证隔离断路器在规定的机械和短路开断试验后完全保持了分闸触头间的绝缘性能，认为通过这些组合功能试验的隔离断路器能够耐受运行期间因触头磨损以及电弧开断产生的分解物［10］。

试验过程中，隔离断路器所有传感器、智能组件应安装完毕，电子式互感器与隔离断路器集成安装一体。设备布置模拟现场分布，智能组件柜与开关本体的距离不远于现场情况，宜采用单独电源和接地，试验前所有智能组件均处于正常运行状态。

110 kV隔离断路器的短路组合功能、机械组合功能和绝缘考核试验要求如表1［11］所示。

应用于110 kV武汉未来城变电站的隔离断路器样机按照表1的要求，按规定操作顺序进行了12次额定短路电流开断试验和5 000次分合闸操作，之后对隔离断路器进行额定短时工频耐压和额定雷电冲击耐压试验。在加压过程中，隔离断路器无击穿、闪络现象，通过了短路组合功能试验和机械组合功能试验。

4 隔离断路器的状态监测系统

根据智能电网对于设备状态可视化的要求，在隔离断路器的设计和制造中，实现了与在线监测装置的深度融合，对设备状态进行监测，提升了设备可靠性，实现了设备功能智能化［12-14］。监测项目和状态量如表2［15］所示。

对于断路器分合闸线圈电流监测，断路器采用电磁铁进行分合闸操作，电磁铁线圈通过电流时，电磁铁产生磁通，动铁芯受磁力吸合，使断路器分闸或合闸。分合闸线圈的电流中含有丰富的机械传动信息。采用补偿式霍尔电流传感器监测断路器分合闸线圈电流信号，根据电流波形和事件相对时刻，判断故障征兆，诊断拒动、误动故障。

对于断路器行程和速度监测，在断路器操动机构的主轴上安装位移旋转式光栅传感器，利用光栅传感器和断路器操动机构主轴间的相对运动，将速度行程信号转换为电信号，经数据处理得到断路器操作过程中行程和速度随时间的变化关系，计算出动触头行程、超行程、刚分后和刚分前的平均速度等［16］。

5 结语

在国家电网公司“新一代智能变电站”工程建设中，新型设备隔离断路器将在国内进行首次应用。通过对隔离断路器在国内外的应用情况和试制情况进行调研，介绍了隔离断路器的设计理念，分析了隔离断路器的结构特点和技术优势。重点研究了隔离断路器设备上隔离开关、接地开关、电子式电流互感器和状态监测系统等部件和功能的总体集成情况，分析了具有新型结构的隔离断路器的特殊组合功能型式试验考核要求，并对试验过程进行了全程驻厂监督和见证。研究结论可为隔离断路器在电网中的全面应用提供有益经验，并可为隔离断路器现场交接试验方案的确定和设备运行状态的评价提供参考。

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［5］宋璇坤，沈江，李敬如，等.新一代智能变电站概念设计［J］.电力建设，2013，34(6):11-15.

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［16］陈安伟，董国伦，胡文堂.输变电设备状态检修［M］.北京:中国电力出版社，2012.

(编辑:魏希辉)

Application of Disconnecting Circuit Breaker in New Generation Smart Substation

LI Jinbin1，2，RUAN Ling1，2，CHEN Jun1，2
(1.Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan 430077，China; 2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid Corporation，Wuhan 430077，China)

Since the 1990s，the reliability of circuit breaker(CB)device increase greatly along with the continuous progress of CB technology，but the technical level of disconnector(DS)has stagnated.So，the new disconnecting circuit breaker(DCB)devices have been applied to the power grid.This paper studied the 110 kV DCB which was applied in Wuhan 110 kV Future City Substation，compared DCB with tradition CB and DS，and introduced the design idea，main characteristics and advantages of DCB.The technical features，application situations，and specific type test requirements of DCB were analyzed，through the research findings of DCB’s foreign application，type test and on-line monitoring status. The research results can provide reference and experience for the application and operation maintenance management of DCB in the new smart substations.

disconnecting circuit breaker;new generation smart substation;type test;on-line monitoring

TM 561

A

1000－7229(2014)01－0030－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.006［HT］

湖北省电力公司2013年智能电网专项研究项目(电司科信［2013］1号)。

2013-07-05

2013-09-27

李劲彬(1988)，男，工学硕士，工程师，主要从事高压开关技术和状态评价方面的研究工作，Email:15994242536@126.com;

阮羚(1961)，男，教授级高级工程师，享受国务院特殊津贴专家，主要从事高电压技术和状态检修技术方面的研究工作;

陈隽(1976)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事高压开关设备试验和故障诊断技术方面的研究工作。