浅析高压断路器的电气联动与机械联动

中铁建电气化局集团南方工程有限公司 湖北 武汉 430000

在电力系统中,牵引变电所主变进线间隔的断路器要求三相联动操作,以保证在系统发生故障时能三相同时开断线路,在故障排除后又能三相同时接通线路,避免缺相运行,以确保变电所关键设备牵引变压器的安全。断路器的传动方式有三相电气联动和三相机械联动两种传动方式。三相电气联动通常为一台断路器的三相分别由三台操动机构进行分合闸操作,通过二次回路对三台操动机构同时发出分合闸命令,也可以对其中的一相或两相进行分合闸,且断路器本体具有非全相保护功能。而三相机械联动是通过一套机械传动装置将一台操作机构与断路器的三相柱连接在一起,一台操动机构同时操作该断路器的三相,不能进行分相操作。其两种传动方式各有优缺点。

1 三相电气联动与三相机械联动的选择比较

在220kV的电力系统中,由于架空线路的线间距离大,发生的故障大部分是单相接地故障,而发生相间故障的机会非常少,并且绝大部分故障都是瞬时性单相接地造成的故障。因此,在线路上装设可以分相操作的断路器。当发生单相接地故障时,只把发生故障的一相断开,然后进行重合闸,而未发生故障的两相一直保持闭合状态,维持系统的持续运行。这样,不仅可以大大提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性,而且还可以减少相间故障的发生。而在线路上发生相间故障时,仍然跳开三相断路器,而后进行三相自动重合闸。因此,对于220kV电力系统中,线路侧选用三相电气联动并具备带有单相操作的功能的断路器,具有十分重要的意义。

与三相电气联动的断路器相比,三相机械联动的断路器是由一台操动机构操作断路器的三相,涉及的零部件较少、控制回路简单,并且其传动装置、操动机构等配套设施通常都在工厂已调试好,且整件整体运输,现场安装调试时几乎不需再对断路器的特性进行调试。与三相机械联动的户外瓷柱式断路器相比,不用安装调试相间连接的长连杆。由于现场安装的原因造成断路器非全相运行的可能小,对变压器组高压侧的断路器来说,如果采用具有分相操作的断路器,常由于误操作或机械方面的原因使三相不能同时闭合或分断,或在正常运行中突然一相跳闸 ,且断路器的非全相保护功能又因某种原因未起动,则将致使三相电流严重不平衡,长时间非全相运行将产生很大的负序电流和零序电流。负序电流流过变压器将产生负序旋转磁场,在励磁线圈和阻尼线圈上产生感应电流,引起附加损耗,损坏变压器定子线圈,严重时烧坏转子线圈,使变压器产生振动等。而零序电流将严重干扰邻近的通信设施,因此变压器组高压侧应选用三相机械联动的断路器。相应地,220kV母联间隔也应采用三相机械联动的断路器。由于母联开关如果处于非全相运行,有可能引起母线电压、电流严重不平衡,造成保护误动或严重过电压,危及站内人身和设备安全。

原因造成断路器非全相运行的可能小,对变压器组高压侧的断路器来说,如果采用具有分相操作的断路器,常由于误操作或机械方面的原因使三相不能同时闭合或分断,或在正常运行中突然一相跳闸 ,且断路器的非全相保护功能又因某种原因未起动,则将致使三相电流严重不平衡,长时间非全相运行将产生很大的负序电流和零序电流。负序电流流过变压器将产生负序旋转磁场,在励磁线圈和阻尼线圈上产生感应电流,引起附加损耗,损坏变压器定子线圈,严重时烧坏转子线圈,使变压器产生振动等。而零序电流将严重干扰邻近的通信设施,因此变压器组高压侧应选用三相机械联动的断路器。相应地,220kV母联间隔也应采用三相机械联动的断路器。由于母联开关如果处于非全相运行,有可能引起母线电压、电流严重不平衡,造成保护误动或严重过电压,危及站内人身和设备安全。

（邓湖牵引所220kV断路器）

2 三相电气联动与三相机械联动的故障分析比较

据CICRE(国际大电网组织)对SF6断路器进行的可靠性调查,因操动机构故障造成的失效占总失效数的64.8%,其中二次电气控制和辅助回路故障占21%,操动机构机械故障占43.8%。而操动机构包括2个部分,一是机械传动部分；二是包括控制机械部分合、分操作的控制回路和辅助回路的二次元件。资料表明,目前断路器主要故障为操动机构故障且机械故障占有较大比例。不同操动机构故障情况从中可以看出弹簧操动机构故障次数远远低于液压及气动机构其可靠性相对较高。

三相电气联动的高压断路器一般采用三个独立操动机构通过汇控箱使机构之间通过电气连接来实现三相联动各相机构传动输出轴直接与极柱相连在保护装置上采用三相位置不一致继电器启动跳闸。三相机械联动的高压断路器一般采用一个操动机构,断路器三个极柱与操动机构之间通过操作杆联接。弹簧机构和极柱之间为直接连接,对绝缘击穿和断路器无法开断或操作这两种故障电气或机械联动听发生的机率应是相同的。区别在于弹簧机构内部的机械故障的不同以及弹簧机构与本体之间的机械故障的不同。

①机构与本体之间出现故障的可能。与电气联动相比机械联动的断路器安装要困难得多,它需要在三极之间进行准确的调整才能确保三极之间的机械联接在允许误差范围之内并保证其同期性。一般情况下由于现场施工条件比较简陋,断路器基础及支架尺寸也会有偏差,再加上施工人员技术素质不同,很难满足安装的要求。机械部分变形损坏在机构部分故障中所占的比例达到23%。因此现场安装调试难度加大会造成运行后故障的增多。而电气联动操动机构由于机构与断路器极柱直接连接出现该故障的机率就少多了。其次,对于机械联动机构各极上的力和能量的传递是不一样的,离机构最近的一极将承受比较大的机械应力。各极之间的振动也不一样离机构最近的一极其振动程度最严重。此外,由于大气温度的变化金属会热胀冷缩连杆长度的变化会使断路器的分合闸时的位置发生改变而这种改变的后果是严重的。最后机械连杆内部的应力会随着相间距离的变化而增大。

②机构本身故障可能性。弹簧机构断路器的故障次数要远低于液压和气动机构断路器的故障次数,但三相联动机构与电气联动机构相比,前者所需操作功比后者要大的多产生的应力和振动就大,对机构的破坏就大。当然,对各制造商来说其产品性能与其制造质量、工艺水平有很大关系用户可以选用年平均故障率低、质量可靠的制造商的产品以降低故障率但总的说三相联动机构故障率远大于电气联动机构故障率。

3 三相电气联动和三相机械联动比较总结

结合以上的内容比较,大致可以看出三相电气联动和三相机械联动断路器的以下不同点：

序号 比较项目 三相电气联动 三相机械联动1分相操作 能 不能2传动装置 3套,简单 1套,复杂3二次回路 复杂 简单4 每台断路器配操作机构 3台,操作功小 1台,操作功大5分合闸同期性 不利于调节 易于调节6单相重合闸 能 不能7制造成本 高 低

4 结束语

三相电气联动和机械联动的断路器分别具有不同的优缺点,对于一套GIS设备来说,应根据其断路器在主接线形式中所处的位置和使用情况,选择不同传动方式的断路器。当然铁路等级规格,建造成本与断路器所处位置的操作频率等综合因素也是不得不考量的。蒙华铁路作为国家级的煤运通道工程,并且后期运载负荷较大,因此选择便于调节和控制分合闸同期性的三相机械联动的GL314型的断路器也是有一定的原因的。