高壓開關(guān)電氣與機械聯(lián)動的可靠性比較

    1 引言

    高壓斷路器在電力系統(tǒng)中起控制和保護作用，其性能的可靠與否關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。為降低非全相分合閘情況出現(xiàn)，有的場所需要用三相機械聯(lián)動。有的用戶更直觀地判斷三相機械聯(lián)動斷路器可靠性遠(yuǎn)大于電氣聯(lián)動的斷路器，但實際情況卻需要具體分析。

    2 斷路器故障概率統(tǒng)計

    據(jù)CIGRE于1988～1991年對1978～1991年投運的66kV及以上單壓式SF6斷路器進行的可靠性調(diào)查，共70708臺年，因操動機構(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%，操動機構(gòu)機械故障占43.8% 。

    1989～1997年全國電力系統(tǒng)110、220、330kV和500kV  SF6，斷路器操動機構(gòu)部分故障統(tǒng)計見表1。操動機構(gòu)包括2個部分，一是機械傳動部分；二是包括控制機械部分合、分操作的控制回路和輔助回路，如接線端子、接觸器、輔助開關(guān)、分合閘線圈、微動開關(guān)、馬達、氣體繼電器等二次元件。共統(tǒng)計故障458次，機構(gòu)故障304次。

表1 1989～1997年全國電力系統(tǒng)110、220、330kV和500kV SF₆斷路器操作機構(gòu)部分故障統(tǒng)計

    上述統(tǒng)計資料表明，目前斷路器主要故障為操動機構(gòu)故障，且機械故障占有較大比例。

    CIGRE報告WGl3.06，故障按操動機構(gòu)的類型來劃分的情況見表2。

表2 不同操動機構(gòu)故障情況表

    從中可以看出彈簧操動機構(gòu)故障次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液壓及氣動機構(gòu)，其可靠性相對較高。為避免機構(gòu)類型不同對分析結(jié)果的影響，本文均選用彈簧機構(gòu)的SF6高壓斷路器。

    3 電氣聯(lián)動與機械聯(lián)動機構(gòu)故障率分析

    3.1 電氣及機械聯(lián)動

    三相電氣聯(lián)動的高壓斷路器一般采用三個獨立操動機構(gòu)，通過匯控箱使機構(gòu)之間通過電氣聯(lián)接來實現(xiàn)三相聯(lián)動，各相機構(gòu)傳動輸出軸直接與極柱相連；在保護裝置上，采用三相位置不一致繼電器啟動跳閘。

    三相機械聯(lián)動的高壓斷路器—般采用一個操動機構(gòu)，斷路器三個極柱與操動機構(gòu)之間通過操作桿聯(lián)接。

    按SDJ5-85《高壓配電裝置設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，屋外配電裝置的相間距離不低于該規(guī)程中A2的要求，即110J、220J、330J、500J分別為1000mm、2000mm、2800mm、4300mm。

    3.2 故障可能性分析

    對三相電氣、機械聯(lián)動操動機構(gòu)故障發(fā)生的可能性，按表3進行分析。

表3 發(fā)生重大事故的可能性

注：(*)彈簧機構(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，電氣或機械聯(lián)動聽發(fā)生的機率應(yīng)是相同的。區(qū)別在于彈簧機構(gòu)內(nèi)部的機械故障的不同以及彈簧機構(gòu)與本體之間的機械故障的不同，即表中的P3和P50。

    3.3 故障分析

    3.3.1 機構(gòu)與本體之間出現(xiàn)故障的可能

    與電氣聯(lián)動相比，機械聯(lián)動的斷路器安裝要困難得多。它需要在三極之間進行準(zhǔn)確的調(diào)整，才能確保三極之間的機械聯(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。從表1中也可以看出，機械部分變形損壞在機構(gòu)部分故障中所占的比例達到23%，如果扣除液壓和氣動機構(gòu)類型的影響，這種比例會更大，這也間接反映了現(xiàn)場安裝調(diào)試難度加大，會造成運行后故障的增多。電氣聯(lián)動操動機構(gòu)由于機構(gòu)與斷路器極柱直接連接，出現(xiàn)該故障的機率就少多了。

    其次，對于機械聯(lián)動機構(gòu)，各極上的力和能量的傳遞是不一樣的，離機構(gòu)最近的一極將承受比較大的機械應(yīng)力；各極之間的振動也不一樣，離機構(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，機械連桿內(nèi)部的應(yīng)力會隨著相間距離的變化而增大。一般與dA成正比(1≤A≤2)。線性變形時(如變形或伸長)，A=1；非線性變形時(如：膨脹)，A=2。試驗表明，當(dāng)相間距離小于2.5m時，應(yīng)力還處在可接受的范圍內(nèi)。但是，當(dāng)相間距離超過2.5m時，應(yīng)力和變形就會對斷路器的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。并且，由于SF6斷路器開距要遠(yuǎn)小于少油斷路器，因此機械傳動上的微小差異，即對斷路器性能造成很大影響。這也是世界上所有斷路器制造商為什么不愿意生產(chǎn)300kv及以上的三相機械聯(lián)動斷路器最重要的原因之一。

    3.3.2 機構(gòu)本身故障可能性

    從表2可以看出，彈簧機構(gòu)斷路器的故障次數(shù)要遠(yuǎn)低于液壓和氣動機構(gòu)斷路器的故障次數(shù)。但三相聯(lián)動機構(gòu)與電氣聯(lián)動機構(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)動機構(gòu)故障率P4遠(yuǎn)大于電氣聯(lián)動機構(gòu)故障率P3。

    4 小結(jié)

    三相機械聯(lián)動故障率大于三相電氣聯(lián)動機構(gòu)，在沒有特殊要求的情況下，應(yīng)盡可能選用電氣聯(lián)動機構(gòu)的斷路器；1l0kV及以下斷路器相間距離一般小于2000mm，采用三相機械聯(lián)動的方式比較適宜；220kV及以上斷路器，相間距離一般為3000～4000mm，采用三相電氣聯(lián)動機構(gòu)比較適宜。

    參考文獻

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