高壓開關電氣與機械聯動的可靠性比較
| 本文根據故障概率分布和機械聯動與電氣聯動兩種方式的優缺點比較，對采用電氣及機械聯動方式的高壓斷路器的可靠性進行了分析。 1 引言 高壓斷路器在電力系統中起控制和保護作用，其性能的可靠與否關系到電力系統的安全、穩定運行。為降低非全相分合閘情況出現，有的場所需要用三相機械聯動。有的用戶更直觀地判斷三相機械聯動斷路器可靠性遠大于電氣聯動的斷路器，但實際情況卻需要具體分析。 2 斷路器故障概率統計 據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查，共70708臺年，因操動機構故障造成的失效占總失效數的64.8%，其中二次電氣控制和輔助回路故障占21%，操動機構機械故障占43.8% 。 1989～1997年全國電力系統110、220、330kV和500kV SF6，斷路器操動機構部分故障統計見表1。操動機構包括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、分合閘線圈、微動開關、馬達、氣體繼電器等二次元件。共統計故障458次，機構故障304次。 表1 1989～1997年全國電力系統110、220、330kV和500kV SF6斷路器操作機構部分故障統計 上述統計資料表明，目前斷路器主要故障為操動機構故障，且機械故障占有較大比例。 CIGRE報告WGl3.06，故障按操動機構的類型來劃分的情況見表2。 表2 不同操動機構故障情況表 從中可以看出彈簧操動機構故障次數遠遠低于液壓及氣動機構，其可靠性相對較高。為避免機構類型不同對分析結果的影響，本文均選用彈簧機構的SF6高壓斷路器。 3 電氣聯動與機械聯動機構故障率分析 3.1 電氣及機械聯動 三相電氣聯動的高壓斷路器一般采用三個獨立操動機構，通過匯控箱使機構之間通過電氣聯接來實現三相聯動，各相機構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。 三相機械聯動的高壓斷路器—般采用一個操動機構，斷路器三個極柱與操動機構之間通過操作桿聯接。 按SDJ5-85《高壓配電裝置設計技術規程》，屋外配電裝置的相間距離不低于該規程中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、機械聯動操動機構故障發生的可能性，按表3進行分析。 表3 發生重大事故的可能性 對絕緣擊穿和斷路器無法開斷或操作這兩種故障，電氣或機械聯動聽發生的機率應是相同的。區別在于彈簧機構內部的機械故障的不同以及彈簧機構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 機構與本體之間出現故障的可能 與電氣聯動相比，機械聯動的斷路器安裝要困難得多。它需要在三極之間進行準確的調整，才能確保三極之間的機械聯接在允許誤差范圍之內并保證其同期性。一般情況下，由于現場施工條件比較簡陋，斷路器基礎及支架尺寸也會有偏差，再加上施工人員技術素質不同，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部分故障中所占的比例達到23%，如果扣除液壓和氣動機構類型的影響，這種比例會更大，這也間接反映了現場安裝調試難度加大，會造成運行后故障的增多。電氣聯動操動機構由于機構與斷路器極柱直接連接，出現該故障的機率就少多了。 其次，對于機械聯動機構，各極上的力和能量的傳遞是不一樣的，離機構最近的一極將承受比較大的機械應力；各極之間的振動也不一樣，離機構最近的一極，其振動程度最嚴重。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生改變，而這種改變的后果是嚴重的。 最后，機械連桿內部的應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，當相間距離小于2.5m時，應力還處在可接受的范圍內。但是，當相間距離超過2.5m時，應力和變形就會對斷路器的可靠性和穩定性產生影響。并且，由于SF6斷路器開距要遠小于少油斷路器，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300kv及以上的三相機械聯動斷路器最重要的原因之一。 3.3.2 機構本身故障可能性 從表2可以看出，彈簧機構斷路器的故障次數要遠低于液壓和氣動機構斷路器的故障次數。但三相聯動機構與電氣聯動機構相比，前者所需操作功比后者要大的多，產生的應力和振動就大，對機構的破壞就大。當然，對各制造商來說，其產品性能與其制造質量、工藝水平有很大關系，用戶可以選用年平均故障率低、質量可靠的制造商的產品以降低故障率，但總的說三相聯動機構故障率P4遠大于電氣聯動機構故障率P3。 4 小結 三相機械聯動故障率大于三相電氣聯動機構，在沒有特殊要求的情況下，應盡可能選用電氣聯動機構的斷路器；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，采用三相電氣聯動機構比較適宜。 參考文獻 [1] C R Heising，A L Janssen，W Lanz，et al．Summa-ry of CIGRE 13.06 Working Group World Wide Relia-bility Data and Maintenance Cost Data on High Voltage Circuit Breakers Above 63 kV[A]．Industry Applica-tions Society Annual Meeting[C]，Conference Record of IEEE，1994． [2] 郭賢珊，李仲夫，陳軒恕．斷路器操動機構在線監測參數的選擇[J]．高壓電器，2002，38(1)，24－25. [3] SDJ5－85．高壓配電裝置設計技術規程[S]． |