高壓開(kāi)關(guān)電氣與機(jī)械聯(lián)動(dòng)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(hù)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(yùn)行。為降低非全相分合閘情況出現(xiàn)，有的場(chǎng)所需要用三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)。有的用戶更直觀地判斷三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)斷路器可靠性遠(yuǎn)大于電氣聯(lián)動(dòng)的斷路器，但實(shí)際情況卻需要具體分析。

    2 斷路器故障概率統(tǒng)計(jì)

    據(jù)CIGRE于1988～1991年對(duì)1978～1991年投運(yùn)的66kV及以上單壓式SF6斷路器進(jìn)行的可靠性調(diào)查，共70708臺(tái)年，因操動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械故障占43.8% 。

    1989～1997年全國(guó)電力系統(tǒng)110、220、330kV和500kV  SF6，斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分故障統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。操動(dòng)機(jī)構(gòu)包括2個(gè)部分，一是機(jī)械傳動(dòng)部分；二是包括控制機(jī)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(kāi)關(guān)、分合閘線圈、微動(dòng)開(kāi)關(guān)、馬達(dá)、氣體繼電器等二次元件。共統(tǒng)計(jì)故障458次，機(jī)構(gòu)故障304次。

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

    上述統(tǒng)計(jì)資料表明，目前斷路器主要故障為操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障，且機(jī)械故障占有較大比例。

    CIGRE報(bào)告WGl3.06，故障按操動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型來(lái)劃分的情況見(jiàn)表2。

表2 不同操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障情況表

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

    3 電氣聯(lián)動(dòng)與機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率分析

    3.1 電氣及機(jī)械聯(lián)動(dòng)

    三相電氣聯(lián)動(dòng)的高壓斷路器一般采用三個(gè)獨(dú)立操動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)匯控箱使機(jī)構(gòu)之間通過(guò)電氣聯(lián)接來(lái)實(shí)現(xiàn)三相聯(lián)動(dòng)，各相機(jī)構(gòu)傳動(dòng)輸出軸直接與極柱相連；在保護(hù)裝置上，采用三相位置不一致繼電器啟動(dòng)跳閘。

    三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)的高壓斷路器—般采用一個(gè)操動(dòng)機(jī)構(gòu)，斷路器三個(gè)極柱與操動(dòng)機(jī)構(gòu)之間通過(guò)操作桿聯(lián)接。

    按SDJ5-85《高壓配電裝置設(shè)計(jì)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(duì)三相電氣、機(jī)械聯(lián)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)故障發(fā)生的可能性，按表3進(jìn)行分析。

表3 發(fā)生重大事故的可能性

注：(*)彈簧機(jī)構(gòu)和極柱之間為直接連接

    對(duì)絕緣擊穿和斷路器無(wú)法開(kāi)斷或操作這兩種故障，電氣或機(jī)械聯(lián)動(dòng)聽(tīng)發(fā)生的機(jī)率應(yīng)是相同的。區(qū)別在于彈簧機(jī)構(gòu)內(nèi)部的機(jī)械故障的不同以及彈簧機(jī)構(gòu)與本體之間的機(jī)械故障的不同，即表中的P3和P50。

    3.3 故障分析

    3.3.1 機(jī)構(gòu)與本體之間出現(xiàn)故障的可能

    與電氣聯(lián)動(dòng)相比，機(jī)械聯(lián)動(dòng)的斷路器安裝要困難得多。它需要在三極之間進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，才能確保三極之間的機(jī)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(chǎng)施工條件比較簡(jiǎn)陋，斷路器基礎(chǔ)及支架尺寸也會(huì)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(jī)械部分變形損壞在機(jī)構(gòu)部分故障中所占的比例達(dá)到23%，如果扣除液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)類型的影響，這種比例會(huì)更大，這也間接反映了現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試難度加大，會(huì)造成運(yùn)行后故障的增多。電氣聯(lián)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)由于機(jī)構(gòu)與斷路器極柱直接連接，出現(xiàn)該故障的機(jī)率就少多了。

    其次，對(duì)于機(jī)械聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，各極上的力和能量的傳遞是不一樣的，離機(jī)構(gòu)最近的一極將承受比較大的機(jī)械應(yīng)力；各極之間的振動(dòng)也不一樣，離機(jī)構(gòu)最近的一極，其振動(dòng)程度最嚴(yán)重。此外，由于大氣溫度的變化，金屬會(huì)熱脹冷縮，連桿長(zhǎng)度的變化會(huì)使斷路器的分合閘時(shí)的位置發(fā)生改變，而這種改變的后果是嚴(yán)重的。

    最后，機(jī)械連桿內(nèi)部的應(yīng)力會(huì)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(shí)(如變形或伸長(zhǎng))，A=1；非線性變形時(shí)(如：膨脹)，A=2。試驗(yàn)表明，當(dāng)相間距離小于2.5m時(shí)，應(yīng)力還處在可接受的范圍內(nèi)。但是，當(dāng)相間距離超過(guò)2.5m時(shí)，應(yīng)力和變形就會(huì)對(duì)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(kāi)距要遠(yuǎn)小于少油斷路器，因此機(jī)械傳動(dòng)上的微小差異，即對(duì)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(jī)械聯(lián)動(dòng)斷路器最重要的原因之一。

    3.3.2 機(jī)構(gòu)本身故障可能性

    從表2可以看出，彈簧機(jī)構(gòu)斷路器的故障次數(shù)要遠(yuǎn)低于液壓和氣動(dòng)機(jī)構(gòu)斷路器的故障次數(shù)。但三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)與電氣聯(lián)動(dòng)機(jī)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(dòng)就大，對(duì)機(jī)構(gòu)的破壞就大。當(dāng)然，對(duì)各制造商來(lái)說(shuō)，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(shuō)三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率P4遠(yuǎn)大于電氣聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率P3。

    4 小結(jié)

    三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)故障率大于三相電氣聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在沒(méi)有特殊要求的情況下，應(yīng)盡可能選用電氣聯(lián)動(dòng)機(jī)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(jī)械聯(lián)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)比較適宜。

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