（电气工程专业论文）高压罐式断路器故障的分析及治理研究.pdf

华北电力大学j 二程硕士学位论文摘要 摘要 高压断路器是电力系统关键设备之一，断路器故障将会对电网的安全、稳 定、健康运行造成了不良影响，对其进行快速故障诊断对于事故发生后快速寻 找故障发生的原因，解决事故源，确保电力系统迅速恢复正常运行有重要的意义。 发生放电故障的可能原因只有灭弧室内部清洁度和过电压两方面。本文将从 以上两个方面分析罐式断路器放电故障的原因，并通过对静侧装配结构进行 改进设计，将静主触头及其屏蔽设计成整体形式，增大壳体直径，增加粒子捕捉 装置等解决这一难题。 关键词：高压断路器，故障分析，防范措施 a b s t r a c t h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri so n eo fm ek e yp a r t so fp o w e rs y s t e m ，q u i c kf a u l t d i a g n o s i so fc i r c u i tb r e a k e ri so fi m p o r t a n tt ot h eq u i c kd i s c o v e ro ft h ef a u l tc a u s e ， s 0 l v et h ef a u l ts o u r c e ，a i l dm m s a l et h er a p i d i yr e c o v e r ) ，o fp o w e rs y s t e m t h em a i n r e a s o n so ft h ed i s c h a r g ef a u l t u r ei so n l yt h ei n t e m a lc l e a l l j i n e s so fi n t e r r u p t e ra n dt h e o v e r - v o l t a g e t h i sp a p e rw i l la 1 1 a l y s i st h er e a s o n so ft h et a n kc i r c u i tb r e a k e r s d i s c h a r g ef a u l t u r ef - r o mt h et 、v oa s p e c t s ，a f l ds o l v et h i sp r o b l e mb yi m p r o v i n gd e s i g n o fs t a t i cs i d es t l l j c t u r e ，d e s i g n i n gt 1 1 es t a t i cm a i nc o n t a c ta n ds h i e l d i n gi n t ot h ei n t e g e r f o m l ，i n c r e a s i n gs h e l ld i a m e t e r ，i n c r e a s i n gp a n i c l ec a p t u r ed e v i c ea n ds oo n h ez i d o n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fz h a n gj i a n c h e n g k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ，蕾u l ta n a l y s i s ，c o u n t e 瑚e a s u r e 华北电力大学j 二程硕士学位论文摘要 摘要 高压断路器是电力系统关键设备之一，断路器故障将会对电网的安全、稳 定、健康运行造成了不良影响，对其进行快速故障诊断对于事故发生后快速寻 找故障发生的原因，解决事故源，确保电力系统迅速恢复正常运行有重要的意义。 发生放电故障的可能原因只有灭弧室内部清洁度和过电压两方面。本文将从 以上两个方面分析罐式断路器放电故障的原因，并通过对静侧装配结构进行 改进设计，将静主触头及其屏蔽设计成整体形式，增大壳体直径，增加粒子捕捉 装置等解决这一难题。 关键词：高压断路器，故障分析，防范措施 a b s t r a c t h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri so n eo fm ek e yp a r t so fp o w e rs y s t e m ，q u i c kf a u l t d i a g n o s i so fc i r c u i tb r e a k e ri so fi m p o r t a n tt ot h eq u i c kd i s c o v e ro ft h ef a u l tc a u s e ， s 0 l v et h ef a u l ts o u r c e ，a i l dm m s a l et h er a p i d i yr e c o v e r ) ，o fp o w e rs y s t e m t h em a i n r e a s o n so ft h ed i s c h a r g ef a u l t u r ei so n l yt h ei n t e m a lc l e a l l j i n e s so fi n t e r r u p t e ra n dt h e o v e r - v o l t a g e t h i sp a p e rw i l la 1 1 a l y s i st h er e a s o n so ft h et a n kc i r c u i tb r e a k e r s d i s c h a r g ef a u l t u r ef - r o mt h et 、v oa s p e c t s ，a f l ds o l v et h i sp r o b l e mb yi m p r o v i n gd e s i g n o fs t a t i cs i d es t l l j c t u r e ，d e s i g n i n gt 1 1 es t a t i cm a i nc o n t a c ta n ds h i e l d i n gi n t ot h ei n t e g e r f o m l ，i n c r e a s i n gs h e l ld i a m e t e r ，i n c r e a s i n gp a n i c l e c a p t u r ed e v i c ea n ds oo n h ez i d o n g ( e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fz h a n gj i a n c h e n g k e y w o r d s ：h i 曲v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e r ，蕾u l ta n a l y s i s ，c o u n t e 瑚e a s u r e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压罐式断路器故障的分析及 治理研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰三j 兰垦日期：垒星：坐：i i !学位论文作者签名：兰12 苎b日期： 垒星：坐：i i ! 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不 同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：塑：生：! ! 导师签名： 华北电力大学，j ：程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论 高压断路器是电力系统中最重要的控制和保护设备，正常情况下能在规定时间 内承载、开断、关合正常和故障电流，因此它的正常运行是保证整个电力系统安全 运行的基础，提高开关的运行、维护和技术管理水平，是保障供电可靠性的重要手 段【1 捌。 高压断路器在电网中起着两方面的作用：第一，控制作用。根据电网运行需要， 用高压断路器把一部分电力设备或线路投入或退出运行。第二，保护作用。高压断 路器还可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网中快速切除，保证电网 中的无故障部分正常运行1 3 】。如果高压断路器一旦在运行中发生故障或在故障时不 能正确的动作，将会造成严重的后果，小则引起一个地区的停电，给人们的社会生 活造成不便；大则导致电网瓦解、系统崩溃，给国家的经济建设和政治生活带来不 可弥补的重大损失。因此，高压断路器及其运行可靠性直接关系到整个电力系统的 安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。 “十一五 期间，我国将迎来电网建设的新高潮。全国电网建设的总投资将达 1 2 万亿元。我国电网建设主要表现在加快超高压和特高压电网建设。投资2 2 0 0 亿 元打造3 1 个重点城市电网( 城网) ，农村电网建设改造进人快车道。电网的大发展使 高压断路器的安全越来越重要。 目前，河北南部电网2 2 0 k v 电网已经实现了解环运行，此后超高压电网的重要 性将日益突出。但在2 0 0 7 年，河北省公司系统发生三起某类型罐式断路器内部放 电闪络故障( 分别为蔺河站5 0 4 2 开关故障、沧西站5 0 2 3 开关故障和廉州站5 0 4 3 开关故障) ，其他发电集团系统( 如定州电厂) 也有几起罐式断路器事故，对电网 的安全、稳定、健康运行造成了不良影响。 与此同时，断路器的主要动作机构一液压机构的问题也有增加的趋势，由于液 压机构输出功率大、动作快、操作平稳等优点，广泛用于操作高压断路器，尤其是 超高压断路器，如s w 2 2 2 0 型配用c y 5 、c y 3 、c y a 、c y 5 i i 型液压机构。但液 压机构由于设计、加工、维护等问题经常出现机械、液压故障，由此造成的危害和 损失越来越严重，它已经成为影响断路器安全运行的重要因素，会影响断路器正常 的分合闸性能，甚至会造成断路器慢分爆炸，拒分拒合扩大电网事故等。 而在全国范围来看，该类型断路器在其他地区也曾发生过类型故障，具体情况 如表1 1 所示： 1 华北电力人学【科硕士学位论文 表卜l ：罐式断路器的类似故障部分统计 序 地点时间 故障状况 号 母线开关，断路器处于分闸状态，隔离开关合闸时 2 0 0 7 5 2 9 放电。 河南新乡 l2 0 0 7 5 2 9 母线开关，断路器处于合闸状态，投运2 4 秒时放电。 获嘉变 变压器侧开关，断路器处于分闸状态，隔离开关合 2 0 0 6 9 1 8 闸时放电。 2 0 0 4 5 1 3 变压器侧开关，断路器处于分闸状态，隔离开关合 安徽合肥 闸时放电。 2 肥西变 变压器侧开关，断路器处于分闸状态，隔离开关合 2 0 0 6 5 7 闸时放电。 1 9 9 5 断路器检修后合闸时放电。 北京安定 母线开关，断路器处于分闸状态，隔离开关合闸时 3 变 2 0 0 6 2 放电。 河北霸州 2 0 0 3 12 2 4母线开关，送电冲击空载线路时放电。 为提高设备安全运行水平，确保电网的安全运行，制定正确合理的治理措施已 迫在眉睫，具有较高的现实意义。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 高压断路器的制造水平现状 高压断路器的发展水平代表了一个国家电力工业输变电设备的发展水平，它的 开发与制造水平对电力系统安全运行和电力工业的发展有着重要的依存关系。因 此，许多国家都在这方面进行了大量的理论和试验研究。 国内断路器行业大中型企业经过几十年来的不懈努力，尤其是通过国家“六五 至“十一五”科技攻关和一系列重大技术引进与技术改造，对产品的设计水平与制 造能力有了极大提高。目前，开关产品的技术水平已从初期的油断路器、空气开关， 进入到了以真空断路器和s f 6 断路器及其成套设备( g i s ) 为主导的新时代；设备电压 等级从交流1 2 、3 5k v 提升到7 5 0k v ，并正在向1 1 0 0k v 特高压电压等级发展；机械 加工从最基本的工艺手段发展到具有适合规模化、专业化生产的大型数控机床、加 2 华北电力人学l ：程硕十学位论文 工中心、柔性生产线及专用工艺装备；产品性能从仅能满足近距离机械连锁操作， 向可以远距离、无人值守的自动遥控、遥测操作发展；产品的灭弧机理、灭弧室结 构的设计研发更为科学、先进，更加安全可靠：产品实现了真正意义上的计算机辅 助设计，产品主要技术性能接近或达到了世界先进水平。多年来通过实施以自主研 发为主，并与引进技术二次开发相结合的技术研发路线，加快了中高压开关设备的 技术进步。近年来市场上推出了1 2 、2 0 1 0 0k a 系列化、小型化、大容量真空断路 器，该系列产品主要技术参数达到了世界先进水平。并正向1 1 0 2 2 0k v 电压等级发 展。鉴于真空断路器具有体积小、免维护、无污染，可频繁操作，适合专业化、规 模化生产等特点和良好的性能价格比优势，因此深受用户和制造厂家的欢迎，成为 中压开关无可替代的主导产品。完成了l o 3 5k v 充气柜技术平台的建立；实现了气 体绝缘设备小型化的技术提升。经过多年来的技术引进和合资、合作生产，通过走 与自主开发相结合的研发路线，产品技术水平提升迅速。自行开发研制了1 2 6k v 小 型化、分体式s f 6g i s 设备1 2 6 2 5 2k v 新型自能灭弧s f 6 断路器，并完善了从3 5 2 5 2 k v 全系列双结构自能灭弧单元和1 2 6 2 5 2k v 小型化g i s 的技术提升，开始了对复合 电器的研制。高压s f 6 断路器( g i s ) 设备在用户中有较好的产品性价比声誉，在国内 高压电网的装备中占有较高的比例1 4 j 。 国内生产5 0 0k vs f 6 断路器的厂家有西安、平项山和沈阳三家高压开关厂。其 中平高和沈高在7 0 年代末和8 0 年代初分别从法国m g 公司引进f a 系列4 断口s f 6 断路器生产技术，并在引进的基础上，率先推出符合国情的l w 6 5 0 0 系列断路器， 并从1 9 8 2 年起在我国华中、华北和东北等电网开始投入运行。早期投运的断路器 绝大部分已进行了大修或更换，但也有一台已运行1 8 年的断路器由于运行情况较好 至今没有解体大修过，此类产品有较多的运行经验但随着s f 6 断路器灭弧能力和 断口耐压水平的提高，5 0 0k v4 断口断路器已不适应电力建设的要求，属不选用或 淘汰产品，双断口断路器已是目前和今后5 0 0k v 断路器选型的方向。国内只有平 顶山高压开关厂子1 9 9 8 年研制出双断口的l w l 0 b 一5 5 0 5 0 k a 断路器，但到目前 尚无运行业绩。5 0 0k vs f 6 断路器在质量、工艺、产品开发和售后服务等方面，国 内厂家的产品比国外厂家还有一定的差距。 国外5 0 0k vs f 6 断路器近十余年来发展较快，更新换代也较快。随着国内5 0 0k v 电网的建立和发展，早期m g 公司的f a 系列、瑞士b b c 的e i f s i 系列、西门子的 3 a s 5 系列以及日立、三菱等公司4 断口s f 6 断路器和g e c a l s t h o m 公司的 f x 3 z 三断口s f 6 断路器在我国各地已有应用。近年来国内外投运的5 0 0k v 断路器选 用都以双断口断路器为主，开断能力在5 0 k a 至6 3k a 。特别是在6 3k a 断路器的应 用上，我国为世晃上断路器的发展起了相当大的推动作用。 在断路器结构上，灭弧室和操作机构型式也是百花齐放，性能各有千秋。国际 3 华北电力犬学l ：程硕士学位论文 上，由于各大电器制造公司、制造厂重组并购不断，到目前产量较大的5 0 0k vs f 6 断路器生产厂家只剩三家。分别为德国西门子公司的3 a t 2 3 型( 3 型为带合闸电阻) 双断口5 0 5 3k a 液压操作机构断路器、法国阿尔斯通公司f x 2 z 型双柱双断口5 0 6 3k a 液压操作机构断路器和a b b 公司h p l 5 5 0 t 双断口5 0 6 3k a 全弹簧操作机 构断路器a b b 公司由于内部调整，其瑞士苏黎世工厂已不生产，在我国有较好运行 业绩的e l f s p 系列双断口5 0 6 3k a 液压弹簧操作机构断路器，而全力推销a b b 瑞 典工厂生产的h p l 5 5 0 t 型全弹簧操作机构断路器。 1 2 2 高压断路器的状态监测 世界各国对故障状态监测都比较重视，i e e e 的开关委员会对高压断路器的监测 选型已有指导标准。高压断路器在线状态监测的研究工作在国内外也都非常热门， 研究范围涉及到各种类型高压断路器故障的机理、故障类型的分布、故障特征的提 取、故障分析诊断的方法以及在线状态监测装置的研制【5 谓l 。研究对象包括油断路器、 s f 6 断路器、真空断路器、g i s 封闭式组合电器。研究方向主要有以下几个方面：机 械性能的监测、触头行程和速度监测、电寿命监测、s f 6 气体监测、绝缘监测、温度 监测、真空断路器的真空度的监测、二次电气部分以及监测装置或系统的研制技术 笙竺【9 1 2 j 寸可 。 状态检修的基础是状态监测( c m ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) 。高压断路器的在线状 态监测就是对高压断路器的某些重要参数进行长期连续的在线监测，而且对这些重 要参数的变化趋势进行比较分析，提供设备现有的运行状态，判断有无故障的先兆， 为状态检修提供依据。 目前己有可能通过诸如传感技术、光纤技术、计算机技术、红外技术及通信技 术等多种技术手段，对“电”、“热”、“声 、“化”、“光”等参数进行检测， 获得设备的状态信息。国内外相关科研单位也己开发出了一系列的高压断路器状态 监测装置( 系统) ，并投入生产实践。但是从这些装置( 系统) 的工作可靠性和正确性来 看，还有待实践的证实和不断总结提高。信息的采集、测量的精确度、数据传输的 准确性和装置工作的可靠性等各个环节都存在一些尚须进一步研究解决的问题。总 的来说高压断路器的在线监测技术与监测装置或系统的研发仍处于探索阶段。 高压断路器的全部使命，归根结底是体现在触头的分合动作上。断路器的全部 性能参数归根结底也是为了保证高压断路器可靠的分合。因此高压断路器的状态监 测必须是以开断性能为中心，所监测的状态量能够直接或间接的反映高压断路器的 开断性能，以保证能够反映高压断路器的实时状态，为状念检修提供依据。 目前，对电力设备包括高压断路器实施状态监测的装置( 系统) ，大致可以分为： 集中式在线监测系统和便携式在线监测系统。2 0 0 3 年3 月份在第一届全国电气设备 4 华北电力大学工程硕十学位论文 状态监测与故障诊断技术研讨会上，展示的关于状态监测的新产品代表了我国目前 此类产品的最高水平。电力设备包括高压断路器要进行在线监测状态检修，就必须 有相应的投入。但是考虑到可靠性( 监测装置到底能有多大程度的可信度) 、可行性 ( 是否己有可靠适用的监测诊断设备和手段，设备有多大程度的可诊断性) 和经济性 ( 及时发现设备故障安排检修所避免的损失是否大于对设备购置监测诊断装置的投 入，对老旧设备进行监测装置的投入是否值得，对低值易耗品的一些设备是否值得 对它的状态进行监测投资等) ，并不是所有的用户都愿意采用状态监测装置( 系统) ， 这就大大限制了状态检修的普及和发展。总体来说我国目前电力设备包括高压断路 器的在线监测的技术和产品的研发及应用都处在探索发展阶段。 1 2 3 高压断路器的故障诊断 断路器监测参数包括主轴角位移信号、分合闸线圈电流信号、储能电机电流信 号、三相触头振动信号，其参数种类多、处理的数据量大，要想及时判断当前断路 器的工作状况，需要专家系统来实现故障诊断以及给出故障解决方法。 目前国内外关于断路器故障诊断专家系统的研究较少，将c l i p s 专家系统核( 包 括知识库和推理机) 封装成动念链接库( d l l ) ，并将各种复杂的规则预先存放在知识 库中，再根据对故障参数的初步判断结果逐步调用其它规则进行故障诊断，这种逐 级递推的故障诊断方法诊断速度较慢；利用人机接口界面来进行推理判断故障类 型，故障诊断过程基本靠人工参与逐步完成，诊断速度慢且人为因素过多。 上述专家系统没有采取新知识获取的措施，也不具备知识库中知识的自更新功 能。但由于目前对断路器的在线监测技术研究还不完善，断路器故障类型了解也不 全面，所以断路器故障诊断专家系统知识库中的知识也需要不断进行补充。针对断 路器故障诊断要求快速、专家系统知识库知识获取的需求，目前有研究一种改进型 的神经网络，并将其应用于断路器故障诊断专家系统以实现断路器故障的快速诊断 和专家系统的知识库知识获取功能。人工神经网络具有良好的自组织、自学习和自 适应能力，因而特别适用于处理复杂问题或开放系统。 目前已有将人工神经网络应用于设备故障诊断的成功经验。基于神经网络的专 家系统可以充分发挥神经网络和专家系统的优点使得诊断系统更为完善，已得到广 泛的应用。研究的断路器故障诊断专家系统中，利用神经网络进行故障编码的获取。 因神经网络模拟人脑，采用并行存储和处理结构，具有很快的处理速度，可以改善 前述专家系统诊断速度慢的缺点。 利用已有故障类型特征量训练神经网络，调整神经网络的结构和权值，使其可 以满足故障诊断的精度要求。将故障编码及与之相对应的故障类型存放在知识库 中，在故障诊断时，只需将待诊断的故障状态特征量输入专家系统，专家系统调用 s 华北电力大学工程硕士学位论文 神经网络进行识别，并输出与输入故障特征量相对应的故障编码，通过正向推理就 可以快速地获得故障状态特征量所对应的故障类型。如果经过神经网络故障诊断和 相关操作人员的确认，确实有新的故障类型，则在知识库中添加新故障状态特征量 和新故障类型编码，人工神经网络通过运行网络结构和权值自更新程序，可以实现 对新故障类型的准确识别。 目前提出了一种可以判断出现新故障类型的神经网络算法，但是该算法在应用 到专家系统中时，存在2 个问题：一是当发现新故障类型后，无法进行新故障类型 的确定；二是无法实现神经网络的网络结构及权值参数的自更新。所以需要对该神 经网络算法进行改进，以满足神经网络在专家系统中应用的方便性。 将人工神经网络应用于专家系统的故障诊断，主要是利用人工神经网络优越的 状态识别能力和自学习能力来诊断故障类型。基本思想是将设备正常状态和故障状 态的参数经过分类后用可以准确地表征设备状态的特征量来表示，不同的特征量对 应于不同的状态类型，状态类型通过状态类型编码来表示。利用神经网络模型的学 习功能，实现状态特征量跟状态类型编码之间的映射关系。神经网络通过相应的训 练后，就可以将输入神经网络的不同状态特征量准确地与实际状态类型编码相对 应，从而判断出设备状态特征量所对应的状态类型。 1 2 4 高压断路器的可靠性管理 高压断路器的可靠性管理【9 。l j 有三方面：全面地定义断路器的故障；准确建立 断路器的可靠性模型；获取完整的断路器或其部件的故障率数据。这是对高压断路 器进行可靠性管理的基础，如果将故障模式、影响分析与故障树分析相结合，对断 路器的可靠性分析就更有效、更实用。 电力设备的寿命管理覆盖了设备的寿命全过程，包括技术规范、开发、测试、 验收、安装、现场投运、检查、维护、诊断和监控、大修、拆除和处理以及所有必 需的管理行为。寿命管理是在对设备参数监测的基础上应用计算机技术分析设备的 发展趋势，估计剩余寿命，并在确保电力设备安全可靠运行的前提下追求设备寿命 期间的成本达到最低，进一步决定大修、更换或延期维护。剩余寿命主要取决于两 个方面：设备的老化和磨损程度；设备的缺陷( 这些缺陷是由于设计、制造、 安装、应用或维护不当造成的) 。 断路器的电寿命和机械寿命的预测是建立在在线监测和故障诊断的基础上。高 压断路器长期开断、关合正常和短路电流，在其丌断、关合的过程中动静触头之间 产生较强的电弧，在电弧高温作用下熔融或气化触头表面、灭弧室内表面被流体介 质冲走或喷溅，这就导致了断路器的触头表面和灭弧室的内壁逐渐被损坏，也就是 触头和灭弧室的电磨损。断路器的触头电磨损( 又称电寿命) 是断路器性能的重要指 6 华北电力大学工程硕士学位论文 标，用电磨损量衡量断路器电寿命的方法是现行的最有效方法，可使断路器的状态 检修成为可能。断路器电寿命的诊断方法有基于一厶曲线、模糊综合诊断法、利 用超行程时间和吸合时间建模法以及接触电阻法等。其中对于高压断路器的电寿命 预测，一厶曲线法是最有效也最常用的方法。设新的断路器或新更换触头的断路 器的触头相对电寿命( 磨损量) 为l o o 、额定短路开断电流下，断路器允许开断次数 为，则每次额定短路电流开断时的相对电磨损量为r 。根据不同断路器的一厶 曲线求得任意大小开断电流对应的等效丌断次数。，则对应的每次开断的相对电 磨损量为r ，则可计算出该断路器任一次开断时的相对电寿命： 三= “一q = ，一q l 式中，k 为断路器的额定电寿命数，是一个小于等于1 的百分数。与断路器的 电损耗一样，断路器在开断短路电流时机件上的损坏也有一个长期的积累过程，多 次操作后，传动、操动机构中的金属零件的强度和刚度变差，易锈蚀变形而造成卡 死，使断路器难以断开。另一方面，断路器在开断小电流或正常电流时，触头电损 耗非常小，即使多次开断也未达到它的电寿命。 每次的开断都会对断路器的机械部分产生一定程度的损伤，累积之后，断路器 在未达到电寿命时其操动机构己无法工作。断路器的机械寿命也是实施断路器状态 检修中寿命管理中的另一重要因素。一般以断路器的丌断次数作为衡量机械寿命的 重要指标，不同类型断路器有不同的机械寿命。断路器的允许开断次数通常在断路 器的说明书、交接文件中都作为定值给出。 1 3 当前存在的主要问题 研究表明断路器放电故障原因均为断路器罐体内部存在异物造成，且均为灭弧 室屏蔽罩对罐体放电，同时大部分故障发生在送电过程中。 由于s f 6 断路器内部绝缘采用稍不均匀电场结构，当有金属微粒存在时，会改变 原来产品内部的电场结构。国内研究部门通过对罐式断路器内部存在金属微粒情况 下的场强进行模拟计算( 模拟颗粒5 1 m m ) 表明：在1 6 7 5 k v 试验电压下，无金属 微粒处最大电场强度为2 5 5 k v m m ，金属微粒表面的电场强度为2 9 k v m m ，说明断 路器内部存在金属微粒时将会大大降低内部绝缘强度，易发生放电故障。因此罐式 断路器的内部放电问题是近期国内外开关厂家的一个研究热点，如何及早的发现问 题( 如超声波探测法、s f 6 气体分解物分析法) ，并找到根本性的治理办法，国内外 的专家和研究人员做了大量的工作。 一般来讲，发生放电故障主要是绝缘方面的原因。在罐式断路器灭弧室内部， 影响绝缘性能的因素有：气体压力、气体中水分含量、零部件表面粗糙度、绝缘件 表面状况、灭弧室内部的洁净度和过电压等。每次故障发生时，电站的资料显示断 7 华北电力人学1 ：程硕士学位论文 路器内部气体压力和水分含量都正常；所有产品出厂时都进行较严酷的出厂试验， 如果零部件表面粗糙度有问题，必然无法通过出厂绝缘试验；多次故障发生后解体 检查，从来没有发现绝缘件上有放电痕迹，都是s f 6 气隙击穿。因此，发生放电故障 的可能原因只有灭弧室内部清洁度和过电压两方面。 ( 一) 内部清洁度 因罐式断路器安装工艺与瓷柱式断路器的安装工艺不同，需在现场将断路器罐 体四面全部打开，安装人员进入罐体内部安装拉杆及套管，因此断路器内部异物来 源主要有三点： 一是断路器在安装过程中工艺控制不严，将外界异物带入断路器本体内，导致 断路器内部场强变化印发放电。 二是由于断路器在安装时将本应取出的物体遗漏于开关内部，导致放电事故： 三是由于断路器制造工艺控制不严，在运行中由于摩擦、碰撞等原因产生金属 微粒或应清理的螺丝孔未清理干净，断路器分合闸操作震动下金属微粒脱落等引发 的故障。 ( 二) 过电压 另外一方面，也有可能是在操作隔离开关时产生了过电压，此时断路器内部存 在的导电微粒对内部场强的劣化，导致了放电的发生。 断路器内部电场较强部位存在导电微粒，这些导电微粒的存在同样会劣化电场 分布，但是在正常运行电压下不会放电。当隔离开关或断路器操作时，会产生操作 过电压，虽然这一操作过电压没有超出设备应该承受的范围，但是由于导电微粒的 对电场分布的劣化，导致了局部电场达到了击穿场，从而发生放电。 1 4 本文的主要研究内容 针对河北电力公司超高压公司的实际情况，本文重点对以下问题进行了研究： 1 在对5 0 0 k v 高压断路器的结构特点进行分析的基础上，对5 0 0 k v 高压断路器 的常见故障进行分析，并针对具体发生故障的断路器进行详细的实际分析。 2 对5 0 0 k v 高压断路器的放电原因进行理论分析与试验研究，采用c f d a c e + 计算仿真软件计算实际断路器的电场分布，并采用冲击试验实际验证其绝缘能力。 3 根据理论分析与试验研究的结果，提出断路器的改造方案，并对改造后的 效果进行了统计分析。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章断路器故障情况分析 2 15 0 0 k v 高压断路器的结构特点 2 1 1 技术参数 1 额定电压及额定电流 额定电压是指断路器长期工作的标准电压( 对三相系统指线电压) 。电力系统 在运行中允许有5 的波动，断路器必须适应在电压变化范围内能长期工作，为此 断路器出厂时都以最高工作电压进行鉴定。如：对3 2 2 0 k v 范围内，其最高工作电 压较额定电压约高1 5 左右；对3 3 0 k v 以上，规定最高工作电压较额定电压高1 0 。 额定电流指在额定频率下长期通过此电流时，断路器无损伤，且各部分发热不 超过长期工作时最高允许发热温度。我国规定额定电流为：2 0 0 、4 0 0 、6 3 0 、( 1 0 0 0 ) 、 1 2 5 0 、1 6 0 0 、( 1 5 0 0 ) 、2 0 0 0 、3 1 5 0 、4 0 0 0 、5 0 0 0 、6 3 0 0 、8 0 0 0 、 l o 0 0 0 、 1 2 5 0 0 、 l6 0 0 0 、2 0 0 0 0 a 。 2 额定开断电流和额定断流容量 断路器在开断操作时，首先起弧的某相电流称为开断电流。在额定电压下，能 保证正常开断的最大短路电流称为额定丌断电流。它是标志断路器开断能力的一个 重要参数。我国规定额定开断电流为：1 6 、3 1 5 、6 3 、8 、1 0 、1 2 5 、1 6 、2 0 、2 5 、 3 1 5 、4 0 、5 0 、6 3 、8 0 、1 0 0 k a 等。 把额定条件下的开断能力称为额定断流容量。三相电路的额定断流容量，以 s 删= 3 j 删( m v a ) 表示。 我国根据国际电工委员会( i e c ) 的规定，现只把额定开断电流作为表征开断 能力的唯一参数，而断流容量仅作为描述断路器特性的一个数值。 3 关合能力 说明断路器关合短路故障能力的参数为额定关合电流。其数值以关合操作时， 瞬态电流第一个大半波峰值来表示，制造部门对关合电流一般取额定丌断电流的 1 8 2 倍即k = 1 8 2 ，删= 2 5 5 删 式中 ，g 额定关合电流，k a ；，删额定开断电流，k a 。 断路器关合短路电流的能力除与灭弧装置性能有关外，还与断路器操动机构的 合闸功率的大小有关。 4 耐受性能 9 华北电力人学一f ：程硕十学位论文 断路器应具有足够的耐受短时短路电流作用的能力，简称耐受能力。 ( 1 ) 短时热电流( 热稳定电流) ，在规定的时间内( 规定标准时间为2 s ，需要 大于2 s 时推荐4 s ) 断路器在合闸位置，可能经受的短时热电流有效值( k a ) ，称为 短时热电流( 或短时耐受电流) ，断路器标准中规定= ，删，短时热电流通过断 路器时，各零部件的温度不应超过短时发热最高允许温度，且不致出现触头熔接或 软化变形，以及其它妨碍正常运行的异常现象。允许发热最高温度数值随材料而异。 ( 2 ) 峰值耐受电流，峰值耐受电流亦称动稳定电流，即在规定的使用条件和 性能下，断路器在合闸位置时所能经受的电流峰值。它与关合电流不同的是，峰值 耐受电流是断路器处于合闸位置时通过的短路电流，而关合电流则是由于断路器关 合短路故障所产生的短路电流。峰值耐受电流也是以短路电流的第一个大半波峰值 电流来表示，且，咖= ，= 2 5 5 ，m 峰值耐受电流反映了断路器承受由于短路电流产生电动力的耐受性能，它决定 断路器的导电部分和绝缘支撑件的机械强度以及触头的结构形式。 5 操作性能 ( 1 ) 全开断时间，是指断路器接到分闸命令瞬间起到电弧熄灭为止的时i 创间 隔。即f 树= + “ 式中m 全开断时间，s ； 分闸时问，s ；从断路器接到分闸命令瞬间到所有相的触头都分 离的时间间隔，亦称为断路器固有分闸时间； 一燃弧时间，s ：是指某一相首先起弧瞬间到所有相电弧全部熄灭 的时间间隔。 2 1 2 结构特点 1 本体结构特点 为了满足5 0 0 k v 双断口需要，一般断路器每相由两柱组成，共三相六柱，每台 断路器配一只电控柜，内含就地分合闸操作按钮、各种开关、继电器、加热器、每 相开关操作次数计数器和电动机起动运行次数计数器等。 s f 6 系统各相是相互独立的，每相两柱间用管道连接至同一个s f 6 密度继电器。 断路器本体包括灭弧室、均压电容器、均压环、绝缘支柱、s f 6 系统、密度继电器和 合闸电阻。灭弧室采用变开距灭弧结构，主触头中间为铜钨材料的弧触头，主触头 位于弧触头的外围。动触头的触指压力由触指弹片保持，动触头前部为塑料喷嘴。 小电流开断主要靠压气简吹气灭弧，大故障电流开断靠自能和压气筒产生的高速气 流灭弧。在灭弧室和绝缘支柱之间呈三角形布置安放有3 筒吸附剂，用于吸附s f 6 气 1 0 华北电力大学i ：稃硕十学位论文 体中的杂质、微水和分解物，并可阻隔灭弧室开断时断口s f 6 气体波动对绝缘支柱内 气体的影响断路器如需带合闸电阻，则可在灭弧室的上部安装( 垂直布置) 。合闸电 阻的一端( 顶端) 通过金属帽子和断路器静主触头及灭弧室上接线引出端相连，合闸 电阻的另一端( 下端) 和可上下滑动的同断路器静主触头隔离嵌装的合闸电阻上辅助 触头相连。合闸电阻的下辅助触头固定安装在断路器动主触头的外侧并可随动主触 头一起运动在合闸时，断路器动主触头在上升过程中，位于外侧的合闸电阻下辅助 触头预先和上辅助触头面对面接触，接通电阻随着动主触头继续上升，下辅助触头 也向上升，同时将上辅助触头向上顶。经过合闸电阻预接入时间8 1 0m i n 后，断路 器主触头合上。合闸到底时，由于上辅助触头和合闸电阻金属导杆间存在压缩气室， 可对辅助触头起到一定的缓冲作用。分闸时，由于动主触头分闸速度足够快，加上 合闸电阻上辅助触头有气室缓释阻尼，保证了合闸电阻辅助触头不是最后分开在 断路器主弧触头正常分开熄弧后，上辅助触头在复位弹簧的作用下复位，以便不影 响下次合闸( 或重合闸) 操作 2 灭弧室结构特点 高压断路器常采用定开距压气式双向内喷射灭弧原理，在两个固定不动的静触 头前面配置有耐弧的石墨触头，桥式动触头引弧部位也镶嵌有引弧石墨园环，带动 桥式动触头运动的连杆系统，在带动压气筒运动的同时还带动活塞作反向运动，从 而加快压缩灭弧用气体。在桥式动触头的吹气缸吹气部位还设有特殊的喘流罩，以 便消灭吹弧死区两石墨静触头间的距离约为7 0m m ，灭弧室顶部还设置防爆膜作为 后备保护。 这种定开距灭弧室的石墨喷嘴是其主要特点，表现在加工精确，电场均匀，耐 弧性能极好，电寿命长但断口的绝缘裕度不如变开距结构的大，导电触头和石墨 弧触头连在一起，导电触头容易受电弧的影响在分合闸时，压气室活塞向桥式动 触头反方向运动，结构比较复杂，运动及传动部件多，因此对设计和安装工艺要求 很高另外，在试验测量分合闸时间时，因为在桥式动触头与石墨喷嘴的分合过程 中接触电阻不稳定，不容易判断准确的刚分刚合瞬间，对于这种定开距结构的断路 器，试验时间参数时要用厂方提供的专用x b t 型测试仪。 在s f 6 系统中，连接密度继电器的充气阀结构很有特色，当用一专用螺钉插入后， 密度继电器就与整体的s f 6 系统暂时分离，不必充放本体中的s f 6 气体就可方便地进 行密度继电器的校验 3 操动机构的特点 高压断路器的操作机构通常是液压机构，采用差动原理动作。与常见2 2 0k v 同 类断路器用液压机构不同的是多了一级传动结构，即分合闸阀先要带动导向控制阀 的活塞，然后带动主阀的活塞，最后再驱动液压操作筒的差动活塞。这样，一级阀 1 1 华北电力人学l ：稃硕十学位论文 可用常规的分合闸电磁阀就可以控制动触头分合闸所需要的能量。液压机构均为模 块化设计，将连接管路减小到最少，并全部在工厂组装好，在现场安装没有管道的 连接该液压机构还设置有油压泄压后打压时的防慢分装置、分合闸缓冲结构、氨气 泄漏报警等设施。 2 2 断路器故障分析 2 2 1 断路器常见故障 断路器是变配电的重要电气设备，不仅可以接通和断开线路电流，而且当线路 发生故障时，它和保护装置、自动装置相配合，能迅速切断故障，以减少停电范围， 防止事故的扩散。断路器在现场常见的故障包括： 1 断路器烧坏或爆炸，当断路器在缺油情况下切断短路电流，电弧不能熄灭， 将引起断路器烧坏甚至爆炸。在断路器切断超过容许短路电流时，会造成断路器触 头熔焊。 2 断路器绝缘子破坏，当拉杆瓷瓶断裂，橡皮密封垫有缺陷时此类故障容易 发生。 3 断路器操作机构拒绝跳闸和拒绝合闸以及自动跳闸或自动合闸，此类故障 一般是由于操作机构的问题造成，发生在远方操作断路器时，会延迟事故的消灭， 扩大事故影响。 4 断路器严重渗油或油变质。 5 断路器运行温度不正常 2 2 2 断路器故障统计 统计资料显示，截止到2 0 0 4 年底，国家电网公司系统7 2 5 5 0k v 高压断路器 ( 含g i s 间隔数) 装用量总计为2 7 5 3 7 3 台。7 2 5k v 及以上电压等级断路器5 2 4 5 l 台，其 中s f 6 断路器占7 4 。7 2 5k v 及以上电压等级隔离丌关1 5 7 8 5 8 台。截至2 0 0 4 年底， 国网系统运行的7 2 5 5 0k v 高压断路器比2 0 0 3 年增加7 3 8 3 台，同比年增长率为2 7 5 。其中4 0 5k v4 5 2 13 台。 2 0 0 4 年国网系统高压断路器发生事故4 6 台次，发生障碍3 4 6 台次，发生事故和 障碍共计3 9 2 台次，平均故障率为0 1 4 2 台次百台年，比2 0 0 3 年上升了1 6 4 。其 中平均事故率为o 0 17 台次百台年，同比2 0 0 3 年上升3 0 8 ；平均障碍率0 1 2 6 台次 百台年，同比2 0 0 3 年上升1 5 6 。各电压等级的高压断路器的事故按类型统计结果 如表2 1 所示，障碍按类型统计结果如表2 2 所示，高压断路器发生事故、障碍按责 任统计见表2 3 。 1 2 华北电力大学：l ：程硕士学位论文 其中，4 0 5 k v 事故台次1 0 次，事故率为0 0 2 2 台次百台年，占总事故次数的2 1 7 。障碍台次4 0 次，障碍率为0 0 8 8 台次百台年，占总障碍次数的1 1 6 。 表2 1 各电压等级的高压断路器的事故按类型统计 电压等级 拒分拒合 开断与 绝缘误动载流 外力及 总计 k v 关合其它 7 2 1 2 4 1571o22 0 4 0 5l024 0l2l o 1 2 620l222 31 0 2 5 2oo2ooo o2 5 5 0o003o014 总计711 01 63l84 6 事故比率 l5 22 。2 2 1 73 4 86 52 21 7 410 0 表2 2 各电压等级的高压断路器的事故按类型统计 电压等级开断与 外力及 k v 拒分拒合绝缘误动载流 总计 关合其它 7 2 1 2 l 3l 5 3 1 8l 4 25 6 4 0 551 0l20 21 04 0 1 2 691o051 18 7l1 3 2 5 231 1o4448 3 1 0 6 5 5 01 4 1120152 4 总计 3 25 0 54 0882 0 33 4 6 事故比率 9 21 4 51 41 1 6 2 32 35 8 7l o o 表2 3 高压断路器发生事故、障碍按责任统计 责任类型运行 检修制造其他合计 事故台次 363 25 4 6 占事故总数比例6 51 3 06 9 61 0 9 l0 0 障碍台次63 22 6 24 63 4 6 占障碍总数比例 1 7 9 27 5 71 3 31 0 0 华北电力人学。【程硕士学位论文 国家电网公司系统共发生事断路器事故4 6 台次，障碍3 4 6 台次，共计3 9 2 台次。 2 0 0 4 年国家电网公司系统1 2 5 5 0k v 各电压等级断路器故障率均比2 0 0 3 年有所上 升，其中5 5 0k v 断路器故障率上升4 2 ，3 6 3k v 断路器故障率上升1