SF6断路器故障诊断方法研究-硕士论文

广东工业大学硕士学位论文广东工业大学硕士学位论文 （工程硕士） S F 6断路器故障诊断方法研究 陈基荣 二一七年五月 分类号：学校代号：1 1 8 4 5 U D C ：密 级：学号： 2 4 3 1 4 0 4 0 0 3 广东工业大学硕士学位论文广东工业大学硕士学位论文 （工程硕士） S F 6断路器故障诊断方法研究 陈基荣 指导教师姓名、职称：孟安波教授 企业导师姓名、职称：无 专业 或领域 名 称：电 气 工 程 学 生 所 属 学 院：自动化 学 院 论 文 答 辩 日 期：2 0 1 7 . 0 5 AD i s s e r t a t i o nS u b mi t t e dt oG u a n g d o n gU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y f o r t h eD e g r e eo f Ma s t e r o f E n g i n e e r i n g R e s e a c ho nf a u l t d i a g n o s i s o f S F 6c i r c u i t b r e a k e r s Ma s t e r C a n d i d a t e : C h e nJ i r o n g S u p e r v i s o r : P r o f . Me n ga n b o Ma y . 2 0 1 7 F a c u l t y o f Me c h a n i c a l a n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g G u a n g d o n gU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y G u a n g z h o u , G u a n g d o n g , P . R . C h i n a , 5 1 0 0 0 6 广东工业大学硕士学位论文 I 摘 要 高压断路器是电力系统中重要的电气设备之一，它使用数量多、范围广，应用 在电力系统的各种电压等级中。高压断路器在电能生产、传输、分配过程中的主要 作用是：在正常情况下，控制各种电气设备和电力线路的断开及投入；在电力系统 发生故障时，与继电保护及自动控制装置相配合，快速切断故障电流，缩小事故范 围，以保证电力系统的正常运行。因此，它是否具有优良的性能，直接影响到电力 系统的稳定和安全运行，在经济效益和社会效益方面具有非常重要的意义。随着电 力系统向大容量、高电压的不断发展，相应地高压断路器的种类也日益增多。高压 断路器主要可分为压缩空气断路器、油断路器、真空断路器、S F 6断路器及 S F 6混 合气体断路器等类型。本文针对 S F 6断路器开展了相应的研究： 开展关于 S F 6断路器的基础研究，包括了断路器的功能与用途，高压断路 器的特点，断路器的参数，包括额定电压、额定电流、额定短路开断电流、极限通 过电流和额定短路关合电流、额定短时耐受电流( 额定热稳定电流) 、分闸时间、合 闸时间、操作顺序等；断路器的主要组成部分，分别详细介绍了导电回路、灭弧装 置、绝缘系统和操动机构四个主要结构，通过对断路器的基础研究，为后续断路器 的故障分析奠定了理论基础。 对 S F 6断路器进行了故障分析，首先分析了 S F 6断路器的常见故障，包括 了拒动和误动故障、开断与关合故障、载流故障、绝缘故障以及部件变形损坏与外 力印发的故障，并针对以上五种故障进行了详细的故障原因分析以及故障处理方法 介绍，通过上述分析为下文的 S F 6断路器的故障诊断方法奠定了基础。 基于上述原理分析，对 S F 6断路器的诊断方法进行了探讨，分为了高压试 验的判断方法以及化学检测方法。首先详细介绍了高压试验的判断方法，包括了主 回路电阻测量，断口间并联电容器电容量和介质损耗因数、交流耐压试验、例行检 查和试验；接着介绍了 S F 6断路器气体分解和化学检测方法，主要包括了 S F 6气 体分解物的检测、纯度检测以及含水量检测。通过上述两种方法的分析，可以得到 现有的 S F 6断路器的诊断方法，最后，通过实例分析，来验证了上述方法的可行性 和可靠性。 关键词：S F 6断路器， 故障分析，诊断方法，高压试验，化学检测 摘 要 I I 广东工业大学硕士学位论文 I I I A B S T R A C T H i g h - v o l t a g ec i r c u i t b r e a k e r sa r eo n eo f t h ei mp o r t a n t e l e c t r i c a l e q u i p me n t i n t h ep o w e r s y s t e m. I t i su s e di naw i d er a n g ea n dw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n si n v a r i o u sv o l t a g ec l a s s e so fp o w e rs y s t e ms .H i g h - v o l t a g ec i r c u i tb r e a k e ri nt h e e n e r g yp r o d u c t i o n , t r a n s mi s s i o n , d i s t r i b u t i o np r o c e s so ft h ema i nr o l ei s : u n d e r n o r ma l c i r c u ms t a n c e s , c o n t r o l av a r i e t yo f e l e c t r i c a l e q u i p me n t a n dp o w e r l i n e s d i s c o n n e c t e da n di n p u t ; i nt h ee v e n t o f p o w e r s y s t e mf a i l u r e , a n dr e l a yp r o t e c t i o n a n da u t o ma t i cc o n t r o l D e v i c et oma t c h , q u i c k l y c u t o f f t h ef a u l t c u r r e n t , r e d u c et h e s c o p eo ft h ea c c i d e n tt oe n s u r et h en o r ma l o p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m. T h e r e f o r e , w h e t h e r i t h a se x c e l l e n t p e r f o r ma n c e , ad i r e c t i mp a c t o nt h es t a b i l i t yo f t h ep o w e r s y s t e ma n ds a f eo p e r a t i o n , i nt e r ms o f e c o n o mi ca n ds o c i a l b e n e f i t s h a s av e r y i mp o r t a n t s i g n i f i c a n c e . T h eb a s i cr e s e a r c ho nt h eS F 6c i r c u i t b r e a k e r i sc a r r i e do u t , i n c l u d i n gt h e f u n c t i o na n du s eo ft h ec i r c u i t b r e a k e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g hv o l t a g e c i r c u i t b r e a k e r , t h ep a r a me t e r so f t h ec i r c u i t b r e a k e r a n dt h ema i nc o mp o n e n t so f t h ec i r c u i tb r e a k e r .T h ec o n d u c t i v ec i r c u i t ,t h ea r ce x t i n g u i s h i n g d e v i c e ,t h e i n s u l a t i o ns y s t e m a n dt h ei n s u l a t i o ns y s t e m a r ed e s c r i b e di nd e t a i l . T h ef o u r ma i n s t r u c t u r e so f t h eo p e r a t i n gme c h a n i s m, t h r o u g ht h eb a s i cr e s e a r c ho nt h ec i r c u i t b r e a k e r , l a i dt h et h e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r t h ef a i l u r ea n a l y s i so f t h es u b s e q u e n t c i r c u i t b r e a k e r s . T h ef a u l t a n a l y s i so f t h eS F 6c i r c u i t b r e a k e r i sa n a l y z e d . F i r s t , t h ec o mmo n f a u l t so f t h eS F 6c i r c u i t b r e a k e r a r ea n a l y z e d , i n c l u d i n gf a i l u r ea n dma l f u n c t i o no f t h eS F 6 c i r c u i tb r e a k e r ,b r e a k i n g a n d c l o s i n g f a u l t s ,c u r r e n tc a r r y i n g f a u l t s , i n s u l a t i o nf a u l t sa n dd a ma g ec a u s e db yd e f o r ma t i o na n de x t e r n a l f a u l t s, A n df o r t h ea b o v ef i v ek i n d so ff a i l u r e sw e r ed e t a i l e df a u l t a n a l y s i sa n df a u l t h a n d l i n g me t h o d si n t r o d u c e db yt h ea b o v ea n a l y s i sf o r t h ef o l l o w i n gS F 6c i r c u i t b r e a k e r f a u l t d i a g n o s i s me t h o dl a i dt h ef o u n d a t i o n . B a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s , t h ed i a g n o s i sme t h o do f S F 6c i r c u i t b r e a k e r A B S T R A C T I V i sd i s c u s s e d , w h i c hi sd i v i d e di n t ot h eme t h o do f h i g hp r e s s u r et e s t a n dc h e mi c a l d e t e c t i o nme t h o d . F i r s t , t h eme t h o do f j u d g i n gt h eh i g hv o l t a g et e s t i s i n t r o d u c e di n d e t a i l ,i n c l u d i n g t h e ma i n c i r c u i tr e s i s t a n c e me a s u r e me n t ,t h e c a p a c i t a n c e b e t w e e nt h ep a r a l l e l c a p a c i t o r a n dt h ed i e l e c t r i cl o s sf a c t o r , t h eA Cv o l t a g et e s t , t h e r o u t i n e i n s p e c t i o n a n d t h e t e s t .T h e n ,t h e S F 6 c i r c u i tb r e a k e r g a s d e c o mp o s i t i o n a n d c h e mi c a ld e t e c t i o n Me t h o d s , i n c l u d i n g t h e S F 6 g a s d e c o mp o s i t i o no f t h ed e t e c t i o n , p u r i t yd e t e c t i o na n de x i s t i n gS F 6c i r c u i t b r e a k e r d i a g n o s t i cme t h o d . K e y w o r d s :K e y w o r d s : S F 6c i r c u i t b r e a k e r s , f a u l t a n a l y s i s , d i a g n o s t i cme t h o d s , h i g hp r e s s u r e t e s t s , c h e mi c a l t e s t i n g 广东工业大学硕士学位论文 V 目 录 摘 要I A B S T R A C TI I I 目 录V C O N T E N T SV I I 第一章 绪论1 1 . 1课题研究背景和意义1 1 . 2国内外发展现状1 1 . 3本文的研究内容及主要工作4 第二章 S F 6断路器的基础研究5 2 . 1断路器的功能5 2 . 2高压断路器特点5 2 . 3断路器参数6 2 . 4断路器主要组成部分7 2 . 5本章小结9 第三章 S F 6断路器的故障分析1 0 3 . 1S F 6断路器常见故障1 0 3 . 1 . 1拒动和误动故障及危害1 0 3 . 1 . 2开断与关合故障及危害1 0 3 . 1 . 3载流故障及危害1 1 3 . 1 . 4绝缘故障及危害1 1 3 . 1 . 5部件变形损坏与外力引发的故障及危害1 1 3 . 2故障原因分析1 2 3 . 2 . 1拒动和误动故障原因分析1 2 3 . 2 . 2开断和关合故障原因分析1 3 3 . 2 . 3载流故障原因分析1 4 3 . 2 . 4绝缘故障原因分析1 4 3 . 2 . 5部件变形损坏与外力引发的故障原因分析1 5 C O N T E N T S V I 3 . 3故障的处理1 6 3 . 3 . 1拒动和误动故障处理1 6 3 . 3 . 2开断与关合故障处理1 7 3 . 3 . 3载流故障处理1 9 3 . 3 . 4绝缘故障处理1 9 3 . 4本章小结2 0 第四章 S F 6断路器的诊断方法的探讨2 1 4 . 1S F 6断路器高压试验的判断方法2 1 4 . 1 . 2主回路电阻测量2 1 4 . 1 . 3断口间并联电容器电容量和介质损耗因数2 2 4 . 1 . 4交流耐压试验2 4 4 . 1 . 5例行检查和试验2 6 4 . 2S F 6断路器分解及化学检测方法2 7 4 . 2 . 1S F6气体分解物检测2 7 4 . 2 . 2S F6气体纯度检测3 3 4 . 2 . 3S F6气体含水量测量3 6 4 . 3实例分析4 0 4 . 4本章小结4 5 总结与展望4 6 总 结4 6 工作展望4 6 参考文献4 8 学位论文独创性声明5 2 学位论文版权使用授权声明5 2 致 谢5 3 广东工业大学硕士学位论文 V I I C O N T E N T S C H I N E S EA B S T R A C TI A B S T R A C TI I I C H I N E S EC O N T E N T SV C O N T E N T SV I I C h a p t e r 1I n t r o d u c t i o n1 1 . 1 T h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e1 1 . 2R e s e a r c hs t a t u s1 1 . 3T h ec o n t e n t o f t h i s p a p e r a n dt h ema i nw o r k4 C h a p t e r 2T h eb a s i cr e s e a r c ho f S F 6c i r c u i t b r e a k e r5 2 . 1T h ef u n c t i o no f S F 6c i r c u i t b r e a k e r5 2 . 2T h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g hv o l t a g ec i r c u i t b r e a k e r5 2 . 3T h ep a r a me t e r s o f c i r c u i t b r e a k e r6 2 . 4T h ema i np a r t s o f c i r c u i t b r e a k e r7 2 . 5T h es u mma r y o f c h a p t e r 29 C h a p t e r 3T h ef a u l t d i a g n o s i s o f S F 6c i r c u i t b r e a k e r1 0 3 . 1C o mmo nma l f u n c t i o n s o f S F 6c i r c u i t b r e a k e r1 0 3 . 1 . 1T h ef a i l u r eo f r e f u s a l a n dma l f u n c t i o n1 0 3 . 1 . 2T h ef a i l u r eo f b r e a k i n ga n dc l o s i n gf a u l t s1 0 3 . 1 . 3T h ef a i l u r eo f c u r r e n t c a r r y i n gf a u l t1 1 3 . 1 . 4T h ef a i l u r eo f I n s u l a t i o nf a i l u r e1 1 3 . 1 . 5T h ef a i l u r eo fD a ma g ec a u s e db yc o mp o n e n td e f o r ma t i o na n d e x t e r n a l f o r c e1 1 3 . 2A n a l y s i s o f t h ec a u s eo f t h ef a i l u r e1 2 3 . 2 . 1T h ea n a l y s i s o f r e f u s a l a n dma l f u n c t i o n1 2 3 . 2 . 2T h ea n a l y s i s o f b r e a k i n ga n dc l o s i n gf a u l t s1 3 3 . 2 . 3T h ea n a l y s i s o f c u r r e n t c a r r y i n gf a u l t1 4 3 . 2 . 4T h ea n a l y s i s o f I n s u l a t i o nf a i l u r e1 4 3 . 2 . 5T h ea n a l y s i so f D a ma g ec a u s e db yc o mp o n e n t d e f o r ma t i o na n d C O N T E N T S V I I I e x t e r n a l f o r c e1 5 3 . 3T h ef a u l t h a n d l i n g1 6 3 . 3 . 1R e f u s a l a n dma l f u n c t i o nh a n d l i n g1 6 3 . 3 . 2B r e a k i n ga n dc l o s i n gf a u l t s h a n d l i n g1 7 3 . 3 . 3C u r r e n t c a r r y i n gf a u l t h a n d l i n g1 9 3 . 3 . 4I n s u l a t i o nf a i l u r eh a n d l i n g1 9 3 . 4T h es u mma r y o f c h a p t e r 32 0 C h a p t e r 4D i s c u s s i o no nt h eD i a g n o s i s Me t h o do f S F 6C i r c u i t B r e a k e r2 1 4 . 1Me t h o do f J u d g i n gH i g hV o l t a g eT e s t o f S F 6C i r c u i t B r e a k e r2 1 4 . 1 . 2Ma i nc i r c u i t r e s i s t a n c eme a s u r e me n t2 1 4 . 1 . 3C a p a c i t a n c ea n dD i e l e c t r i cL o s s F a c t o r o f S h u n t C a p a c i t o r B e t w e e n S h u n t2 2 4 . 1 . 4A Cw i t h s t a n dv o l t a g et e s t2 4 4 . 1 . 5R o u t i n ei n s p e c t i o na n dt e s t i n g2 6 4 . 2S F 6c i r c u i t b r e a k e r d e c o mp o s i t i o na n dc h e mi c a l d e t e c t i o nme t h o d2 7 4 . 2 . 1S F 6g a s d e c o mp o s i t i o np r o d u c t s2 7 4 . 2 . 2S F 6g a s p u r i t y d e t e c t i o n3 3 4 . 2 . 3Me a s u r e me n t o f w a t e r c o n t e n t o f S F 6g a s3 6 4 . 3C a s eA n a l y s i s4 0 4 . 4T h es u mma r y o f c h a p t e r 44 5 S u mma r y a n do u t l o o k4 6 S u mma r y4 6 Wo r k o u t l o o k4 6 R e f e r e n c e s4 8 D i s s e r t a t i o nO r i g i n a l s t a t e me n t5 2 A c a d e mi cT i t l eA u t h o r i z a t i o nS t a t e me n t5 2 T h a n k s5 3 广东工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1 . 1课题研究背景和意义 高压断路器是电力系统中重要的电气设备之一，它使用数量多、范围广，应用 在电力系统的各种电压等级中。随着电力系统向大容量、高电压的不断发展，相应 地高压断路器的种类也日益增多。因此，它是否具有优良的性能，直接影响到电力 系统的稳定和安全运行，在经济效益和社会效益方面具有非常重要的意义 1 。 高压断路器主要可分为压缩空气断路器、油断路器、真空断路器、S F 6断路器 及 S F 6混合气体断路器等类型 2 。 S F 6断路器与传统的油断路器和真空断路器相比， 具有工作电流大、体积小、重量轻、绝缘性能优良、无燃烧危险、检修周期长、维 护量小等优点，在电网中得到了广泛的应用。但尽管 S F 6断路器存在诸多优点，仍 然会有一些隐形的、较难预见的故障问题，如 S F 6气体漏气现象等 3 - 5 。因此，必 须通过有效诊断方法检测，保障 S F 6断路器运行质量，才能更好地维护电网系统 运行的稳定性及安全性，以保证整个电网的安全平稳运行 6 。 1 . 2国内外发展现状 高压断路器的发展始终与电力系统电压等级的提高密切相关。 当交流 3 3 0 k V及 以上电压等级的电力系统在 2 0世纪 5 0年代开始发展的时候，1 9 5 2年，瑞士率先 投入运行了世界上第一条 4 0 0 k V电压等级的交流电力线路， 使电力系统的最高电压 等级突破了 3 0 0 k V的水平，向更高电压等级发展。以后欧、美、前苏联等相继建造 了 3 3 0 、4 0 0 、5 0 0 、7 5 0 k V等各种电压等级的交流超高压和特高压电力系统。随着 电力系统向大容量、高电压的不断发展，相应地高压断路器的种类也日益增多。高 压断路器主要可分为压缩空气断路器、油断路器、真空断路器、S F 6断路器及 S F 6 混合气体断路器等类型。据有关资料介绍，现在国外主要的电力设备生产厂商已将 2 4 5 k V 及以上高电压和超高电压电气产品全部转化了生产S F 6 气体绝缘电气设备或 装置方面 7 - 1 0 。 自 2 0世纪 7 0年代以来， 我国电力系统开始采用高压 S F 6断路器， 目前， 1 1 0 k V 及以上的电压等级基本上采用 S F 6开关设备。为及时扼杀 S F 6断路器的隐患缺陷， 第一章 绪论 2 有必要通过 S F 6断路器故障诊断方法进行研究，保障电网的安全稳定运行。 1 . 多油断路器 多油断路器是断路器发展过程中采用得最早的一种型式其特点是几乎所有的导 电部分都置于铁壳油箱中，用绝缘油作为对地、断口以及相间( 指三相共箱式) 的绝 缘。电流由套管引入和引出油箱。多油断路器的制造、运行经验比较丰富，对气候 条件的适应性强，因油箱接地，故加装电流互感器和分压器比较方便，世界各国以 美国发展最多，型式变化不大，箱壳有椭圆形、透镜形，表壳形等几种，以尽量减 少绝缘油用量 1 1 - 1 3 。 由于多油断路器用油量多，油量几乎按电压平方关系增长。电压等级越高，体 积越庞大，系列性差，检修困难，并有爆炸和火灾危险。因此发展受到限制，而且 逐步被淘汰。因为其价格低，可装设电流互感器，运行尚比较安全，检修也还方便， 且使用经验比较丰富，我国目前仅保留少量 1 0 3 5 k V等级产品 1 4 。 2 . 少油断路器 少油断路器特点是以绝缘油作为灭弧介质和断口之间的绝缘，但对地绝缘主要 靠固体绝缘，如瓷件、环氧玻璃布棒等。与多油断路器相比，比较突出的优点， 诸如体积小，质量小，系列性强，结构较简单，价格较便宜。尤其是我国自 6 0年 代以来，从 1 0 k V到 2 2 0 k V各个电压等级的少油断路器经过长期的试验摸索和运行 实践，其性能有了很大的提高。长期以来，国内各个电压等级最普遍采用的就是少 油断路器这种型式，并且积累了丰富的经验。直到最近 1 0 2 0年，少油断路器的 统治地位逐渐被真空和 S F 6断路器所取代 1 5 - 1 9 。 户内少油断路器用于 3 5 k V及以下电压等级，并往往组合成成套配电装置。在 灭弧原理上，广泛应用纵横吹灭弧装置，开断大电流时主要靠横吹，开断中小电流 时辅之以纵吹，结构上使导电杆向下运动，与电弧产生的气体运动方向相反，使动 触头的弧根不断与新鲜的绝缘油相接触，并可利用其机械油吹作用，这种方式被称 为逆弧原理，灭弧室结构上采取措施缩短封闭泡阶段，提前气吹到来时间。断路器 本体部分采用高强度环氧玻璃钢管为承压件，代替金属油箱从而简化结构、缩小尺 寸、减少损耗。其机械强度高，开断容量大。油囊由压制成的灭弧片构成，结构简 单，加工方便，喷口采用扁平形经实践考验性能优良，型号为 S N 1 0少油断路器， 使用量大，性能比较优良，开断电流达到 3 1 5 k A ，甚至更大 2 0 。 广东工业大学硕士学位论文 3 户外少油断路器要求能适应大电网提出的动作快、 开断容量大、 操作过电压低、 能快速自动重合闸等要求。近年来，由于采用了液压操动机构，灭弧室采用了高强 度绝缘材料和性能良好的压油活塞，使高压少油断路器的技术性能大大改善，例如 S W2系列和 S W6系列少油断路器开断电流达到 3 1 . 5 k A ，甚至 4 0 k A ，在全国电力 系统中用量比较大 2 1 。 3 压缩空气断路器 压缩空气断路器的特点是用压缩空气供作灭弧和绝缘介质，并还用作操作和控 制的储能、传动介质。因此动作快、开断容量大、系列性强，但结构复杂，价格昂 贵，要附加压缩空气系统，使用维护比较麻烦。在 S F 6断路器广为发展的今天，压 缩空气断路器基本上已停止了生产 2 2 , 2 3 。 压缩空气在自然界中有取之不尽的来源，空气的临界温度很低，在常温下没有 液化的危险，使用压力可以比较高，并且气体介质的绝缘性能稳定不会老化变质， 压缩空气的绝缘能力随着压力的增大而增大，大约在 0 7 MP a时与新的绝缘油相 等或略高，通常采用 1 5 5 0 MP a的压力。用于断路器的压缩空气，必须清洁、 干燥，以确保绝缘能力。所以空气压缩机的压力应该远比断路器的压力高，然后再 减压供给断路器，例如操作压力为 2 5 3 . 0 MP a时，空气压缩机的压力应为 6 0 MP a以上 2 3 - 2 6 。 4 S F 6断路器 理论上 S F 6气体的灭弧能力比空气约高 1 0 0倍。利用 S F 6气体的断路器近年 来发展迅速， 其结构逐渐完善。 由于 S F 6断路器具有单断口电压高、 电气性能稳定、 开断电流和累计开断电流大、开断大小电流性能优良等优点，并且检修周期长，维 护工作量少? 因此发展速度快，尤其在高压和超高压领域已占据主导地位 2 8 - 3 2 。 S F 6气体最显著的特性是特异的热化学性和强负电性，因而具有良好的灭弧性 能和绝缘性能。 5 真空断路器 利用真空作为绝缘和灭弧介质的断路器称为真空断路器，真空断路器所要求的 真空度为 1 0 - 2 P a以上。高度真空具有很高的绝缘性能、介质恢复速度和良好的灭 弧性能。真空断路器触头开距小、结构简单轻巧、机械和电气寿命长、适用于频繁 操作，开断电容电流一般不重燃，但有的国产真空断路器重燃率还比较高。由于制 第一章 绪论 4 造工艺限制，真空断路器的电压等级较低，目前多用在 1 0 3 5 k V 3 2 - 3 9 。 1 0 k V真空断路器的开距为 1 0 1 2 mm，分闸速度约 1 1 5 ms 。3 5 k V等级 的真空断路器开距为 2 0 3 0 mm， 技术较先进的真空灭弧室， 开距也只有 1 2 mm左 右，分闸速度也为 1 5 ms 左右 4 0 。 真空断路器由于其开距小，可以配用更为小巧的操动机构，所以整体体积小、 结构简单、机械寿命长、无火灾危险、维护工作量小，但目前价格仍比常规油断路 器的贵 4 1 。 1 . 3本文的研究内容及主要工作 开展关于 S F 6断路器的基础研究，包括了断路器的功能与用途，高压断路 器的特点，断路器的参数，断路器的主要组成部分，分别详细介绍了导电回路、灭 弧装置、绝缘系统和操动机构四个主要结构，通过对断路器的基础研究，为后续断 路器的故障分析奠定了理论基础。 对 S F 6断路器进行了故障分析，首先分析了 S F 6断路器的常见故障，包括 了拒动和误动故障、开断与关合故障、载流故障、绝缘故障以及部件变形损坏与外 力印发的故障，并针对以上五种故障进行了详细的故障原因分析以及故障处理方法 介绍，通过上述分析为下文的 S F 6断路器的故障诊断方法奠定了基础。 基于上述原理分析，对 S F 6断路器的诊断方法进行了探讨，分为了高压试 验的判断方法以及化学检测方法。首先详细介绍了高压试验的判断方法，包括了主 回路电阻测量，断口间并联电容器电容量和介质损耗因数、交流耐压试验、例行检 查和试验；接着介绍了 S F 6断路器气体分解和化学检测方法，主要包括了 S F 6气 体分解物的检测、纯度检测以及含水量检测。通过上述两种方法的分析，可以得到 现有的 S F 6断路器的诊断方法。 广东工业大学硕士学位论文 5 第二章 S F 6断路器的基础研究 2 . 1断路器的功能 ( 一) 高压断路器用途与功能 2 - 3 ( 1 ) 在关合状态时应为良好的导体， 不仅对正常电流而且对短路电流也应能承受 其热和机械的作用。 ( 2 ) 对地、相间及断口间具有良好的绝缘性能。 ( 3 ) 在关合状态的任何时刻， 应能在不发生危险过电压的条件下并在尽可能短的 时间内开断额定开断电流以下的电流。 ( 4 ) 在开断状态的任何时刻，应能在其触头不发生熔焊的条件下，在短时间内安 全地关合处于短路状态下的电流。 上述功能有时候看起来是相互矛盾的，因而给断路器的研制带来很大困难。 2 . 2高压断路器特点 1 结构多样性 为了完成上述的控制和保护作用，可以采用各种不同的手段。从灭弧原理上 讲有产气、磁吹、多油、少油、压缩空气、真空和六氟化硫等类型。从操动机构 来说，可以分为手动、电磁、弹簧、气动和液压等品种。因此，组合起来就有品 种繁多的特点，这与发电机、变压器之类设备相比是十分特殊的。如此多种多样 的断路器被实际应用，这在其它电气设备来讲是少有的，这个事实说明在技术上 断路器尚未发展到可以集中于单一原理和型式的完善地步，也就是说断路器仍然 属于发展过程中的一类电气设备或者也可以说仍属于“ 年轻的设备” 。断路器原理 和结构不同，其产品性能、可靠性和经济性也不同，因此不同使用场合应按相应 的要求来选择断路器的结构型式。 2 试验鉴定重要性 发电机和变压器等电气设备的基本工作过程现在已经比较清楚，理论分析、 设计计算以及试验鉴定方法比较成熟。但对断路器而言，除了绝缘、机械和载流 方面有比较正确的理论予以指导外，还有最基本的现象即电弧的物理过程至今尚 第二章 S F 6断路器的基础研究 6 不清楚，有关电弧的理论分析、设计计算方法十分粗糙。所以一种产品的定容或 问世往往要经过大量的试验研究、多次反复修改以及较长时期不同工况的运行考 核。而断路器的断流试验又是一项十分困难，耗时费钱的工作，况且又别无他法。 试验成功的产品又要靠严格的工艺质量体系来保证。将每台产品都进行断流试验 当然是不可能的，但型式试验的产品一定要有代表性。 断路器的设计研究，除电路理论外，还要用到材料学、热能学、力学等等学 科，涉及的学科多，研制一种新产品周期十分长。 3 要求高度可靠性 高压断路器是电力系统的保护和控制设备，与发电机、变电器等设备相比价格 要低得多，结构也相对简单些，但断路器发生故障时所造成的损失往往要大得多， 因此要求有高度可靠性。然而断路器的运行条件比较苛刻，承担多种分合操作，结 构元件又多，相比起来可靠性低。所以从设计、加工、装配、调试、运行到维修等 各个环节都要十分细致和认真。 2 . 3断路器参数 标志高压断路器特性的参数比较多，下面列出最主要的几个参数 5 - 9 。 （1 ） 额定电压。是指断路器正常工作的系统额定电压，通常指线电压。考虑 到系统调压的需要，电力设备的最高运行电压应比额定电压高 1 0 1 5 ( 2 2 0 k V 及以下取 1 5 ，2 2 0 k V以上取 1 0 ) 。参考I E C的有关规定，将定义最高运行电 压即为额定电压。 （2 ）额定电流。是指断路器可以长期通过的工作电流。 （3 ）额定短路开断电流。是指断路器在标准规定的工频及暂态恢复电压下， 能够开断的最大短路电流，并由两个特征值表示：交流分量有效值即额定短路电流 和直流分量百分数，当直流分量不超过 2 0 时则仅以交流分量有效值来表征。 （4 ）极限通过电流和额定短路关合电流，通常其峰值等于额定短路开断电流 交流分量有效值的 2 . 5倍。 （5 ）额定短时耐受电流( 额定热稳定电流) 。是指在短时间内，允许通过其导电 部分而其发热不超过短时允许温升的短路电流。其电流大小取等于额定短路开断电 流，时间按 I E C标准定为 l s ，需要更长时推荐 3 s 。按电力工业部标准 2 2 0 k V以下 为 4 s ，2 2 0 k V及以上为 2 s 。 广东工业大学硕士学位论文 7 （6 ）分闸时间。以前称固有分闸时间，是指从断路器分闸操作起始瞬间( 接到 分闸指令瞬间) 起到所有极的触头分离瞬间为止的时间间隔。 通常分闸时间是指额定 操作电( 液、气) 压下测量的数值。 （7 ）合闸时间。处于分位置的断路器，从合闸回路通电起到所有极触头都接 触瞬间为止的时间间隔。对有并联电阻的开关设备还应测量其并联电阻触头的合闸 时间。 （8 ）操作顺序。具有规定时间间隔的一连串规定的操作。自动重合操作：自 动重合操作是指断路器分后经预定时间自动再次合的操作顺序。 一次快速重合断路器的额定操作顺序为：分 t l 合分 1 8 0 s 合分。对非自 动重合断路器的额定操作顺序为：分 1 8 0 s 合。分 1 8 0 s 合分。发电机保护断 路器按“ 分 t 分 t 分” 试验其开断能力。 为了提高电力系统的稳定性和供电的可靠性，希望断路器的全开断时间、重合 闸无电流休止时间和金属短接时间都尽可能的短，但是全开断时间过分短时，由于 非周期分量衰减很少而可能影响断路器的开断能力。金属短接时间过短也会影响到 灭弧室回气回油的功能。采用自动重合操作顺序时，要在短时间内可靠地连续合分 几次短路故障，比单分一次短路故障的负担沉重得多。 2 . 4断路器主要组成部分 任何一台断路器从结构功能上分都要包括下述四个部分，即导电回路、灭弧装 置、绝缘系统和操动机构 1 0 。 1 导电回路 断路器的导电回路包括动静触头、中间触头以及各种形式的过渡连接。断路器 在运行中 要长期通过额定电流而发热不超过允许值，还要考虑到通过数值很大的短路电 流而其动热稳 定不受到破坏。接触电阻是判断断路器导电回路优劣的重要数据。 2 灭弧装置 灭弧装置要解决的主要矛盾是如何提高熄灭电弧的能力，减少燃弧时间。既要 考虑能可靠开断数值很大的额定短路电流，又要考虑提高熄灭小电容性和电感性电 流的能力，要求开断小电感性电流不产生截流，或造成的过电压不超过允许值，开 第二章 S F 6断路器的基础研究 8 断小电容性电流不产生重燃。同时要求结构上不能过分的增大断路器的尺寸，造价 也要合理。 油断路器是历史上使用最广泛的一种断路器，目前在很多地区使用量仍很大。 油中电弧，实际上可以认为就是氢气中的电弧，因为氢气导热率大，所以电弧受到 强烈的冷却，如何有效地利用这种靠油分解产生的氢气，并进行压力和气流的控制 以便强烈冷却等离子体，这就是油断路器灭弧室的技术所在。 通常油断路器灭弧室可以分为自能式和外能式灭弧装置两类。为了结构简单， 绝大多数油断路器都采用自能式灭弧原理，常用的有所谓纵吹灭弧室、横吹灭弧室 和纵横吹灭弧室等。 必须指出， 油断路器的灭弧能力是灭弧装置和断路器其它参数， 诸如速度、油层高度、机械强度、触头材料等因素综合作用的结果。如果断路器操 作时不能满足分闸和合闸过程规定的速度、开距和时间的要求，或者油断路器结构 上没有足够的缓冲空间和良好的油气分离装置，即使合理的触头和灭弧室结构也不 能发挥正常作用。 近几十年来，在中等电压等级范围，真空断路器得到了很快发展，就我国目前 的实际情况，1 0 k V等级的真空断路器型号虽已发展到 7 0余种，但不同型号的真空 断路器结构上基本相同。真空断路器是使用高真空作为灭弧和绝缘介质的，与其他 断路器相比，其灭弧室最简单，但触头的材料和结构型式变化多，影响大。 高压 S F 6断路器是新一代的开关装置，利用 S F 6气体优越的绝缘和灭弧性能 实现其分合电路的功能。其灭弧装置曾发展有几种形式，第一代双压式结构已经淘 汰。目前主要采用压气式灭弧原理( 单压式) 和旋弧式原理，其灭弧能力达到了一个 新的水平，最近又发展了第三代 S F 6断路器，即自能灭弧式结构( s e l f b l a s t ) ，有时 候也称为热阻塞原理的半自能式灭弧室，主要优点是可降低操动机构的操作能耗， 减少操作过程中对断路器本体的冲击，从而提高了可靠性，降低了成本。 3 . 绝缘系统 任何一台断路器都必须保证三个方面的绝缘处于良好的状态。第一是导电部件 对地之间绝缘，第二是同相断口间绝缘；第三是相间绝缘， 断路器各部分绝缘应能承受标准所规定的试验电压作用。凡用于环网线路、母 联、发电机及双电源线路断路器，其断口还应考虑反相耐压的要求。 4 操动机构 广东工业大学硕士学位论文 9 除了断路器本体外，一般均附设