SF6高压断路器开断短路电流性能的分析

sf6sf6 高压断路器开断短路电流性能的高压断路器开断短路电流性能的 分析分析 1 引言引言 目前 sf6 断路器在系统中大量使用 sf6 断路器与以前的油 断路器相比 很重要的一个优点就是灭弧机理的改进 从而延 长了使用寿命 减少了运行检修工作 随着电力走向市场 对供电可靠性的要求越来越高 电气 设备的状态检修正逐步开展 对 sf6 高压断路器而言 许多厂 家对密封 机构传动等在机械寿命内都可以做到免维护 确定 高压断路器停电检修或更换主要根据其开断短路电流的次数 因此 在高压断路器设备的招标中 断路器开断额定短路电流 的次数已成为一个重要指标 2sf6 断路器的主要灭弧形式断路器的主要灭弧形式 2 1 变开距灭弧结构的主要形式 近年来大量进口和合资厂的断路器引进电力系统 主要有 siemens abb alstom aeg 等公司的产品 这类断路器都 采用 sf6 作为绝缘介质 绝大多数生产厂生产的 110kv 及以上 的断路器灭弧室结构采用的都是变开距灭弧结构 其灭弧原理 不外乎自能式 压气式 自能压气式三种形式 压气式建压快 触头不易磨损 在开断小电流时容易发生截流 自能式建压慢 对电弧触头易烧损 开断小电流时可靠性不高 自能压气式将 两种方式结合起来 开断大电流用自能原理 开断小电流用吹 气原理 另外国内的一些断路器生产厂也引进国外技术开发了 部分产品 如西安高压开关厂的 lw14 15 平顶山高压开关 厂的 lw6 等型号断路器 2 2 siemens 定开距灭弧结构的特点 iemens 公司生产的 220kv 及以上断路器的灭弧室结构采用 的是定开距压气式双向内喷射灭弧原理 两个配置有耐弧的石 墨触头的静触头固定不动 由连杆带动引弧部位镶有引弧石墨 园环的桥式动触头运动 实现断路器的分合闸 定开距灭弧室 的石墨喷嘴是其主要特点 加工精确 电场均匀 耐弧性能极 好 从而延长了电寿命 目前 siemens 也已开始生产 220kv 变 开距灭弧原理的断路器 3 短路开断试验短路开断试验 断路器的短路开断试验必须要有大容量的电源 即在短时 间内能提供相当于电力系统短路时那样大的容量 当断路器的 额定参数提高后 由于受试验水平和条件的限制 即使选择合 成试验的方法 试验时用两个电源 一个供给电流 另一个供 给电压 也难以满足试验要求 必须选择合理有效的试验方法 目前国内断路器的开断试验由整体试验 单相试验和单元 试验三种方式 整体试验是在组装完整的三相断路器上按照断 路器规定的额定电压和额定短路开断电流进行三相试验 这种 试验最接近于实际开断情况 考核产品的性能最真实 但要求 的试验容量和断路器的额定短路开断容量相等 试验投资相当 大 对于大容量断路器几乎不可能 一般整体实验仅限于 35kv 及以下 额定开断电流 31 5ka 及以下的断路器 对于 110kv 及以上的断路器都采用单相试验的方法 若断 路器的额定电压为 u 额定短路开断电流为 is 整体试验要求 的容量为 p 3uis 单相试验时考虑首开相系数 1 3 因而试 验设备的容量 p1 1 3upis 1 3u 3 is 0 43p 因此各相分装的 三相断路器绝大部分用单相试验来考核断路器的开断能力 过 去大量使用的 sw6 sw2 等型号断路器的额定短路开断都能考 核到每一相 如西高厂的 sw6 说明书中明确不经任何检修 sw6 能连续 13 次开断额定短路电流 我们的理解就是每一相都 能开断 13 次额定短路电流 4sf6 断路器的短路开断次数分析断路器的短路开断次数分析 sf6 断路器的短路开断次断路器的短路开断次 数分析数分析 4 1 变开距灭弧结构断路器的短路开断次数 断路器开断短路电流次数是决定断路器是否进行检修的主 要依据 一般在 sf6 断路器的标书中要求短路开断次数 20 次 以保证一定的免维护使用期 这里存在一个问题 几乎所有的 生产厂在投标文件中都承诺短路开断次数 20 次 但查阅它们 的短路开断次数与开断电流的关系曲线 除了 siemens 采用定 开距结构的断路器外 均达不到 20 次的要求 如 siemens 的 110kv3ap1fg 型 额定短路开断电流为 40kv 曲线反映满容量开断次数为 17 次 aeg 公司 110kvs1 123f1 3131 型 额定短路开断电流为 31 5kv 曲 线反映满容量开断次数为 15 次 alstom 的 220kv 的 fxt14f 型 额定短路开断电流为 40kv 曲线反映满容量开断次数为 10 次 siemens 的 220kv 的 3ap1 fi 型 额定短路开断电流为 50kv 曲线反映满容量开断次数仅为 6 次 国内厂家一般不提 供曲线 如西高厂在 lw15 型断路器说明书中间接提到推荐的 主触头检修周期为额定短路电流开断约 20 次 为什么会这样呢 应该说用户在招标文件中提到的要求断 路器短路电流开断次数 20 次的指标 是按单相考核的 因为 前面已经说明 110kv 以上断路器的开断试验是分相进行的 而 生产厂的解释是高压系统接地故障为主要故障 从概率上讲单 相能开断 7 次 三相就能开断 20 次以上 实际上每相满容量开 断 20 次是达不到的 从世界上目前的断路器结构设计和工艺水 平来看 变开距自能压气灭弧断路器 220kv 的满容量开断不 大于 10 次 110kv 的不大于 20 次 4 2 定开距灭弧结构断路器短路开断次数 siemens 的定开距压气灭弧断路器确实能达到额定短路开 断 20 次的要求 其 220kv 的 3aq1 ee 断路器额定短路开断电 流 50kv 的可以满容量开断 20 次 40kv 的可以开断 25 次 但 也有利有弊 定开距灭弧室断口的绝缘裕度比变开距结构小 导电触头和石墨弧触头连在一起 导电触头容易受电弧影响 操作功大 对机构要求高 一般采用液压机构才能满足要求 运动及传动部件多 结构复杂 对设计和安装工艺要求高 价 格较高 变开距自能压气灭弧断路器利用短路电流中的能量去加热 sf6 气体 遮断短路电流所需工作压力并非来自断路器的操作机 构 这样操作机构就可以设计成特别简单可靠 即采用弹簧机 构或液压弹簧机构 5sf6 断路器短路开断次数的选择和建议断路器短路开断次数的选择和建议 5 1 短路开断电流的分析 dl t615 1997 标准规定的交流高压断路器额定参数中 额定短路开断电流是指额定短路电流中交流分量的有效值 而 通常我们认为额定短路开断电流表征的是断路器在端部短路下 的开断能力 它由两部分合成 交流分量有效值和直流分量百 分数 通常系统短路电流中的直流分量衰减时间常数为 45ms 而 断路器的实际开断电流值指断路器动作后在触头分离瞬间的三 相短路电流值 并不是短路后 0s 的数值 因为现代高压 超高 压的断路器分闸时间都很短 一般在 0 04s 计及电弧燃烧时 间 继电保护动作时间 触头分离瞬间已是短路发生之后的 0 08 0 1s 此时短路电流已有一定的衰减 当断路器安装 处在电气上与发电机足够远时 短路电流中交流电流的衰减可 以忽略 所以选用断路器时 其额定短路开断电流不小于安装 处的系统短路电流有效值就可以了 5 2 设备招标文件对开断次数的提法 首先标书上提的要求应严格明确 符合实际 额定短路电 流开断次数指明是单相开断次数 因为提三相开断次数概念不 清 可理解为三相短路开断数 也可理解为 3 个单相的开断数 累计 对开断短路电流 31 5ka 或 40ka 的 110kv 断路器 目前 都达不到 20 次单相开断的要求 可以提出单相开断 15 次的要 求 220kv 的开关如果提 20 次 目前能做到的也只有 siemens 一家 对于招标也无意义 也要修改 可以将 50ka 的定为 6 次 40ka 的定为 10 次较为适宜 5 3 断路器额定短路开断次数的合理选择 我国 1993 年版的 城市电力网规划设计导则 中明确规定 为了取得合理的经济效益 城市各级电压的短路容量应该从网 络的设计 变压器的容量 阻抗的选择 运行方式等方面进行 控制 使各级电压断路器的开断电流以及设备的动热稳定电流 得到配合 通常 220kv 断路器选择 40ka 110kv 断路器选择 31 5ka 或 40ka 实际上除极个别 500kv 变电所的 220kv 母线 大部分 220kv 母线短路容量远小于 40ka 另一方面 sf6 断路器短路 开断次数与短路开断电流关系基本符合 ni2 c 公式 即短路开 断次数与短路开断电流的平方成反比 例如我局 220kv 闻堰变 220 母线短路容量为 9804mva 约 25 7ka 所用断路器为 40ka 的 lw15 型 按照生产厂提供的约 20ka 次的开断数 单相开断 约 7 次 则断路器近区可开断次数均为 n 7 402 25 72 16 9 因此对 220kv 断路器的选择要实事 求是 短路开断次数固然重要但不必刻意追求 只要满足运行 要求即可 变开距结构的断路器虽然开断次数不及定开距结构断路器 但机构简单 结构轻巧 运行维护工作少 价格便宜 也是较 好的选择 目前 110kv 断路器本身满容量开断一般可达到 15 次 以上 而且额定短路开断电流与 110 系统短路电流相比有较大 的裕度 完全满足运行要求 如选择 31 5ka 开断次数为 15 次 的断路器在 20ka 系统中运行 按照公式计算 近区开断次数可 达到 37 次 寿命期内可以做到免维护 5 4 断路器短路开断的运行统计 平时运行工作中对开断短路的统计也要全面仔细 现在 220kv 变电所都有故障录波器 而且微机保护大量采用 断路 器本身也有动作计数器 为基础统计创造了条件 一般线路故 障可以确定相间还是单相 短路电流的数量 这