SF6断路器操动机构的运行可靠性和选型探讨

sf6sf6 断路器操动机构的运行可靠性和断路器操动机构的运行可靠性和 选型探讨选型探讨 1 前言前言 近十余年来 随着我国 500kv 输电线路的出现和发展 以 sf6 气体作为绝缘介质和灭弧介质的 sf6 压气式断路器得到了广 泛的应用 sf6 断路器的制造也得到快速发展 目前我国 72 5kv 及以上系统 sf6 断路器已经取代了少油和压缩空气断 路器 sf6 断路器之所以受到运行部门的欢迎 关键在于其优异 的绝缘性能和开断 关合性能 尤其是其少维护性更适合运行 部门的需要 多年的运行实践表明 sf6 断路器本体部分的少维 护性或者免维护性确实大大超过了传统的少油和空气断路器 但是操动机构部分的运行可靠性目前还很难令人满意 甚至可 以说距运行部门的要求还很远 国内外的故障统计表明 压气 式 sf6 断路器操动机构的运行可靠性一直是影响断路器整体可 靠性的关键 如果说 由于少油断路器本体的多维护性使得操 动机构的重要性显得还不太突出的话 那么 sf6 断路器要达到 预期的少维护或者免维护的指标 其操动机构的运行可靠性必 须要得到根本的改进 因此 如何提高 sf6 断路器操动机构的 性能和质量 使其与本体相匹配而达到要求的少维护性已成为 世界性的课题 本文对我国电力系统 1989 1997 年间 110 220 330kv 和 500kvsf6 断路器操动机构部分的故障进行了统计 分析了不 同型式操动机构的特点 并介绍了 sf6 断路器开断原理的变化 和发展过程 旨在引起 sf6 开关制造厂对操动机构的重视 改 善和提高操动机构的运行可靠性已迫在眉睫 21989 1997 年全国电力系统年全国电力系统 110kv 及以上及以上 sf6 断路器操断路器操 动机构部分的故障情况动机构部分的故障情况 1989 1997 年全国电力系统 110 220 330kv 和 500kvsf6 断路器操动机构部分的故障统计见附表 应该说明 操动机构 包括两个部分 一是机构传动部分 包括储能系统和机构传动 系统 二是包括控制机械部分进行分合闸操作和机构正常运行 的控制和辅助回路 如接线端子 接触器 分合闸线圈 微动 开关 密度继电器 压力表 安全阀等二次元件 简称二次部 分 上述的故障统计数据与国际大电网会议对 1978 1991 年投 运的 22 个国家的 66kv 及以上压气式 sf6 断路器进行的可靠性 调查数据基本吻合 国际大电网会议对 70708 台年断路器故障 的统计结果是 因操动机构故障 包括主要失效和次要失效 占全部故障的 64 8 其中操动机构机械故障占全部故障 3769 次的 43 8 二次部分故障占全部故障的 21 我国统 计的数据是 因操动机构故障 事故和障碍 占全部故障的 66 4 其中机构故障 包括液压和气动机构渗漏 占全部故 障的 55 二次部分故障只占全部故障的 11 4 1 2 二者的主要差别是国产 sf6 断路器的液压机构渗漏油故障所占 比重较大 比如 国际大电网会议统计的次要失效中 液压机 构的渗漏油大约占 30 而国产 sf6 断路器液压机构的渗漏油 要占 80 因此 要提高 sf6 断路器的运行可靠性 首先必须 提高操动机构及其二次部分的运行可靠性 这是国内外制造厂 家的共同目标 而对国产 sf6 断路器 重点应是尽快解决液压 机构的渗漏问题 3 改善和提高国产改善和提高国产 sf6 断路器液压操动机构的运行可靠性断路器液压操动机构的运行可靠性 是当务之急是当务之急 根据 1988 1995 年全国电力系统 500kvsf6 断路器的故障 统计 因制造质量共引发 37 次故障 其中国产断路器为 20 次 占 54 但国产设备的运行数量只占 14 3 在对 1989 1997 年全国电力系统 110kv 及以上 sf6 断路器的故障统 计中 共发生操动机构故障 304 次 国产断路器为 249 次 占 82 国产 sf6 断路器的平均占有量至 1997 年底为 66 在 统计的 169 次液压机构渗漏故障中 国产设备为 147 次 占 87 在总共 70 次机械传动部件故障中 国产设备为 62 次 占 88 6 4 实际上 国产 sf6 断路器的液压操动机构在 安装调试中 或在运行过程中还发生过大量的渗漏油和部件损 坏缺陷 但并未统计在故障中 上述一系列统计数据说明 国 产 sf6 断路器与进口产品的质量水平还有一定的差距 尤其是 在操动机构的运行可靠性上仍有较大的差距 因此 解决国产 sf6 断路器液压操动机构的渗漏和传动部件的质量问题是当务之 急 因为它已经成为采用国产 sf6 断路器的最大障碍 否则除 了价格优势外 将很难与进口设备进行市场竞争 对此希望国 内的 sf6 断路器生产厂要有清醒的认识 国产 sf6 断路器用液压操动机构的渗漏问题始终困扰着运 行部门 而长期以来制造部门虽有改进但并未很好地解决这一 难题 其运行可靠性很难满足 sf6 断路器的要求 应该承认 生产压力在 30mpa 左右的液压机构 要保证其在使用中不发生 高压油或氮气的渗漏是很难做到的 因此 目前世界上没有不 发生液压机构渗漏的产品 因为可能导致渗漏的环节和因素实 在太多 例如 在我国电力系统中运行的 abb 公司的 elksp 和 elfsl 西门子公司的 3as5 mg 公司的 fa 和 dhb 阿尔斯通 公司的 fx32d 和富士公司的 bak 等产品的液压机构均发生过渗 漏故障 据华东电管局的统计 华东 500kv 电网中 西门子公 司 3as5 型断路器的液压机构发生渗漏缺陷占其故障总数的 27 abb 公司 elfsl7 4 型液压机构渗漏占其故障总数的 40 mg 公司 dhb 型液压机构渗漏占其故障总数的 44 这 些数字说明 就是国际名牌大公司生产的液压机构 其主要故 障仍是渗漏 但是同国产液压机构相比 无论是发生渗漏的几 率 频率或程度则要低得多 造成国产液压机构频繁发生渗漏和部件损坏的主要原因 除元器件的设计 材质 加工工艺和精度 密封件质量 清洁 度和装配质量等方面存在不同问题外 关键是工厂的全面质量 管理和质量控制仍不够严谨 质量意识还有待提高 尤其是对 出厂产品质量的控制不够严格 目前我国各制造厂对液压机构 的渗漏几乎习以为常 往往是忙于堵漏和现场抢修 而不是很 好地研究发生渗漏的原因和规律 采取措施防漏 改进和提高 液压机构的质量和运行可靠性是提高国产 sf6 断路器质量水平 和运行可靠性的关键 4sf6 断路器的发展及操动机构的应用断路器的发展及操动机构的应用 电力系统向高电压 大容量 长距离的不断发展 促进了 高压断路器的不断发展 伴随着电力系统的不同发展时期 会 出现不同开断性能 绝缘性能和机械性能的高压断路器来满足 电力系统的需要 同时对其所配用操动机构的发展和应用也会 产生重要影响 单压式 sf6 断路器基本可以满足电力系统的无油化 少断 口 少维护和高可靠性的要求 但是通过近二十余年的使用 用户和制造部门也发现了它存在的一个重大缺陷 这就是对操 动机构操作功要求太大 从而影响了断路器机构动作的可靠性 这在前面的故障统计中已有数据 与单压式 sf6 断路器配套的操动机构 必须在极短的分闸 时间内将气缸内的 sf6 气体压缩到满足熄弧要求的高压气体 同时还必须保证动触头分闸速度达到要求的运动速度 为此必 须采用大功率的储能机构 可以配用大功率弹簧操动机构 气 动机构和液压机构 也可以配用混合式的液压 弹簧机构或气 动 弹簧机构等 目前制造厂生产量最大 系统中使用量最多 的仍然是液压机构 因为液压机构配用在高压少油断路器上已 有三十余年的历史 已经积累了丰富的制造和运行维护经验 目前气动机构是配用单压式 sf6 断路器的另一主要机构 系统 中也有一定数量的产品在运行 由于气动机构必须配备一套空 气压缩装置 并且同样存在气体密封和泄漏的问题 同时还存 在锈蚀的问题 其运行可靠性并不比液压机构好多少 所以运 行部门并不习惯选用气动机构 大功率弹簧操动机构也可以满 足单压式 sf6 断路器的要求 如选用大功率盘簧或扭簧作为储 能元件 但是由于这两种弹簧制造难度大 成本高 质量难于 控制 尤其是剩余能量过大 动作可靠性难于把握 所以很少 采用 由于液压操动机构配用在少油断路器上已有三十余年的生 产经验和使用经验 因此运行部门乐于选用配液压机构的单压 式 sf6 断路器 但这并不说明液压机构能满足运行部门对 sf6 断路器的少维护和高运行可靠性的要求 故障统计的数字说明 液压机构的运行可靠性 特别是泄漏问题仍是影响 sf6 断路器 整体可靠性的突出矛盾 为此 世界上大部分液压机构的生产 厂家始终在不断地对液压机构的密封性能 阀体设计 管路连 接和工艺材质等方面进行完善和改进 以图减少密封环节和管 路的连接 尽量提高密封性能 降低渗漏的几率 目前大部分 液压操动机构都采用模块式功能元件的设计 尽量减少元件数 量和内外管路的连接 以减少漏点 abb 公司设计的弹簧储能液压机构 hma 和 ahma 将氮气储 压改为碟形弹簧储压并配以模块式设计的 液压功能元件 使液压机构的元件数 内外连接管路和高 压密封减少到最低限度 这种简化设计无疑会提高液压机构的 运行可靠性 虽然大家对液压机构或者气动机构进行了不断的和大量的 改进和完善工作 但是运行部门仍不能满意其使用效果 尤其 是随着断口电压的不断提高 所要求的操作功越来越大 解决 渗漏问题的难度也相应增大 或者说 只要仍以 压气式 灭弧 原理作为 sf6 断路器的灭弧室设计基础 就必须使用大功率的 操动机构 这势必使整个机械传动系统和密封系统受到较强的 机械力 使断路器的机械可靠性受到一定影响 因此 提高 sf6 断路器操动机构运行可靠性的出路是改进 压气式 的开断原理 降低对机械操作功的要求 减轻操动机构和机械传动系统的机 械负荷 自能式 sf6 断路器的特点是充分利用短路电流开断过程中 电弧自身的能量使灭弧室内的 sf6 气体压力上升到灭弧所需的 压力进行短路电流的开断 小电流如负荷电流 电容或电感电 流则依靠小面积的压气活塞进行开断 其作用相当于少油断路 器的压油活塞 所谓 自能式 sf6 断路器原则上应该是以自能灭 弧为主 以压气灭弧为辅 由于充分利用了电弧自身的能量 所以使开断时对操作功的要求可以大大降低 一般可以为 压气 式 的 20 30 这样就可以配用简单的弹簧操动机构 从根 本上消除了液压或气动机构的渗漏隐患 并且大大降低机械传 动系统和底架所承受的机械冲击力 使断路器的机械可靠性得 到很大的提高 自能式 开断原理 尤其是弹簧机构在 sf6 断路器上的应 用 进一步满足了运行部门对操动机构提出的高可靠性 少维 护性和简单经济的要求 它一出现就受到了运行部门的欢迎 尽管目前自能式 sf6 断路器在开断电流 断口电压 电寿命和 近区故障开断性能等方面尚需继续改进和提高 但在 110 220kv 电压等级电网中使用量却与日俱增 发展势头相当 迅猛 为此 国外各大公司在九十年代初开始将开发生产的重 点转移到自能式断路器上 并先后推出了以自能式为基本设计 原理的各种配用弹簧操动机构的 110 220kv 断路器 如 aeg 公司的 s1 系列 abb 公司的 ltb 系列 阿尔斯通公司 fxt 系列 西门子公司的 3ap1 系列 三菱公司的 sfm 32b 系列等等 目 前我国电力系统中已经有相当数量的进口自能式 sf6 断路器在 110 220kv 电网中运行 5 关于压气式断路器和自能式断路器的选型关于压气式断路器和自能式断路器的选型 可以肯定地说 目前仍在大量生产和使用的压气式 sf6 断 路器 无论是各种开断性能和电寿命 或是开断容量和单断口 电压水平 均能满足我国高压和超高压电力系统的需要 压气 式 sf6 断路器存在的最大不足就是所配用的大功率液压机构或 气动机构的渗漏问题 液压机构已经有几十年的生产历史和使用经验 正是由于 使用时间太长了 使用的数量太大了 而渗漏现象似乎又太多 了 使用部门希望能有一种结构相对简单 直观而且是无液体 和气体 无压力和密封 也无需压力监视和闭锁的纯机械的操 动机构来替代液压机构 以减少因渗漏而带来的大量维修工作 弹簧操动机构的重新起用和自能式 sf6 断路器的出现 适应了 广大运行部门的这一需要 自能式 sf6 断路器的最大特点就是大大地降低了操作功 最大的优点就是采用了纯机械的弹簧操动机构 不存在油或气 体的渗漏问题和密封问题 但是我们也应该注意到 自能式 sf6 断路器由于降低了操作功也会使其某些开断性能和技术指标受 到影响 从而使它的使用受到限制 目前所生产的自能式 sf6 断路器由于主要依靠短路电弧自身的能量提高灭弧室内 sf6 气 体的压力 以达到熄弧压力 因此势必会增加燃弧时间 加重 喷口和触头的烧损程度 使介质强度的初始恢复速度降低 从 而使自能式 sf6 断路器的短路开断能力 电寿命次数 近区故 障开断能力 断口耐压水平均达不到目前生产的压气式 sf6 断 路器的水平 其单断口电压只能到 220kv 级 短路开断能力只 有 40ka 不仅如此 由于自能式 sf6 断路器的灭弧室结构更为