开关电器

  本文根据故障概率分布和机械联动与电气联动两种方式的优缺点比较，对采用电气及机械联动方式的高压断路器的可靠性进行了分析。

   1 引言

    高压断路器在电力系统中起控制和保护作用，其性能的可靠与否关系到电力系统的安全、稳定运行。为降低非全相分合闸情况出现，有的场所需要用三相机械联动。有的用户更直观地判断三相机械联动断路器可靠性远大于电气联动的断路器，但实际情况却需要具体分析。

    2 断路器故障概率统计

    据CIGRE于1988～1991年对1978～1991年投运的66kV及以上单压式SF6断路器进行的可靠性调查，共70708台年，因操动机构故障造成的失效占总失效数的64.8%，其中二次电气控制和辅助回路故障占21%，操动机构机械故障占43.8% 。

    1989～1997年全国电力系统110、220、330kV和500kV  SF6，断路器操动机构部分故障统计见表1。操动机构包括2个部分，一是机械传动部分；二是包括控制机械部分合、分操作的控制回路和辅助回路，如接线端子、接触器、辅助开关、分合闸线圈、微动开关、马达、气体继电器等二次元件。共统计故障458次，机构故障304次。

表1 1989～1997年全国电力系统110、220、330kV和500kV SF6断路器操作机构部分故障统计

    上述统计资料表明，目前断路器主要故障为操动机构故障，且机械故障占有较大比例。

    CIGRE报告WGl3.06，故障按操动机构的类型来划分的情况见表2。

表2 不同操动机构故障情况表

   从中可以看出弹簧操动机构故障次数远远低于液压及气动机构，其可靠性相对较高。为避免机构类型不同对分析结果的影响，本文均选用弹簧机构的SF6高压断路器。

    3 电气联动与机械联动机构故障率分析

    3.1 电气及机械联动

    三相电气联动的高压断路器一般采用三个独立操动机构，通过汇控箱使机构之间通过电气联接来实现三相联动，各相机构传动输出轴直接与极柱相连；在保护装置上，采用三相位置不一致继电器启动跳闸。

    三相机械联动的高压断路器—般采用一个操动机构，断路器三个极柱与操动机构之间通过操作杆联接。

    按SDJ5-85《高压配电装置设计技术规程》，屋外配电装置的相间距离不低于该规程中A2的要求，即110J、220J、330J、500J分别为1000mm、2000mm、2800mm、4300mm。

    3.2 故障可能性分析

    对三相电气、机械联动操动机构故障发生的可能性，按表3进行分析。

表3 发生重大事故的可能性

注：(*)弹簧机构和极柱之间为直接连接

    对绝缘击穿和断路器无法开断或操作这两种故障，电气或机械联动听发生的机率应是相同的。区别在于弹簧机构内部的机械故障的不同以及弹簧机构与本体之间的机械故障的不同，即表中的P3和P50。

    3.3 故障分析

    3.3.1 机构与本体之间出现故障的可能

    与电气联动相比，机械联动的断路器安装要困难得多。它需要在三极之间进行准确的调整，才能确保三极之间的机械联接在允许误差范围之内并保证其同期性。一般情况下，由于现场施工条件比较简陋，断路器基础及支架尺寸也会有偏差，再加上施工人员技术素质不同，很难满足安装的要求。从表1中也可以看出，机械部分变形损坏在机构部分故障中所占的比例达到23%，如果扣除液压和气动机构类型的影响，这种比例会更大，这也间接反映了现场安装调试难度加大，会造成运行后故障的增多。电气联动操动机构由于机构与断路器极柱直接连接，出现该故障的机率就少多了。

    其次，对于机械联动机构，各极上的力和能量的传递是不一样的，离机构最近的一极将承受比较大的机械应力；各极之间的振动也不一样，离机构最近的一极，其振动程度最严重。此外，由于大气温度的变化，金属会热胀冷缩，连杆长度的变化会使断路器的分合闸时的位置发生改变，而这种改变的后果是严重的。

    最后，机械连杆内部的应力会随着相间距离的变化而增大。一般与dA成正比(1≤A≤2)。线性变形时(如变形或伸长)，A=1；非线性变形时(如：膨胀)，A=2。试验表明，当相间距离小于2.5m时，应力还处在可接受的范围内。但是，当相间距离超过2.5m时，应力和变形就会对断路器的可靠性和稳定性产生影响。并且，由于SF6断路器开距要远小于少油断路器，因此机械传动上的微小差异，即对断路器性能造成很大影响。这也是世界上所有断路器制造商为什么不愿意生产300kv及以上的三相机械联动断路器最重要的原因之一。

   3.3.2 机构本身故障可能性

    从表2可以看出，弹簧机构断路器的故障次数要远低于液压和气动机构断路器的故障次数。但三相联动机构与电气联动机构相比，前者所需操作功比后者要大的多，产生的应力和振动就大，对机构的破坏就大。当然，对各制造商来说，其产品性能与其制造质量、工艺水平有很大关系，用户可以选用年平均故障率低、质量可靠的制造商的产品以降低故障率，但总的说三相联动机构故障率P4远大于电气联动机构故障率P3。

    4 小结

    三相机械联动故障率大于三相电气联动机构，在没有特殊要求的情况下，应尽可能选用电气联动机构的断路器；1l0kV及以下断路器相间距离一般小于2000mm，采用三相机械联动的方式比较适宜；220kV及以上断路器，相间距离一般为3000～4000mm，采用三相电气联动机构比较适宜。

    参考文献

    [1]  C R Heising，A L Janssen，W Lanz，et al．Summa-ry of CIGRE 13.06 Working Group World Wide Relia-bility Data and Maintenance Cost Data on High Voltage Circuit Breakers Above 63 kV[A]．Industry Applica-tions Society Annual Meeting[C]，Conference Record of  IEEE，1994．

    [2]