模块化真空断路器（精选九篇）
模块化真空断路器 篇1
目前,高压断路器的绝缘介质主要采用SF6,中压断路器的绝缘介质主要采用真空;随着环保意识逐渐加强,世界各国的开关行业都在寻找一种绝缘性能优良且环保的开关,以替代SF6高压断路器[1,2,3]。真空开关具有环保、少维护的优良特性,但真空绝缘主要应用于中压领域,其具有短间隙绝缘优良的特点;目前,比较成熟的真空灭弧室电压等级为40.5k V和72.5k V,开展真空短间隙串联可提高绝缘耐压等级[4,5,6,7]。本文将3个40.5k V真空断路器模块串联构成126k V断路器,采用均压电容将3个断路器模块进行串联均压,可提高整体断路器耐受恢复电压的能力;随着更高电压等级的126k V单个灭弧室研制成功且可靠应用后,可将真空介质应用进一步提升到超高压断路器。目前,我国电力系统内各区域电网的短路电流水平逐年提升,部分地区短路电流已经超过目前断路器具备的短路电流开断能力,国外公司曾经开展过断路器直接并联技术应用于发电机出口断路器[8,9];本文采用一种高耦合度的紧耦合空心电抗器用于与两个支路断路器并联,提高开断能力以解决现有断路器开断能力不足问题[10]。
1 整机结构设计
研制一种高压交流智能型模块化光控真空断路器,其样机参数为:额定电压126k V,额定电流5000A,短路开断电流80k A。高压交流智能型模块化光控真空断路器(以下简称整机) 的A相断路器 结构, 如图1所示,紧耦合空心电抗器与两支路断路器串联,每个支路断路器由3个真空断路器模块串联,通过均压电容进行均压。单个40.5k V、2500A/40k A光控真空断路器模块结构图如图2所示,断路器模块的操动机构采用永磁机构与灭弧室直动式连接,分合闸电容的电源通过感应电源线圈从高压线路取能,控制器封闭在高压侧金属模块内,由光纤控制真空灭弧室模块的分合闸[11,12,13,14]。
模块具体 参数为: 触头开距18±1mm, 触头超程4±1ms, 分合闸分散性小于1ms,模块样机触头刚分后12mm的平均分 闸速度1.8±0.2m/s, 触头接触前12mm的平均合闸 速度1.2±0.2m/s, 合闸弹跳≤2ms, 分闸反弹 ≤1mm,40.5k V断路器模块实物如图3所示。
对于静态耐压下U型排列的三断口串联真空断路器,静态均压下不同电容值对均压效果的影响见图4,按照不均匀系数n<1.1选取均压电容值,取500p F可满足要求。
对动态均压下同期开断与非同期开断时串联三断口的电压分布开展研究。同期开断为串联三个断路器模块在同一时刻开断,同期开断时,不同均压电容值对各断口TRV峰值处电压分布影响见图5,当均压电容大于400p F时,不均匀系数已小于1.1,基本满足设计要求。
非同期开断时,各断口开断顺序不同时对各断口电压分布的影响不同,计算TRV峰值处不同电容值对各断口均压的影响见图6。当断口开断排序先后为断口1、断口2、断口3时,200p F可使不均匀系数n<1.1,需要的均压电容值与同期开断时相比较小。当断口开断先后排序为断口3、断口2、断口1时,若要满足不均匀系数n<1.1,则并联均压电容值要大于700p F。适当调整三断口开断顺序可提高分布效果。对图4、图5、图6的数据分析和比对,均压电容对断口均压性具有饱和效应。增大电容值可降低TRV的上升率,但使断路器断口间恢复电压TRV幅值加大不利于开断,综合考虑选取1000p F。
1- 左端盖法兰;2- 真空灭弧室;3- 右端盖法兰;4- 电源;5- 高压侧控制器(永磁机构控制系统);6- 光纤接口;7- 外绝缘;8- 永磁操动机构;9- 感应电源线圈;10- 软连接;11- 中间法兰
紧耦合空心干式电抗器如图7所示,它的功能是实现正常工作状态下对各并联真空灭弧室间的强制均流作用,以及异常工作状态下对各并联真空灭弧室的强制限流作用。
紧耦合空 心干式电 抗器的参数为:额定电压126k V,单臂电感2.6m H, 耦合系数0.97, 额定电流2×2500A,短时耐受电流2×40k A2s,峰值耐受电流2×100k A,直流电阻3.9mΩ。
整机控制器如图8所示,整机控制器可同时收发18路光纤控制信号给断路器模块内的高压侧控制器。整机控制器可分别单独控制单个断路器模块,通过控制器可对每个模块的分合闸时间进行延时设定,确保刚分刚合时间在同一时刻,降低分合闸的分散性。高压交流智能型模块化光控真空断路器整机(126k V5000A/80k A)在特高压交流试验基地进行组装,整机现场图如图9所示。
2 整机试验
整机试验分别在特高压交流试验基地和西安高压电器研究院完成,试验方式为研究性试验,从绝缘等级、均流限流能力、短路电流开断能力等方面考核整机性能,制定的试验项目主要包括绝缘试验、均压试验、机械操作试验、回路电阻测试和短路开断试验等[15,16,17]。
2.1 绝缘试验
整机断路器设备的绝缘试验,依据GB/T11022-1999标准中断路器绝缘试 验要求, 对断路器 相对地、相间、断口间,进行1min工频耐压和 雷电冲击 试验。整机 试验现场如图10所示。依据标准中绝缘试验 要求, 在安装现 场对单个40.5k V断路器模块进行绝缘试验, 断路器对 地电压、相 间电压和断 口电压均 为95k V/1min; 对126k V三个串联断路器模块进行绝缘试验,断路器对地电压、相间电压和断口电压均为185k V/1min;试验设备采用工频升压变压器进行耐压试验;绝缘试验中的雷电冲击试验在室内进行,依据GB1984和GB11022要求, 对40.5k V单个断路器模块 施加185k V, 对126k V三个串联断路器模块施加450k V,正负极各进行15次;试验全部一次成功通过。
2.2 均压试验
三个真空 断路器模 块串联均压试验包括静态均压测试试验和动态均压测试试验。静态均压测试试验采用工频升压装置对三断口串联模块施加电压,用静电电压表测量三断口模块串联的总电压,绝缘子分布电压测量表测量模块断口各端电压,U型排列三断口模块串联真空断路器无并联电容试验数据见表1,并联1000p F电容后的数据见表2。电容器对改善各断口电压分配不均匀的现象有明显效果,可以使各个断口的电压达到比较接近的水 平, 起到良好 的静态均压作用。
动态均压测试试验,采用合成回路进行暂态恢复电压TRV13k V,短路电流20k A下的开断试验,在各模块两端并联1000p F的均压电容,试验的现场布置如图11所示。整机断路器采用2944∶1的电阻分压器测量两端电压;三个真空断路器模块断口电压采用泰克P6015A高压探头测量,电压量程为直流20k V,借助光纤隔离采集系统对各电压实现模拟数字进行隔离测量;采用Pearson电流探头测量流过三断口真空断路器模块的短路电流,电流量程为工频20k A。采用泰克DPO4054四通道500MHz带宽数字示波器记录试验波形。示波器测试图,如图12所示,从图12中可以得到各个断口两端的TRV峰值,并可计算出各个断口承担的电压百分比,见表3;从表3可以看出U型排列方式下三断口真空断路器并联1000p F均压电容后, 三个断口的动态TRV分配均匀。
2.3 均流与限流试验
由于整机 回路阻抗0.012Ω,升流5000A,开口电压为60V,常规升流器开口电压较低,需要研制升流设备额定开口电压100V,额定电流5000A的升流器进行大电流试验。为了对整机设备中紧耦合空心电抗器的均流和限流效果进行验证,在特高压试验基地搭建整机试验平台,测试设备主要包括:1台升流器、2台电子式组合互感器、1套监测后台。监测后台可在线监测三相断路器各并联支路中的电流电压量,断路器的分合闸位置,操作次数等信息。在特高压交流试验基地现场进行紧耦合空心分裂电抗器的均流和限流试验现场如图13所示。由于现场电源提供试验容量的限制,仅能对现场整机设备的回路电流试验做到500A,对紧耦合空心电抗器的均流和限流效果进行考核。
通过监测后台可实现对现场整机三相断路器的各并联支路电流实时查看和记录,对紧耦合空心电抗器中均流和限流电流的测量值进行显示,可实现数据的记录和捕捉,是完成试验的主要人机交互界面[18]。监测软件的主监控界面如图14所示。通过权限设置可设定操作人员的级别,避免误操作;网络设置可实现数据远程查看和捕捉。
通过控制器设置指令,两并联断路器同时开断,其紧耦合空心电抗器均流试验波形见图15所示,图15中1通道对应的电流为总回路电流,2、3通道对应的为加入紧耦合电抗器后流经两并联支路电流。图中横坐标为时间,单位为每大格10ms;纵坐标为经电流互感器测量的电流值(A)。由图15可见均流效果明显,两并联支路电流幅值与相位均保持一致。
1—短路电流;2—高压断口两端 TRV 电压;3—中间断口两端 TRV 电压;4—低压断口两端 TRV 电压
通过控制器设置指令,两并联支路断路器模块先后开断,其紧耦合空 心电抗器 限流试验 波形见图16所示(横纵坐标同图15),可见加入电抗器后限流效果明显,后开断支路电流下降至原值20%,紧耦合电抗平滑接入系统,对系统和设备无冲击。
2.4 开断试验
整机开断试验对灭弧室短路电流开断、均压电容动态均压效果和操动机构速度与分散性控制等整体性能进行高压强电流动态考核。整机开断试验在西安高压电器研究院大容量试验站进行。整机试验方式采用合成振荡回路,回路的示意图,如图17所示。
为了对整机设备的并联和串联性能进行考核,整机设备试验现场为两种试验形态。第一种试验形态为整机设备并联考核,整机40.5k V/5000A—40k A真空断路器的组成为:2台40.5k V真空断路器模块、1台紧耦合空心电抗器和1台控制器。整机结构为并联断路器模块与紧耦合空心电抗器串联,40.5k V整机试验现场的组装接线图如图18所示。
第二种试验形态为整机设备串联考核, 整机126k V/5000A—40k A真空断路 器的组成 为3台40.5k V真空断路器模块串联,通过1000p F均压电容 与3个真空断路器模块并联后再进行串联,126k V整机试验现场的组装接线如图19所示。
现场试验 为40.5k V/5000A—40k A真空断路器开断性能试验,在短路电流20k A、TRV为69.24k V,短路电流40k A、TRV为68.60k V时成功开断,并对40k A短路电流进行了燃弧区间试 验, 燃弧区间为6.0~13.5ms。126k V/5000A—40k A真空断路器开断性能试验,对短路电流分别为12、20、30k A和40k A,TRV为218k V,工频恢复电压为109k V,进行成功开断。单相试验时工频恢复电压要求为:首开极系数1.5与相对地电压(Ur/ √3)乘积,对应单相126k V断路器工频恢复电压为109k V。全部短路试验前后,对操作电压施加最低电压、额定电压和最高电压下“分 -0.3s- 合分”方式下5次,分闸时间、合闸时间不超过规定的分合闸时间范围。
3 结语
本文对高压交流智能型模块化光控真空断路器的结构进行设计,并对整机进行绝缘试验和开断试验考核,试验结果表明整机设备的电气绝缘、均流和限流、短路开断、机械操作等指标优越,符合设计技术条件,提供了一种环保型、模块化、光控式的新一代高压断路器,为真空断路器在超高压领域中应用打下坚实基础。
Ci,Li:大电流振荡回路;Cu,Lu:电压源振荡回路;R0,C0:调频回路;SG:点火球隙;CB:合闸断路器;AB:辅助断路器;TB:试品断路器;VD:阻容分压器;Rog:罗氏线圈
摘要：提出一种基于模块化真空断路器串并联结构的光控真空断路器,该断路器通过均压组件将3个40.5kV断路器模块串联成126kV高压断路器,同时通过紧耦合空心电抗器对断路器模块并联,实现自动均流和限流功能,并通过光纤接收发送控制信号。对高压交流智能型模块化光控真空断路器的整机结构进行设计,对整机和组部件进行试验考核,主要包括对设备的绝缘试验、均压试验、均流与限流试验、开断试验、机械操作试验等进行验证,并对试验数据进行分析。
真空断路器市场调研报告 篇2
一、引言
真空断路器由于灭弧能力强、电气寿命长、现场维护方便、技术含量高等优点，在电力系统基本建设及无油化改造中，对40.5kV及以下电压等级的开断设备选型，而被广泛应用，为高压断路器选型的首选设备。
真空断路器发展很快，究其原因，固然很多，但有两条是基本的：一是真空灭弧室技术的进步；二是操动机构技术的进步。真空灭弧室是真空断路器的心脏。真空灭弧室的进步表现在如触头材料从CuBi转变成CuCr，提高了开断能力，并降低了截流值，同时磁场从横磁场转向纵磁场，提高了开断能力，减少了触头的烧损。在工艺上，一次排固封工艺的采用，大大提高了灭弧室性能及可靠性。操动机构被称之为真空断路器的神经中枢。原先用电磁机构，后出现了弹簧机构，最新又出现了永磁机构。弹簧机构结构复杂，零件数多（多达200个），加工精度要求高，永磁机构的机械结构特别简单，零部件比任何其他机构都要少，运动部件可以减少至一个，因而机械可靠性特别高，而且永磁机构的出力特性能与真空断路器的负载特性很好的匹配。永磁机构用永磁锁扣，电容器（或直流屏供电）储能，用电子控制。永磁机构特别适用于频繁操作，如可达6万～15万次。
二、固封式真空断路器的结构特点：
固封式真空断路器主要有别于敞开式真空灭弧室或用绝缘筒罩着灭弧室的真空断路器。它的主要特点是将真空灭弧室及导电端子等零件用环氧树脂通过 APG 工艺包封成极柱，然后与机构组装成断路器。不同品牌的固封式真空断路器结构上下不尽相同。机构的差异大些，极柱的外形、结构差异不大，但其功能都是一样的，使断路器：
1.减少了装配高速环节，提高了机械可靠性。
2.没有了相间及对地绝缘易受污秽、凝露影响的缺陷。
3.防止了真空灭弧室易受外界撞击的危险。
4.增强了主回路的外爬距，提高了灭弧室耐受电压水平。
5.灭弧室的免维护，为断路器免维护创造了条件。
固封式真空断路器技术上已获得突破，参数也愈做愈高，系列逐渐形成。产品逐渐被用户所接受和推广，是传统真空断路器的理想换代产品。只要我们在解决先进性的开发过程中，解决好生产、工艺问题，新一代的固封式真空断路器不仅会在国内市场发挥作用，而且在国际市场也会有广阔的前景。
三、真空断路器生产线设备投资
1）断路器组装生产线
温岭市东海自动化设备应用研究所
联系人:张建宏 ***
泰事达生产线（12KV、24KV断路器生产线共33万元）
2）真空断路器机械特性测试仪
3）高压工频耐压测试仪
真空断路器工作原理 篇3
真空断路器工作原理与其他断路器相比之是灭弧介质不同罢了，真空不存在导电介质，使电弧快速熄灭，因此该断路器的动静触头之间的间距很少。该断路器一般用于电压等级相对低的厂用电配置中！随着电力系统的迅猛发展，10KV真空断路器在我国已经大批量地生产和使用。对于检修人员来说，提高对真空断路器的认识，加强维护保养，使其安全运行，成了一个迫在眉睫的问题。
一、真空的绝缘特性
真空具有很强的绝缘特性，在真空断路器中，气体非常稀薄，气体分子的自由行程相对较大，发生相互碰撞的几率很小，因此，碰撞游离不是真空间隙击穿的主要原因，而在高强电场作用下由電极析出的金属质点才是引起绝缘破坏的主要因素。
真空间隙中的绝缘强度不仅与间隙的大小，电场的均匀程度有关，而且受电极材料的性质及表面状况的影响较大。真空间隙在较小的距离间隙（2—3 毫米）情况下，有比高压力空气与SF6 气体高的绝缘特性，这就是真空断路器的触头开距一般不大的原因。
电极材料对击穿电压的影响主要表现在材料的机械强度（抗拉强度）和金属材料的熔点上。抗拉强度和熔点越高，电极在真空下的绝缘强度越高。
实验表明，真空度越高，气体间隙的击穿电压越高，但在 10-4 托以上，就基本保持不变了，所以，要保持真空灭弧室的绝缘强度，其真空度应不低于 10-4托。
二、真空中电弧的形成与熄灭
真空电弧和我们以前学习的气体电弧放电现象有很大的差别，气体的游离现象不是产生电弧的主要因素，真空电弧放电是在触头电极蒸发出来的金属蒸汽中形成的。同时，开断电流的大小不同，电弧表现的特点也不同。我们一般把它分为小电流真空电弧和大电流真空电弧。
1、小电流真空电弧
触头在真空中开断时，产生电流和能量十分集聚的阴极斑点，从阴极斑点上大量地蒸发金属蒸汽，其中的金属原子和带电质点的密度都很高，电弧就在其中燃烧。同时，弧柱内的金属蒸汽和带电质点不断地向外扩散，电极也不断的蒸发新的质点来补充。在电流过零时，电弧的能量减小，电极的温度下降，蒸发作用减少，弧柱内的质点密度降低，最后，在过零时阴极斑消失，电弧熄灭。
有时，蒸发作用不能维持弧柱的扩散速度，电弧突然熄灭，发生截流现象。
2、大电流真空电弧
在触头断开大的电流时，电弧的能量增大，阳极也严重发热，形成很强的集聚型的弧柱。同时，电动力的作用也明显了，因此，对于大电流真空电弧，触头间的磁场分布就对电弧的稳定性和熄弧性能有决定性的影响。如果电流太大，超过了极限开断电流，就会造成开断失败。此时，触头发热严重，电流过零以后仍然蒸发，介质恢复困难，不能断开电流。
三、断路器的结构和工作原理
真空断路器的生产厂家比较多，型号也较繁杂。按使用条件分为户内（ZNx—**）和户外（ZWx—**）两种类型。主要由框架部分，灭弧室部分（真空泡），和操动机构部分组成。
断路器本体部分由导电回路，绝缘系统，密封件和壳体组成。整体结构为三相共箱式。其中导电回路由进出线导电杆，进出线绝缘支座，导电夹，软连接与真空灭弧室连接而成。
机构为电动储能，电动分合闸，同时具有手动功能。整个结构由合闸弹簧，储能系统，过流脱扣器，分合闸线圈，手动分合闸系统，辅助开关，储能指示等部件组成。
工作原理
真空断路器利用高真空中电流流过零点时，等离子体迅速扩散而熄灭电弧，完成切断电流的目的。
动作原理
储能过程：当储能电机 14接通电源时，电机带动偏心轮转动，通过紧靠在偏心轮上的滚子10带动拐臂9及连板7摆动，推动储能棘爪6 摆动，使棘轮11 转动，当棘轮11 上的销与储能轴套32的板靠住以后，二者一起运动，使挂在储能轴套上32 上的合闸弹簧21 拉长。储能轴套32 由定位销13 固定，维持储能状态，同时，储能轴套32 上的拐臂推动行程开关5切断储能电机14 的电源，并且储能棘爪被抬起，与棘轮可靠脱离。
合闸操作过程：当机构接到合闸信号后（开关处于断开，已储能状态），合闸电磁铁 15 的铁心被吸向下运动，拉动定位件13 向逆时针方向转动，解除储能维持，合闸弹簧21 带动储能轴套32逆时针方向转动，其凸轮压动传动轴套 30，带动连板29及摇臂27 运动，使摇臂27 扣住半轴25，使机构处于合闸状态。此时，连锁装置28 锁住定位件，使定位牛不能逆时针方向转动，达到机构联销的目的，保证了机构在合闸位置不能合闸操作。
分闸操作过程：断路器合闸后，分闸电磁铁接到信号，铁芯吸合，分闸脱扣器 19 中的顶杆向上运动，使脱扣轴16 转动，带动顶杆18向上运动，顶动弯板26 并带动半轴25 向反时针方向转动。
半轴25 与摇臂27 解扣，在分闸弹簧的作用下，断路器完成分闸操作。
四、断路器的调试
开距与超行程断路器的开距与超行程的测量可以根据图三所示，在分合闸状态测量出的 X 值之差为断路器的开距，Y 值之差为断路器的超行程。调整的方法为放长或缩短绝缘操作杆3 或机构与主轴的连杆。
分合闸机构调整
1、摇臂 27 与半轴25 的扣接量为1.5～2.5mm，可以通过调整螺钉24 来实现。
2、传动轴套 30 转动最大角时，摇臂27 与半轴间要有1.5～2mm的间隙，以保证传动轴套回落到合闸位置时，摇臂27 能自动扣接到半轴 25 上，可以通过螺钉31 的调节来实现。
3、辅助开关 2的转换应准确可靠，可以通过调整辅助开关2的拐臂3位置及位杆4 的长短来实现。
4、在储能过程中，当棘爪到达最后一个齿的最高点时，应能保证储能轴套 32 上的拐臂使行程开关的触点可靠切换，切断电机电源，可以通过调整行程开关5 的上下前后位置来实现。
5、调整分闸合闸弹簧的预拉长度，保证断路器的可靠分合，且分合闸速度达到规定值。
五、断路器的控制回路
在我国的农网 35KV标准化变电站中，采用了控制母线和合闸母线分开的原则。
在短路器的辅助常闭接点与合闸线圈之间，把断路器储能行程开关的一对常开接点串联进控制回路。这样，在断路器未储能的情况下，将不能进行合闸操作。防止了在断路器未储能的情况下合闸，合闸回路保持，烧毁合闸线圈。
同时，在接线的过程中，要注意储能行程开关接点中合闸母线与控制母线的极性要一致，防止出现在开关蓄能时，合闸回路的电弧击穿行程开关，造成控制保险的熔断或控制空气开关的掉闸。
这一点在综合自动化变电站上要特别注意。
六、运行维护与检修试验
真空断路器的燃弧时间短，绝缘强度高，电气寿命也较高，触头的开距与行程小，操作的能量小，因此，机械寿命也较高。在日常的运行中，维护工作量很小，主要检查机构的运动部件磨损情况，紧固件有无松动，清除绝缘表面的灰尘，在活动部位注入一些润滑脂等。
模块化真空断路器 篇4
真空断路器由于其环保和技术优势,在中压领域已得到广泛应用[1,2],将真空断路器推广到110 k V及以上的高压/超高压领域是目前国内外普遍关注的研究热点[3]。为了充分利用短真空间隙的绝缘特性,同时又避免出现长真空间隙下的绝缘饱和,目前采取的一般措施就是借助多断口串联,即通过将多个40.5 k V或72.5 k V灭弧室或断路器模块串联以承受高电压[4]。基于模块化设计思想,通过串、并联技术,构造出110 k V及以上电压等级的新一代大容量高压/超高压断路器,首先要解决的问题就是研制出结构合理,便于实现高压串、并联的真空断路器模块。近年来,提出了基于光控模块式真空开关单元FCVIM(Fiber-Control Vacuum Interrupter Module)积木式串联的高压和超高压多断口真空开关的技术路线[5,6],前期研究证明该方式是可行的。本文给出了基于自具电源和永磁机构的真空断路器光纤控制模块的具体设计和结构,并测试验证其主要技术参数。
1 模块总体结构及工作原理
光控真空断路器模块的主要技术难点包括:
a.高可靠性的快速操作机构;
b.高可靠性的自具型操作电源;
c.合理的绝缘结构设计。
作为初步应用,选国内外成熟应用的40.5 k V电压等级真空灭弧室作为基本元件,光控真空断路器模块的原理结构如图1所示,图2所示为单个光控真空断路器模块与低电位端智能控制系统的连接图。模块设计参数为:额定电压40.5 k V;额定电流2500 A;工频耐压(1 min,电寿命前、后)95 k V;雷电冲击耐压185 k V;额定短路开断电流(有效值)40 k A;额定短路关合电流(峰值)100 k A;额定动稳定电流(峰值)100 A;4 s热稳定电流(有效值)40 k A;额定操作顺序是分闸0.3 s后进行一次合分闸,180 s后再进行一次合分闸;额定短路电流开断次数20次;机械寿命20 000次;回路直流电阻≤200μΩ;动静触头允许磨损累计厚度3 mm;总重量≤100 kg。
模块的核心元件为真空灭弧室和操动机构。图1中的环氧绝缘筒(3)和硅橡胶绝缘外壳(8)形成复合绝缘,环氧绝缘筒与真空灭弧室之间充以硅橡胶,可以保证灭弧室处于分断状态时的断口外绝缘,硅橡胶绝缘外套可以保证模块抗IV级污秽的能力;带铁心的感应电源线圈(5)感应出的二次电流送入控制板(10)中的电源管理器,给储能电容器组(11)和蓄电池(9)充电,作为永磁机构的正常和后备操动电源;利用光纤技术实现高低电位隔离的光纤接口(12)接收低电位端的控制信号,并且把模块状态信息反馈给低电位端的智能控制系统;来自低电位端智能控制系统的控制信号由光纤连接到控制板(10)上的电力电子开关,使储能电容器组中的电能释放到快速永磁机构(7)中,完成真空灭弧室的操动。模块对外除了2组光接口外,没有任何联系,根据用户的要求可配置相应的通信协议。
光控真空断路器模块的重要特征是自具型操作电源[7,8,9,10]。操动机构与灭弧室动导电杆等电位直接相连,蓄电池和储能电容器组由光电器件控制为操动机构提供操作电源,在开关工作时与地电位可以没有电的联系,地电位端通过光缆传输过来的开关动作信号可控制各串联模块中的储能电容器组同时动作。因此,根据电压等级直接串联一定数量的这种光控模块,可无传动地组成高电压等级断路器。由于采用自具型电源,在模块内部解决操动能源问题并由光信号控制,免除操动机构与开关本体的绝缘困难,并使传输的信号可直接连到计算机控制系统,解决了常规高压开关在绝缘和控制方面的不足。光纤信号不受外界环境干扰[11,12,13],通过模块的串联和控制信号的同步触发,结合相控开关分合闸技术[14,15,16],可实现72.5 k V以上高压智能化真空断路器。
模块控制系统硬件原理图见图3,主要包括各种传感器(检测开关位置、储能电容组电压和环境温度等信号)、A/D转换器、主控CPU处理器、电源系统(包括机构操动电源和控制系统工作电源)、与低电位智能控制系统联系的高低电位光电隔离单元。模块和低电位智能控制系统之间需要进行数据交换,模块接收智能控制系统发送的操作指令并返回模块的各个状态参数。控制系统的设计要考虑可靠性、安全性和适时性,设计了接收和发送2个光纤接口,与低电位端智能控制系统的通信协议可以根据用户需要配置。
控制系统通过感应电源线圈从母线上取电,从控制模块尺寸考虑,感应电源线圈尺寸不宜过大,因此提供的功率有限,同时从模块使用寿命考虑,要求控制系统电路的功耗越低越好。本文设计的控制系统从如下几个方面减小功耗:考虑到模块控制器承担的控制功能并不复杂,主控CPU控制器采用低功耗MEGA16单片机;考虑到在模块工作时总是处于较长的等待指令状态,因此设计的光纤驱动电路在这个状态下器件都是不导通的,功耗可以忽略不计,只在接收指令和发送数据时电路导通,从而达到降低功耗的目的。
模块控制系统主程序流程图如图4所示。MEGA16系统初始化后就进入无限循环,等待位于低电位的智能控制器发送分、合闸光纤信号。当有分、合闸光纤信号时,执行中断子程序。接收光纤信号后,确定是分闸或合闸指令后发送电信号到功率驱动单元,操动灭弧室。动作完成后记录开关的动作时间与状态信息,并通过光纤发送到位于低电位的智能控制器。
2 模块性能实验测试与分析
2.1 机械参数测试
模块的机械参数是决定能否实现电参数的关键。在完成触头开距、超程和触头合闸位置接触压力后,关键是得到合理的分闸速度。根据真空开关电弧形态研究,要实现起始集聚向扩散型电弧的快速转变,初始阶段动触头的快速分离是前提。因此,初始分闸速度对分断能力至关重要。通过触头弹簧和超行程的合理配置,模块样机的初始6 mm平均分闸速度达到(1.8±0.2)m/s。
模块采用的永磁机构,本身具有抑制合闸弹跳的功能,配合以准确的运动部件的几何同心度保证,传统真空开关机械参数中比较棘手的合闸弹跳能够较容易地控制在规定的2 ms时间内。
对于模块实现断路器相位控制,最重要的是机械动作时间的可控,即分/合闸时间的控制误差。对模块样机200次合/分动作时间(其中合、分闸各100次)的偏差统计结果如图5所示(图中n为合、分闸次数,Δt1为合闸时间偏差,Δt2为分闸时间偏差)。合、分闸时间均以100次动作的平均值作为期望值,得到模块的合闸时间为23 ms,分闸时间为9.2 ms。100次合闸测试表明实际合闸时间偏离期望值的平均误差小于0.3 ms,其中75次(占75%)在[-0.3,0.3]ms区间,偏差大于0.5 ms(不超过0.9 ms)的只有6次(占6%)。100次分闸测试表明实际分闸时间偏离期望值的平均误差小于0.5 ms,其中82次(占82%)在[-0.3,0.3]ms区间,偏差大于0.5 ms(不超过0.9ms)的有4次(占4%)。可见模块样机动作时间分散性小于1 ms,满足CIGRE对于相控断路器的要求。
模块主要机械参数为:触头开距(18±1)mm;触头超程(4±1)mm;平均分闸速度(1.8±0.2)m/s;平均合闸速度(1.2±0.2)m/s;合闸弹跳时间≤2 ms;触头合闸位置接触压力≥3000 N;回路电阻≤50μΩ。
2.2 电参数与绝缘性能测试
光控模块的一般电参数是由选用的高性能真空灭弧室保证的。样机选用国产较成熟的TD-40.52500/31.5型陶瓷真空灭弧室,确保主要电参数的实现。作为样机需要解决的是足够低的回路电阻以及模块的整体绝缘水平。
在导电回路设计方面,模块法兰兼作出线元件,内部导电回路设计均有足够的冗余和铜铝过渡考虑,回路电阻测试结果小于50μΩ,在连接法兰良好的散热效果下,模块的温升远小于额定值。按照40.5 k V断路器的绝缘要求,模块通过了1 min工频95 k V耐压试验和185 k V雷电冲击耐压试验。
2.3 电源系统测试
按额定电流IN=2500 A设计,在(10%~150%)IN范围内,即250~3 750 A,感应电源线圈能够为系统稳定供能;超出此范围,由蓄电池供能。选择蓄电池参数为:12 V/3.4 A·h,充满后能满足20次分-合分操作需要。
模块样机的开断试验将在后续研究中完成。
3 结论
设计并实现了一种基于自具电源的光控真空断路器模块,该模块具有绝缘结构简单、机械传动装置极大简化、模块间同步操作易于控制、可靠性高等优点,以此智能模块为基础,可以积木式串并联结构,构成高压/超高压真空断路器。测试结果表明光控真空断路器模块的电气参数达到设计指标,动作分散性小于1 ms,达到CIGRE对选相精度的要求,结合开关选相技术,可构成新一代智能化断路器。
摘要：借助多断口串联构造110 kV及以上电压等级的大容量高压/超高压断路器,并设计实现了一种光控真空断路器模块。模块设计工作在高电位,选用40.5 kV电压等级真空灭弧室作为基本元件,通过控制器和电力电子器件驱动永磁机构来操动断路器,接收从低电位控制器通过光纤发送的操作命令,返回模块实时的状态信息和动作时间。模块由特制的电流互感器线圈从母线上取电,存储在蓄电池中。高、低电位由光纤隔离。通过串、并联该模块可以构建高电压、大容量的真空断路器。模块结合相控开关分合闸技术,可以实现72.5 kV以上高压智能化真空断路器。试验表明模块具有良好的电参数和机械特性。
模块化真空断路器 篇5
真空断路器普遍应用于35 k V及以下电压等级的电网中,与传统的油断路器比较具有体积小、质量轻、环境污染小、开断容量大、灭弧性能好、运行维护简便、机械和电寿命长等优点。真空断路器作为电力系统中重要的控制和保护电器,如存在故障或缺陷,不仅起不到保护和控制作用,严重时还会影响其它设备的运行,甚至酿成故障引起电网事故。真空断路器是以真空作为绝缘和灭弧手段的断路器,因此,真空度直接影响真空断路器的性能[1]。大量统计资料表明,真空断路器故障绝大多数是因密封失效导致真空度下降而引起的。所以,运用科学的方法对真空断路器的真空度进行定期或不定期检测,及时发现故障先兆,对真空断路器乃至整个系统的安全和可靠运行都有十分重要的意义。
1故障经过
1.1故障断路器所在电气间隔主接线图
改造前104电气间隔主接线图如图1所示。
2009年10月,104电气间隔的电容器组故障导致停止运行,间隔内设备包括断路器(Q F)、隔离开关(QS)、电流互感器(TA)、电缆(W)、避雷器(F)、电容器组等停运时间达半年之久,2010年4月,电容器组故障修复后,104间隔的电容器单元有较大变动,改造后电气间隔主接线如图2所示。
注:图中电容器断路器(电容器QF)为KZN-12/041真空永磁断路器。
1.2故障设备简介
104真空断路器为Z N28-10型手车式真空断路器,采用ZMD11-10系列玻璃外壳,中封式纵向磁场触头真空灭弧室并配用C T19型弹簧操作机构,操作机构和真空灭弧室采用前后布置。1996年11月出厂,1997年7月12日投运。其主要技术参数如表1所示。
1.3故障概述
电容器改造完成后,根据系统运行要求,2010年5月需将104间隔投入运行。因该间隔停运时间近半年,根据规程[2]要求需对间隔内设备进行试验,间隔内设备各项试验数据均合格。具备投运条件后,按照调度命令对该间隔进行送电操作,在操作104断路器过程中,听到断路器柜内发出“砰”的声响,立即停止操作,迅速向调度汇报,调度下令进行故障隔离。运行人员断开104断路器(电容器QF也断开)并拉至检修位置进行检查,此时该断路器实际机械位置显示为分闸位置,电气指示亦在分闸位置,然而104电气间隔的带电显示装置却显示A相回路带电,保护人员检查断路器操作回路正常,运行人员随即拉出手车等待试验人员进行电气试验检查,确定故障原因和部位。
2故障检查
2.1外观检查
手车断路器拉出后,试验人员首先检查真空灭弧室外观,发现A相真空灭弧室内部屏蔽罩表面发黑且有灼伤面,与B相颜色截然不同,正常相(B、C相)玻璃外壳的真空灭弧室内部的屏蔽罩等部件表面颜色应很明亮,当真空度严重降低时,内部颜色就会变得灰暗。从外观检查可初步判定A相真空灭弧室真空度已严重下降。
2.2电气试验
2.2.1导通检查
用万用表分别检查断路器三相导通情况,动静触头间不导通,说明断路器已正常断开。在随后的检查中试验人员发现104断路器机械和电气指示均在分闸位置,但测试结果显示A相导电回路导通,B、C相不导通说明A相并未在分闸位置(未正常断开),断路器分闸后仍处于“导通”状态,据此判断A相断口绝缘损坏,从而造成该相导电回路导通,导通检查结果与带电显示装置显示及外观检查情况是相吻合的。
2.2.2绝缘检查
试验人员分别对104断路器主回路对地、相间及断口进行绝缘试验,结果见表2。
首先,用3124型兆欧表检测104真空断路器三相灭弧室断口间绝缘电阻,测得B、C两相结果合格;但A相灭弧室断口绝缘电阻为0 MΩ,此时加在灭弧室断口上的实际电压为127 V,远远低于测试电压2 500 V。排除灭弧室外壳表面受潮、脏污等因素影响后,结果依然如前。试验结论与之前所分析的故障性质一致,即该断路器A相真空度已降低,不能再投入运行。其次,对断路器三相分别进行交流耐压试验发现B、C相两相均能通过42 k V/l min的交流耐压试验,而A相试验电压升至2.4 k V时,真空灭弧室就被击穿,说明A相灭弧室真空已失效。最后,用手轻轻拉动其动触头,发现能自由轻松滑动,表明灭弧室已漏气,室内外压力相同。因为完好的灭弧室内是负压,手向外拉动触头时不能自由滑动,欲使其滑动要用特别大的力。因此,可判断A相灭弧室本身出现漏气点,导致其内部真空度消失,动静触头断口间全靠空气绝缘;由于其开距短,约为l1 mm(见表1),故其绝缘电阻值下降极快[3]。
2.2.3真空度测量
试验人员使用HZK200B真空度测试仪对104断路器的真空度进行定量检测,数据为A相25 Pa,B相1.95×1O-5Pa,C相2.14×1O-5Pa。
可知A相灭弧室真空度与其它两相的测量结果存在明显差别,明显超过电力行业标准[4]规定:真空断路器在允许储存期期末,真空灭弧室内部气体压强不得大于6.6×1O-2Pa;真空灭弧室随同真空断路器出厂时的真空灭弧室内部气体压强不得大于1.33×1O-2Pa。由此可知,A相灭弧室真空度已严重失效,B、C相均正常。
3故障处理
为了不影响送电工作,检修人员立即更换A相灭弧室,更换灭弧室后测其真空度正常(2.03×10-5Pa)。随后对104真空断路器进行了绝缘试验和调整行程、同期、弹跳等特性试验,各项试验数据均合格后,投入运行,至今运行情况良好。
4故障原因分析
综合以上分析,104间隔投运失败系真空灭弧室本身质量问题引起,有以下几方面原因:(1)A相真空灭弧室的材质或制作工艺存在问题,真空灭弧室本身存在微小漏点;或者灭弧室内波纹管的材质或制作工艺存在问题,多次操作后出现漏点。随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数的增多以及外界因素的影响,其真空度逐步下降,当下降到一定程度时将会影响其开断能力和耐压水平。(2)灭弧室的制造材料含有一定的气体杂质,经过长期运行慢慢析出,造成真空灭弧室压力上升。(3)用于投切电容器组的真空断路器,发生重击穿并产生较高的过电压进一步造成真空断路器断口绝缘击穿。
5真空度定量检测的重要性
1)104断路器投运前虽然通过交流耐压试验检查,但未及时发现真空度泄漏失效。通过故障分析可知,也许交接时断路器真空灭弧室已经漏气,只是当时尚不严重,也就通过交流耐压试验。随着时间的推移,漏气由量变到了质变的阶段,最终导致此次故障的发生。
2)通过交流耐压试验的真空灭弧室并不一定不漏气。未通过42 kV/1 min断口交流耐压试验的真空断路器,漏气已相当严重;通过该项试验的真空断路器,并不代表其真空灭弧室一定没有漏气。交流耐压通过的真空断路器在运行中仍然造成事故的类似事例[5,6,7]较多,因此交流耐压不能判断真空度的变化趋势,只是一个定性的判断方法,而且其结果与真空度实际状况有时表现相悖[8]。定量检测真空度能更准确地反映真空灭弧室的运行状况。
3)对于真空灭弧室真空度而言,一方面真空灭弧室在长期存放或使用一段时间后,金属触头或灭弧室其他固体构件中吸附或残存的气体会析出,从而在客观上会使灭弧室真空度下降;另一方面由于使用过程或灭弧室波纹管等元件质量原因,也会造成灭弧室真空度的突然(或缓慢)降低。规程对真空断路器的试验增加了“有条件时,在大修、小修后对真空灭弧室的真空度进行测量”的条文。因此定量检测时,应将检测结果与出厂试验和交接试验时测得的值相比较,不应有显著变化。
4)这是一起典型的真空断路器真空度降低引起的故障,如不彻底查明故障原因并消除故障,盲目进行操作,就可能进一步扩大故障范围甚至造成人身伤亡。运行人员由于缺乏直接监视真空断路器真空度的工具,在平时巡视设备或故障处理时,应结合有关信息进行综合判断。
6结语
通过对这起故障的分析处理,结合真空断路器运行经验给出相应的建议性改进措施:
(1)严格把好断路器选型、交接验收、调试及定期试验关。(2)定期或不定期检测真空真空断路器真空度是十分必要的。真空断路器真空度检测应综合采用行之有效的方法,比如观察法、交流耐压法、火花计法、磁控放电法等。及时发现并处理设备存在的先天缺陷,才能保证设备以良好的状况投入运行,减轻运行中的压力,降低设备运行中的故障率。(3)交流耐压只能定性地判断真空灭弧室是否失效,对灭弧室的真空度尽可能进行定量分析。(4)加强运行中真空断路器的监视。对玻璃外壳真空灭弧室,通过观察涂在真空玻璃灭弧室内表面的吸气剂薄膜的颜色变化来判断真空度的变化。现有10 kV系统多用的封闭式组合真空断路器柜一般都有带电显示器,因此在操作断路器时应注意观察有无异常现象。如在分闸操作中,断路器断开后,检查带电显示装置有无显示带电;真空断路器在备用情况下,带电显示器应没有显示。如果出现真空断路器真空度降低发生放电,带电显示器就会显示带电。巡视人员在巡视设备或处理事故时可以结合真空断路器位置观察带电显示器,从而准确的判断真空断路器的情况,有效的处理事故。如有怀疑应进行真空度检查。(5)对有异常现象或使用寿命己到的真空灭弧室,如发现其触头磨损已达到或超出规定值,灭弧室真空度已达不到标准的要求值,机械操作寿命已达到规定值,应缩短检测周期,必要时予以更换。
摘要：介绍了运行中碰到的一例真空断路器真空度失效故障,通过分析设备发生故障时所表现出的异常现象,运用外观检查、电气试验、真空度定量测量等诊断方法查找故障原因和部位,经综合分析判断,准确地找到了故障原因和部位,消除了故障隐患。指出真空度失效故障的主要原因为产品工艺不良造成,强调了真空度定量检测的重要性,并给出相应的改进措施。
关键词：真空断路器,故障,真空度,交流耐压
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户内真空断路器使用探讨 篇6
一、防止过电压
真空断路器具有良好的开断性能, 有时在开断感性负载时, 在回路电流急骤变化时要在电感两端产生很高的过电压, 这点应引起注意。
在开、断小容量电动机时起动电流较大, 应采取降低起动电流的措施。
对变压器而言, 不同结构的变压器是有区别的。油浸变压器不仅耐冲击电压值较高, 而且杂散电容也大, 不需要专门加装保护;对于耐冲击电压值不高的干式变压器, 最好加装保护, 例如安装氧化锌避雷器, 或采用电缆的分布电容及装设电容的措施。对出线保护用真空断路器, 由于线路较长, 杂散电容也较大, 加上有多种设备连接在线路上, 是不会产生很高的载流过电压的, 使用中一般不需要采取特别的保护措施。
对电容器组, 现场试验证明真空断路器关、合产生过电压一般不超过两倍。在我国, 并联电容器一般用于60kv以下, 这种电压等级设备绝缘水平较高, 关合电容器组的过电压一般不会给设备造成危害。但是性能不好的真空断路器, 由于开合时触点振动持续时间过长, 可引起高的过电压, 这在国内外的试验中均有发生, 应引起注意。
二、严格控制真空断路器的合、分闸的速度
真空断路器的合闸速度过低时, 会由于预击穿时间加长, 而增大触头的磨损量, 又由于真空断路器灭弧室一般采用铜焊工艺, 并且经高温下去气处理, 所以它的机械强度不高, 耐振性差。如果断路器合闸速度过高会造成较大振动, 还会对波纹管产生较大冲击, 降低波纹管寿命。通常真空断路器的合闸速度为0.6m/s~2m/s。对一定结构的真空断路器有着最佳合闸速度。真空断路器断路时的燃弧时间短, 其最大燃弧时间不超过15个工频半波, 并要求电流第一次过零时, 灭弧室要有足够的绝缘强度, 通常希望断路时在工频半波内触头的行程达到全行程的50%~80%, 因此, 需要严格控制断路器的分闸速度。
此外要求真空断路器的分闸缓冲器与合闸缓冲器有较好的特性, 尽量减轻分闸或合闸时的冲击力, 以保护真空灭弧室的使用寿命。
三、严格控制触头行程
不能误以为开距大对灭弧有利, 而随意增加真空断路器的触头行程。因为真空断路器的行程比较短。一般额定电压为10kV~15kV的真空断路器触头行程权为8mm~12mm, 触头超行程仅为2mm~3mm。如果过多的增加触头行程, 会使断路器合闸后, 在波纹管上产生过大的应力, 引起波纹管损坏, 破坏断路器密封外壳内的真空。
四、严格控制负荷电流
真空断路器过载能力差。由于真空断路器触头与外壳之间的真空形成了热绝缘, 所以触头和导电杆上的热量主要沿导电杆传导走, 为使真空断路器运行温度不超过允许值, 必须严格限制它的工作电流, 使其低于额定电流。
五、严格进行交接验收
真空断路器出厂前已经经过严格的验收, 但在运往现场安装完毕后, 必须经过有关参数的测试和复核。以防止设备在运输中的变化及机构调整后出现的不配套现象, 特别是操动机构与真空断路器连接后的问题。主要复测的参数有:合闸弹跳, 开距, 压缩行程, 合、分闸速度, 合、分闸时间, 直接接触电阻, 断口绝缘水平, 传动验收试验等均应满足真空断路器的要求。
六、真空断路器的检修周期
检修周期应根据有关规定进行, 井结合运行的实际状况灵活掌握, 不能误以为真空断路器不需要检修。具体规定如下。
(1) 结合季节 (年度) 性预防性试验对真空灭弧室断口采用工频耐压方法检验真空度。
(2) 在正常操作 (合、分负荷电流) 次数达到2000次, 开断额定短路电流十次后应检查各部位的螺钉有无松动。检查方法和要求按真空断路器的维修检查要求进行, 若符合规定的技术参数, 可继续使用。
(3) 真空断路器停运、储运达20年后, 应检查其真空度, 方法按真空灭弧室内部检查方法和要求进行, 达不到要求应予以更换。
七、真空灭弧室
高压真空断路器的故障处理 篇7
高压真空断路器因其具备开断电源负荷电流、过载断路跳闸等功能, 深受农村、城镇工矿企业用户欢迎。其常见故障及处理方法如下:
(1) 断路器合闸不到位。此故障的主要原因是由于合闸能量不足造成的。处理方法为: (1) 更换弹力不足的合闸弹簧; (2) 按照机构说明书的要求调节扣接量; (3) 在各转动部分涂抹润滑油, 减少摩擦, 使之动作灵活, 消除隐患。
(2) 断路器拒分。出现此故障有电气和机械两方面的原因。处理方法为: (1) 检查分闸回路是否断线; (2) 检查分闸线圈是否完好; (3) 检查分闸线圈电阻值是否合格。
智能化真空断路器的实现 篇8
真空断路器由于具有可靠性高、体积小、重量轻、低噪声以及能在整个寿命期内做到少维护或免维护等一系列优点,而广泛应用于电力工业、工矿企业、铁道运输等各个领域的配电系统中,是电力工业发展不可或缺的主要装备之一。
真空断路器现阶段主要是作为成套开关设备的核心执行元件在使用,中压供电系统的智能化主要依靠智能化中压开关成套设备来实现,在开关成套设备上加装具有微机测量、微机保护、与监控系统主机通信等功能的多个不同功能的单个元件设备,来实现对开关设备运行状态在线监测等功能。
当前,智能化中压开关成套设备,由于采用多个单一元件设备来实现功能,单一元件设备由不同的厂家生产制造,所以,其系统的匹配往往无法达到最佳状态,产品的协调可靠性差。此外,造成了开关成套设备的体积大,生产时材料消耗量大,生产、制造、调试、运行维护、检修工作量大,技术要求高。同时,采用的电流、电压传感器仍为传统的产品,由大量的漆包线、铜材、矽钢片制成,体积大而笨重,消耗材料多,生产时对环境污染严重。另外,断路器内部参数难以取得,使得智能化中压开关成套设备,很难做到判断开关设备的剩余使用寿命和计算出维修期限。
因此,将有微机测量、微机保护、与监控系统主机通信等功能的多个不同功能的单个元件设备,结合先进的测量和传感器技术,将其整合到智能化真空断路器内部,使其具有和超过智能化中压开关成套设备功能的中压真空断路器[1],成为了发展的方向。
1 智能化高压真空断路器的关键结构和原理
智能化高压真空断路器包括三大部分:真空断路器本体、操作机构、智能控制单元(含测量传感、通信技术)。
1.1 智能化高压真空断路器的关键问题
随着高压真空断路器的广泛使用和技术创新,研发适合智能化高压真空断路器所需要的真空断路器本体、操作机构已经不是主要问题。
关键在于如何将操作机构(永磁机构[2]及新型弹簧)及创新和改进后的微机控制单元、新型电子PT、电子CT、温度、位置等元件和传感器有机的结合到一起,组成少维护或免维护、进行设备在线状态检测、具备自动保护、自动调控、运行状态监视、智能化操作、通信等功能的智能化高压真空断路器。
1.2 智能化高压真空断路器的原理
智能化高压真空断路器结构框图如图1所示,该断路器的原理是在具有新型永磁和弹簧操作机构的高压真空断路器基础上[2],设计具有微机测量、微机保护、微机自我诊断、与监控系统上位机通信等功能的多个不同功能的核心智能功能元件设备[3],结合先进的测量和传感器技术,将其整合到真空断路器内部,使其具有和超过智能化中压开关成套设备功能的中压真空断路器,来实现对电力系统的控制保护、测量以及对开关设备自身运行状态在线监测等功能。
解决了对电网三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、功率因数和电能等电力参数进行智能监测的问题;具有带时限过电流、电流速断和单相接地保护功能,并有故障录波功能,记录电网故障前后10个周期的电流波形;具有在线监测与诊断功能,能对监测到的数据进行分析和处理。此外,智能单元具有RS-485通信接口,可以与变电站综合自动化系统的监控主机连接和通信。
2 智能化高压真空断路器的实现
2.1 智能化测控装置的核心控制器件设计
智能化测控装置的核心器件是微处理机[4],它充分利用数字技术和软件,将保护、监视、控制、测量与通信集于一身,在相同的硬件环境下,可实现多种功能:
(1)基本保护功能。有方向或无方向的过流和接地故障保护;零序电压、过电压和低电压保护;断路器失灵保护;低周减载及自动重合闸等功能。
(2)控制功能。保护跳闸、合闸,远方、就地控制,以及各种信号控制和控制对象的显示等。
(3)测量电量功能。可测量相电流、相间和相对地电压、零序电压和电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数和电能等。
(4)通信功能。可实现与P C机就地通信或通过变电站通信系统与远方通信,装置一般可支持Modbus协议和标准通信规约IEC 870-5-103等,标准接口包括RS-232、RS-485,通信介质可利用双绞线、光纤等。
(5)监视功能。断路器状态监视、跳闸回路监视和本机运行自检。
智能化保护测量装置与传统的二次技术相比,其接线更加简洁、紧凑,功能更丰富,且具有更高的可靠性,操作面板上有完整的键盘、液晶显示、信号指示、菜单操作。其典型结构如图2所示。
装置通过采集电压和电流信号、断路器位置和状态信号及开关量输入信号,高速独立完成数据处理,实现保护、监视、控制、显示等功能,并且通过通信接口把这些信息进行上传。
智能化核心控制部件的抗干扰技术,由于目前微机综合保护装置在高压、超高压电力工业的广泛使用,通过硬件和软件手段,已经得到了很好解决。
2.2 各种中压传感器的设计思路
由于现代电网已经向输配电系统自动化方向发展及高压电器设备发展,传统的电磁式电压、电流互感器产品已不太适应电网发展的需要。故对电流互感器、电压互感器不仅提出了小型化、高可靠性的要求,而且还要求其具有高低压完全隔离、频带宽及无铁磁饱和等特点。新型电子式电流互感器(罗柯夫斯基电流传感器)及新型电子式电压互感器(电阻式电压分压器)是中压开关柜的最重要传感器[5,6]。
2.2.1 罗柯夫斯基电流传感器
罗柯夫斯基电流传感器与传统的电磁式互感器相比,没有铁心饱和问题,具有传输频带宽、抗干扰性能优异、尺寸小、质量轻等优点,可将一次电流换到5~10 V信号,供测量保护。
罗柯夫斯基线圈(M)是将导线均匀地绕在一个非铁磁性环形骨架上,一次母线置于线圈中央,因此绕组线圈与母线之间的电位是隔离的,如果母线电流I(t),线圈匝数N,线圈横截面积S,线圈半径r,则在线圈上产生的感生电动势为:
式中μ0=4π×10-7(H/m)为真空磁导率,所以在信号电阻R0上输出电压为:
罗柯夫斯基线圈的等效电路如图3所示。
2.2.2 电阻式电压分压器
电阻式电压分压器电路如图4所示,因为测量系统的输入阻抗一般为1 MΩ以上,所以它对电阻式电压分压器的影响极小。如果是12 k V或40.5 k V系统,则完全可以利用电阻式电压分压器将一次电压换到5~10 V,供测量保护,分压比为:
2.2.3 感应式接近传感器
断路器分、合位置的检测,如果采用传统的有触点辅助开关,则会由于污染(包括霜)现象、触头氧化现象,而经常使辅助开关触头接触不良,甚至失效。使用感应式传感器取代了传统的有触点辅助开关。感应式传感器原理图如图5所示。
2.3 断路器参数的监测方案
2.3.1 断路器合、分闸线圈电流的监测方案
经验表明,合、分闸线圈的电流可以作为诊断机械故障的信息,合、分闸线圈的电流信号可由补偿式霍尔电流传感器给出[5,6]。给出的合、分闸线圈的电流信号如图6所示,t0为分合命令到达时刻,t1为铁芯开始运行时刻,t2代表铁芯触动操作机构的负载后减速或停止运行的时刻,t3可视作开关辅助接点断开线圈电路时刻,t0-t1与控制电源及线圈电阻有关,t1-t2的变化表征电磁铁铁芯运行机构有无卡涩、脱扣及机械负载变动情况,t2-t3或t0-t3可以反映操作传动系统运动的情况。通过以上几个不同特征时间的分析即可诊断断路器部分机械故障趋势,包括拒分、拒合等故障。
2.3.2 行程、速度的监测方案
断路器触头刚分速度对灭弧性能影响很大,适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用,但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能,反而会加重操动机构的负担;同样断路器触头合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此,对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测是很重要的。为了完成正确测量,必须选取合适的位移传感器[5,6]。
1)线性梯度磁场传感器。将霍尔片固定在断路器运动部件上,在霍尔片上加一恒定的控制电流,再使装有霍尔片的运动部件在线性梯度磁场中运动,则在霍尔片上建立了电压,只要测量出霍尔片上电压,就可求得触头任一瞬时的行程,即可完成断路器触头的行程和速度测量。
真空断路器电压等级不同,其触头行程是不同的,例如,7.2~12 k V真空断路器触头行程是10 mm,40.5k V真空断路器触头行程是25 mm。可以按触头行程大小来设计产生线性梯度磁场线圈,以满足测量位移、速度的要求。
2)旋转光编码传感器。利用增量式旋转光编码传感器可以完成转动角度及方向的测量,旋转光编码传感器安装在断路器操动机构的转轴上。增量式旋转光编码一般有三个码道(A、B、Z道),A道与B道相差90。,每周的码条数可以根据测量分辨率选取,Z道每周一条,用来确定旋转次数。当轴转动时,编码器输出A道、B道两路相差90。角的正交脉冲,输入信号处理电路,从A道、B道两信号的相对位置可确定转轴的转动方向,如果A道先于B道,为正旋转,而B道先于A道,为反旋转。再通过加、减计数器对A道、B道两路信号计数,能得到转动角度大小及方向,从而可以测出断路器运动部分运动及反弹情况,可以计算出动触头行程、分合闸同期性、平均速度、超行程、刚分后或刚合前10 ms内速度等。
2.3.3 机构操动时振动信号监测方案
在断路器体内,采用频率响应为几十千赫兹的加速度传感器可以对振动信号进行采集,再经信号处理单元可以得到一系列可反映断路器振动参数的量,即可判断断路器的机械特性是否正常。
2.3.4 母线联接处异常温升的在线监测方案
母线联接处温升在线检测装置原理如图7所示,温度变换、发射装置处设有一次穿芯变压器,通过感应一次触臂的电流解决高电位处温度感应发射装置的自供电,温度传感器把信号送到红外发射器进行处理,发射红外光束,红外光接收器和温度接收处理装置于低电位处,接收处理信号,送到核心控制器进行控制,实现母线联接处异常温升的在线监测,同时也解决了绝缘问题。
3 结语
可见,高压真空断路器实现智能化的基础条件已经初步具备,只要将操作机构(永磁机构和新型弹簧)、微机控制单元、新型电子PT、电子CT、温度、真空检测、位置等元件和传感器进行创新和改进,使其有机的结合到一起,再利用现在的一些成熟经验解决抗干扰问题,提高其可靠性,智能化高压真空断路器技术将会逐步趋向成熟。
参考文献
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高压真空断路器故障分析及处理 篇9
1 ZN24-10型真空断路器的基本结构
ZN24-10型真空断路器系额定电压10KV, 三相交流50Hz的户内高压开关设备。该型断路器配用CT8型弹簧操动机构。该公司 (下同) ZN24-10型真空断路器为手车式, 采用直流220V作为操作电源。其总体结构主要由三部分组成, 即操作机构部分、灭弧室部分和连接部分。真空灭弧室安装在上出线座与下出线座之间, 六只绝缘子将上下出线座固定在机构箱上, 并把一次回路带电部分与机构箱部分分开。断路器的主回路由上出线座、灭弧室的静动触头、导电夹、软连接和下出线座构成。操动机构的合闸力通过合闸推杆、转轴、绝缘拉杆、下出线座内的拐臂传到动导电杆上, 使机构实现合闸操作。短路器的分闸则依靠分闸弹簧在合闸过程中储存的能量来完成。
2 ZN24-10型真空断路器在使用中发生的故障分析及处理对策
2.1 真空灭弧室真空度下降或泄漏, 及触头磨损过大的分析处理
真空灭弧室是真空断路器的关键部件。ZN24-10型是采用玻璃作支撑及密封, 内部有动静触头和屏蔽罩。室内真空为10-3~10-6Pa的负压, 保证其开断时的灭弧性能和绝缘水平。随着真空灭弧室使用时间的增长和开断次数的增多, 以及受外界因素的作用, 其真空度逐步下降或完全泄漏, 以及触头磨损过大, 严重影响它的开断能力和耐压水平。就其原因有以下几种:
1) 触头行程和超程变化, ZN24-10型真空灭弧室的触头行程为11±1mm左右, 超程为3±0.5mm。在维护检修中应严格控制触头的行程和超程, 按照产品安装说明书要求进行调整。在大修后一定要进行测试, 并与出厂记录进行比较, 不能误以为开距大对灭弧有利, 而随意增加真空断路器的触头行程。因为过多地增加触头行程, 会使得断路器合闸后在波纹管产生过大的应力, 引起波纹管损坏, 破坏断路器密封, 使真空度降低。在今年该公司预防性检修时就发现601开关出现此故障。2) 分、合闸速度异常, 真空断路器合闸速度过低时, 会由于预击穿时间加长, 而增大触头磨损量。又由于真空断路器机械强度不高, 耐振性差, 如果断路器合闸速度过高会造成较大的振动, 还会对波纹管产生较大冲击力, 降低波纹管寿命。通常真空断路器的合闸速度为0.6±0.2m/s, 分闸速度为1.6±0.3m/s左右。为了真空断路器有最佳分合速度, 可按照产品说明书定期进行调节。3) 触头磨损过大。真空灭弧室的触头接触面在经过多次开断电流后会逐渐磨损, 触头行程增大, 也就相当波纹管的工作行程增大, 因而波纹管的寿命会迅速下降。通常允许触头磨损最大值为3mm左右。当累计磨损值达到或超过此值, 真空灭弧室的开断性能和导电性能都会下降。为了能够准确地控制每个真空灭弧室触头的磨损值, 必须从灭弧室开始安装使用时起, 每次预防性试验或维护时都应准确地测量开距和超程并进行比较, 当触头磨损后累计减少值就是触头累计磨损值。当触头磨损使动、静触头接触不良时, 通过回路电阻的测试也可以发现问题。
以上情况都在该公司的A615、B634等开关出现过, 都经过调整或更换灭弧室而正常投入使用。当真空灭弧室检测达不到使用要求时, 应立即更换真空灭弧室。更换真空灭弧室的具体步骤如下: (1) 对将换上的真空灭弧室须经真空度检测合格。 (2) 拆下原真空灭弧室, 并换上新真空灭弧室, 安装时要垂直, 注意动导电杆和灭弧室同轴度, 操作时不应受到扭力。 (3) 安装好新真空灭弧室后, 应测量开距和超程。若不满足要求应相应调整:a调整绝缘拉杆的螺栓可调整超程;b调整动导电杆的长度可调整灭弧室开距。 (4) 采用电力开关综合测试仪测量分、合闸速度, 三相同期性, 合闸弹跳等机械特性, 若不合格应作调整。
2.2 ZN24-10型真空断路器拒合
此断路器拒合的原因较多, 分电气和机构两个方面。电气方面: (1) 合闸线圈烧坏或断线, 应及时更换; (2) 二次触点接触不良, 此种断路器二次触点的分合是由连杆带动, 经常会出现连杆松动、变形使二次触点分合异常, 应调整连动部件; (3) 小车行程限位开关不导通, 常见的原因是机构变形和触点氧化, 应调整变形部件和打磨触点;在该公司的ZN24-10型真空断路器在使用中几乎都出现过此故障, 都经过调整部件和打磨触点而消除; (4) 储能限位开关触点不导通, 由于储能限位开关断开电流较大, 经常出现触点烧坏, 对应策略最好更换开断电流较大的限位开关; (5) 二次插件松动使合闸回路接触不良, 由于该公司的ZN24-10型真空断路器二次插件设计不尽合理, 拧紧二次插件极不方便, 加之机构变形易使二次插件受到扭力, 导至二次插件接触不良, 为解决此故障, 最好对插件进行改造。如该公司A611、A612等开关都进行了改造, 改造后效果良好。机构方面: (1) CT8型机构半轴自行复位困难, 应更换复位弹簧, 并在半轴的转动部位加润滑油; (2) 合闸弹簧储能不到位, 常见的是限位开关移位和储能机构打滑, 应调整限位开关的安装位置和调整压紧弹簧, 以此来消除机构拒合的故障。
2.3 ZN24-10型真空断路器拒分
其拒分的电气原因有: (1) 分闸线圈烧坏或断线, 应更换;该公司98年A615开关因分闸线圈烧坏, 在线路受到雷击发生相间短路时拒分, 导至越级跳闸, 扩大了事故范围; (2) 二次触点接触不良, 该公司的A611、B631等所带负荷为高压同步电机的真空断路器, 由于操作非常频繁, 因此二次触点接触不良的故障经常发生, 从而使断路器拒分。解决此故障主要是通过仔细调整带动二次触点分合的拉杆行程来消除; (3) 二次插件松动和端子氧化, 使分闸回路接触不良, 对端子应用砂纸打磨并紧固, 对二次插件最好进行改造。拒分的机构原因主要是机构变形、摩擦, 使跳闸杠杆变紧造成开关拒分, 此时须检查销子是否被卡住, 调整机构到合适位置, 并注入黄油。
2.4 ZN24-10型真空断路器“五防”失效
由于此断路器具有“五防”措施, 对保证运行维修的安全起到了重要作用。但由于设计上的不足和多年的运行维修, “五防”措施中的部分功能就时常出现失效, 给运行和维修带来安全隐患。如该断路器防止带地刀合断路器的措施存在缺陷, 其地刀合上后挡住小车进入柜内的挡块与小车的配合尺寸太小, 而且地刀合上后, 地刀的指示、定位挡块大多卡涩, 不易弹出到定位孔内。消除此缺陷的方法是:增大挡块, 这样就增加了地刀与断路器小车的配合尺寸, 并对地刀的指示、定位挡块进行重新调整, 加油处理, 使地刀指示、定位挡块均能轻松顺利地弹回定位孔内。从而解决这一缺陷。运行中防止误入带电间隙的措施也经常失去作用, 这在工作中须高度重视。
真空断路器作为电力系统中的重要设备, 对其进行定期检查, 定期维护是必不可少的, 这对发现问题、消除缺陷, 保证电力系统的安全运行起到重要作用。
摘要：高压真空断路器是一种用真空作为灭弧介质和绝缘介质的断路器。由于这种断路器开断可靠性高、可频繁操作、寿命长、体积小等优点, 现广泛应用于工厂供电。但真空断路器在使用中可能出现一些不正常的状况, 严重威胁电力系统的安全运行。所以有必要对真空断路器故障进行分析和处理, 预防事故的发生。