断路器操动机构与二次回路讲义.docx

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1、模块四 高压断路器操动机构及控制回路检修【模块描述】：本模块主要对操动机构进行讲解、操作，要求学员掌握：断路器主要操动机 构型式、特点；断路器操动机构控制回路的合闸回路、分闸回路、闭锁回路、储 能回路、信号回路的原理、组成；操动机构控制回路识别，主要部件、接点的确 认，了解机构及控制回路常见故障及检查、排除。【正 文】：断路器由三部分组成：断路器本体、操动机构、电源。作为断路器主要部 件的断路器本体,它的功能是切断负载或短路电流。按其灭弧所采用的介质来分, 可分为油断路器，真空断路器和SF6断路器。通常把独立于断路器本体以外的部 分称为操动机构，一种型号的操动机构可以配用于不同型号的断路器，而

2、同一型 号的断路器也可配装不同型号的操动机构。操动机构的功能是通过电动方式或手 动方式实现断路器触头的开合及满足触头开合特性的各种要求。因此,虽然操动 机构在断路器总造价中占较低的比率，但其在断路器的开合特性起着至关重要的 位置。电源部件的功能是为断路器以电动方式开合提供足够的能源。就断路器而言，目前技术已很成熟。因此，对开关设备而言，人们关心的技 术参数，已不是它的开断容量，而更主要的是关注高可靠性和免维护设计。而对 于断路器而言，就目前的制造水平，包括我国自行设计和生产的产品，断路器的 可靠性已经达到相当高的水平，它的平均无故障时间已可达到数十年，然而在实 际运行中，开关设备的可靠性却并不

3、乐观,远远低于灭弧室已达到的可靠性水平。 统计资料表明：设备故障中有70%90%以上为操动机构的机械故障。所以对于 操动机构的选择与检修维护极为重要。根据所提供的能源形式的不同，操动机构可分为手力操动机构、电磁操动机 构、弹簧操动机构、气动操动机构、液压操动机构等。传统的断路器，其操动机构主要是电磁操动机构。对于电磁操动机构，其致 命的问题是合闸线圈消耗功率太大，要求配置价格昂贵的蓄电池组，以及电磁机 构结构笨重，动作时间较长。因此想依靠这种操动机构的改进，来提高断路器的 可靠性和免维护水平，以及实现开关设备的自动化、运动化和智能化。这种设想 是难以实现的。早先的电磁操动机构，因合闸功率大、合

4、闸速度低等逐渐被弹簧操动机构取 代。随着断路器的迅速发展，对配套使用的弹簧操动机构有了更高的要求。CT8 是我国开发研制的第一代弹簧操动机构产品，在此基础上，衍生出CTl0、CT12 等弹簧操动机构，得到了广泛的推广使用。20世纪7080年代，我国还没有 适合于断路器使用的长寿命弹簧操动机构。1992年以后发展了几种长寿命弹簧 操动机构，我国开发第二代CTl7、CT19等新一代弹簧操动机构。它们的输出特 性与断路器的反力特性有较好的匹配，输出功能满足大容量断路器的要求，机械 寿命已达到30000次。多数断路器用的操动机构（包括电磁机构和弹簧机构）是集 中布置的，即机构被设计成独立的元件，自成一

5、体，这样做便于操动机构的集中 生产，有利于保证产品质量。弹簧操动机构的基本特点是：结构简单、制造工艺 要求适中、体积小、操作噪音小、对环境无污染、耐气候条件好、免运行维护、 可靠性高；出力特性和断路器负载特性匹配较差，合理设计非常重要；对反力敏 感；输出功较小，制造大输出功弹簧机构会强化冲击和振动且成本升高很快。一 般适用于1035 kV断路器、126252 kV自能式灭弧室高压六氟化硫 断路器。 国外有用于55OkV自能式灭弧室高压六氟化硫断路器的产品。弹簧操动机构是 目前系统内应用最为广泛的操动机构。气动操动机构基本特点是：一般为气动分闸，弹簧合闸，用压缩空气作为贮 能和传动介质，介质惯性

6、小；动作快、反应灵敏、输出功大、环温对机械特性的 影响很小、结构稍复杂、制造工艺要求适中，表面处理工艺要求高；出力特性和 断路器负载特性匹配较好，对反力不敏感；操作噪音大、对气源质量要求非常高。 一般用于12655OkV压气式灭弧室高压六氟化硫断路器。液压操动机构基本特点是：用氮气或碟簧作为贮能介质、用液压油作为传动 介质，容易获得高压力；动作快、反应灵敏、输出功大、免运行维护、操作噪音 小、可靠性高；出力特性和断路器负载特性匹配较好，对反力不敏感；环温对机 械特性的影响稍大、结构复杂、制造工艺及材料的要求很高。一般用于1261100 kV压气式灭弧室高压六氟化硫断路器。弹簧操动机构、气动操动

7、机构、液压操动机构的操作功和成本的关系见图Io 在高压断路器中，弹簧操动机构广泛用于操作功较小的各种自能式和半自能式灭 弧室中，尤其是在126252 kV这个电压等级中，弹簧操动机构以其众多的优 点而成为首选机构。252 kV及以上电压等级压气式灭弧室由于操作功较大而很 少采用弹簧操动机构，主要采用气动操动机构和液压操动机构。弹簧、气动和液压操动机构合、分闸输出特性比较：图2 (a)中，实线表 示合闸动力的力和行程特性，虚线表示反力特性。分闸弹簧、运动系统的重量、 摩擦所产生的反力用abh表示，触头接触后的电动力，触头间摩擦力以及缓冲器 的反力用beef表示。在合闸终了时，若合闸力和负载力相等

8、，就有图2 (a)中 所示的3种合闸特性配合曲线。图2(b)中实线表示分闸动力的力和行程特性, 虚线表示反力特性。在刚分点若分闸力和负载力相等，就有图中所示的3种分 闸特性配合曲线。合、分闸力特性和负载特性曲线间所包围的 面积表示合、分闸过程中运动部分是加速(“ + ”)还是减速(-,)0在触头刚合（刚分）前“+”、“一”面积的代数和代表触头刚合瞬间所具有的动能。全部 面积的代数和表示了这种机构驱动对应断路器的总能量。从对断路器的基本要求 出发，面积的总和即总能量必须是正的，在刚合（刚分）点之前的面积也一定是 正的，这样才能顺利关合和分断短路电流。但正的面积不应太大，否则会产生强 烈撞击。操动

9、机构的出力特性实际上就是操动机构的输出功在各点位置上所输出 的力矩特性，操动机构和断路器的特性配合关系有包容配合和相交配合，具体采 用哪一种要根据操动机构的种类和传动原理来决定。实践表明：在一定的条件下， 包容和相交两种配合关系都能满足断路器的要求。相交配合只要相交点选择得当, 操动机构不但能很好地完成预定动作，且机构能量得到充分的发挥利用，机械效 率较高。预定动作完成后，剩余残能较小，冲击、振动减弱，可靠性提高。包 容配合对外界阻力变化敏感度较低,相交配合则较高。对图2中3种操动机构合、 分闸特性配合的比较可知，气动和液压操动机构特性配合较好，弹簧操动机构的 特性配合较差。图2 弹簧、气动、

10、液压操动机构力和行程及反力作用合、分闸特性比较对操动机构的要求：1）合闸。满足断路器合闸速度特性要求，合闸时，动触头的合闸速度和合闸时 间要符合规定值，在合闸终了时，要满足触头的超行程或接触终压力，并尽量减 小触头弹跳。在各种规定的使用条件下，均应可靠地使断路器关合线路。操动机 构在关合短路过程的最后阶段，还须能克服某些断路器触头间预击穿后产生的气 体压力及短路电流电动力等所形成的反力。2）合闸保持。断路器在合闸完毕后，操动机构应使触头可靠地保持在合闸位置。 在短路电动力、风力、震动力及某 些偶然故障（如液压机构突然失压）的情况 下，均不应引起触头分离。3）分闸。满足断路器分闸速度特性要求，在

11、分闸时，动触头的分闸速度和分闸 时间要符合规定值，分闸终了时，应满足触头开距要求，并要减小冲击振动等。 4）准确、可靠地执行操作命令。分合闸过程平稳，缓冲性能稳定，速度及其特 性满足设计的需要。在完成操作后自动切换，为下一个操作做好准备。发出相应 的信号（指示、报警、控制、连锁等）。5）储能机构的储能时间应该满足操作循环的规定。6）具有一定的自卫能力（如防跳、防慢分、非正常情况闭锁、合分时间自保护、 过载和过时保护等）和其他设备及人身安全所需的连锁装置。7）新设计的操动机构要求自身具有检测、诊断的智能化功能。操作机构自身具有检测、诊断的智能化功能设计。随着电力系统越来越高的 可靠性要求，提出了

12、监测、控制、保护等方面的智能化的要求。断路器是电力系 统中最重要的控制元件，操动机构是断路器里提供动力和控制运动的重要部件， 操动机构智能化是断路器智能化的基础，是断路器智能化不可分割的重要部分。 一般来说，操动机构智能化功能主要表现为:智能控制单元不断从电力系统中采 集某些特定信息，据此来判别断路器（包括机构）当前的工作状态，同时处于 操作的准备状态。当变电站的主控室因系统故障由继电保护装置发出分闸信号 或正常操作向断路器发出操作命令后，控制单元根据一定的算法求得与断路器工 作状态对应的操动机构预定的最佳状态，并驱动执行机构操动机构调整至该状态, 从而实现最优操作。显然，智能控制单元是断路器

13、智能操作实现的核心部件。智能控制单元:智能控制单元以微处理机为核心部件，综合应用传感技术、 光电转换技术、数字控制技术、微电子技术和信息技术等多种现代技术，以完 成断路器的智能操作，实现断路器的智能化。智能控制单元的基本功能：1）自动识别操动机构的工作状态。操动机构的工作状态的准确识别是实现智能 操作的前提。其任务主要有环境温度、储能状态和位置状态等。2）自动调整参量的操动机构。这是控制单元的核心功能。因此控制单元必须在 识别断路器工作状态的基础上确定与之相对应的操动机构的调整量。3）记录并显示断路器的工作状态。由于断路器在大多数运行时间内是不动作的， 在此期间，本单元的任务是对断路器的工作状

14、态不断地进行监测，同时它还记录 断路器每次开断情况，包括开断电流的大小、开断类型及是否发生拒分或拒合等 信息。4）具有与远端主机进行通信的功能。控制单元可根据主机的要求将断路器的开 断记录及其他数据经信息传输接口上网传送至上位机，并通过上位机经信息传输 网络将操作命令及保护参数、保护及重合闸方式等配置要求传送过来。断路器机械故障的监测与诊断：根据多年的大量统计资料表明，事故的70%80%发生在高压断路器的操动 机构和控制回路。断路器的操动机构部分比较复杂，且长期不动作，监测技术较 为困难，常需要采用多种技术综合判断，主要有以下几项：1）合分线圈电流波形监测，非正常报警；线圈电流波形中包含着许多

15、操作系统 的信息，如线圈是否接通，铁心是否卡涩，脱扣是否有障碍等。2）合分线圈回路断路监测，断路报警。3）监测行程，过限报警、过冲。4）监测合分速度，过限报警；速度、弹跳、撞击等，这些信息也可从振动波形 中有所反映。5）机械振动，非正常报警，关键部分的机械振动信号。高压断路器合分动作的 机械振动波形十分复杂，通常包含多个子波，看起来杂乱无章的波形实际上是多 个子波的混叠，每个子波代表一个振动事件。分析振动波形，把各子波分离出来, 可以得到事件的个数及各事件发生的时间和事件的强度，可以获取断路器操作过 程机械部分的多个信息。通过操作振动波形的变化（与正常机构和开关操作震动 波相比），判断开关机械

16、传动系统的故障或潜在故障,对波形分析的方法很多，如 小波分析、形状比较、统计过程处理等。测量所用的加速度传感器应据所监测的 目标（电磁振动、部件振动、操作振动等等）的不同而合理选择。振动传感器的 安装位置也应精心布置。6）弹簧机构弹簧压缩状态和弹簧刚度的变化，传动机构和锁扣部分的工作状态, 以及电动机工作时间。7）控制回路通断状态监测。这对因辅助开关不到位或接触不良造成的拒分、拒 合故障有很好的监视作用。8）操作机构储能完成状况。判断上述所监测信号是否正常的一个基本出发点就 是将其与正常状态下的情况作比较。正常状态是在某一范围内，只有通过具体条 件由试验和统计处理确定。通常是将一次操作的几个波在时域、频域、幅度上 作横向比较，与前几次的操作作纵向比较以得出诊断结论。监测诊断系统的总体框图：一个智能化的断路器设备或断路器设备的智能监测与诊断系统，其总体方框 图见图3。由于对异常程度及故障部位的诊断难度较