断路器操动机构与二次回路讲义.docx

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，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、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