LW9-55型FS6断路器.doc

内容提要：LW9-55型铁道电气化用六氟化硫断路器是两相组装在一个框架上、配用CT15型弹簧操动机构，可以就地手控及远距离两相联动操作。 本产品为瓷瓶式单柱单断口结构。 断路器由灭弧单元、框架、机构箱及支架组成。 灭弧单元的灭弧室采用变开距、单压式双向吹弧原理。关键词：SF6、操动机构、灭弧、绝缘、接线原理一、前言高压断路器是电力系统中重要的电气设备之一，它使用数量多、范围广，应用在电力系统的各种电压等级中。高压断路器在电能生产、传输、分配过程中的主要作用是：在正常情况下，控制各种电气设备和电力线路的断开及投入；在电力系统发生故障时，与继电保护及自动控制装置相配合，快速切断故障电流，缩小事故范围，以保证电力系统的正常运行。因此，它是否具有优良的性能，直接影响到电力系统的稳定和安全运行，在经济效益和社会效益方面具有非常重要的意义。高压断路器的发展始终与电力系统电压等级的提高密切相关。当交流330kV及以上电压等级的电力系统在20世纪50年代开始发展的时候，1952年，瑞士率先投入运行了世界上第一条400kV电压等级的交流电力线路，使电力系统的最高电压等级突破了300kV的水平，向更高电压等级发展。以后欧、美、前苏联等相继建造了330、400、500、750kV等各种电压等级的交流超高压和特高压电力系统。随着电力系统向大容量、高电压的不断发展，相应地高压断路器的种类也日益增多。高压断路器主要可分为压缩空气断路器、油断路器、真空断路器、SF6断路器及SF6混合气体断路器等类型。据有关资料介绍，现在国外主要的电力设备生产厂商已将245kV及以上高电压和超高电压电气产品全部转向了生产SF6气体绝缘电气设备或装置方面。二、SF6气体的基本特性1理化特性（1）物理特性 SF6气体是目前高压电器使用的最优良的灭弧和绝缘介质。它无色、无味、无毒、不可燃，一般条件下（大气压下、20）密度是空气的5.1倍。在常压下，液化温度为-63.8；而在常温下，其液化压力为1.52MPa。SF6的物理参数见（附表1）。（2）化学特性 SF6气体是在常温下极为稳定的惰性气体，其稳定性超过氮气。它不溶于水和变压器油，也不同氧气、氢气和其他许多物质发生作用。其热稳定性很高，在150200以上才开始分解。SF6断路器开断电路时，在电弧的高温作用下，SF6气体与触头材料（W，Cu）会产生化学反应，主要为： 4SF6+W+Cu4SF4+WF6+CuF2此外，SF6气体还可能与石墨（C）、绝缘材料（CxHy）和聚四氟乙烯（CF2）发生化学反应（见下图）2绝缘特性在均匀电场下SF6气体具有优良的绝缘性能。相同压力下，其绝缘强度为空气的23倍，在三个大气压力下，它的绝缘强度与变压器油相当。由于它是负电性气体，它本身和它分解出的氟原子在高温下对电子有很大的亲和力，能吸附电子形成负离子。这些离子直径越为10-8cm，故在电场作用下的迁移率仅为电子的千分之一，而空间中的自由电子大量减少则抑制了空间电离过程的发展，不易形成击穿，使绝缘强度大为提高。然而，应当注意到，在不均匀电场中SF6气体的绝缘强度将明显降低。3灭弧特性SF6气体具有很强的灭弧能力，在自由开断情况下，其灭弧能力约比空气大100倍。若采用不很高的压力和不太大的吹弧速度，就能在高电压下开断甚大的电流。SF6中的电弧燃烧与熄灭和空气、油中电弧相比有以下几个特点：（1） 输入弧隙的能量小SF6电弧弧柱温度达10000K左右，SF6在这种温度下早已全部电离分解成原子、电子及离子，形成一束导电率极高的高温等离子流，使弧柱电阻很小，因此SF6电弧压降比空气、油中电弧要低，电网输入能量小，电弧容易熄灭；（2） 焓流迁移能力大所谓焓流迁移能力大就是弧柱四周SF6气体带走能量的能力强，因此弧隙温度下降快、带电离子清除快、弧隙介质绝缘恢复快，电弧就容易熄灭；（3） SF6电弧直径细SF6电弧弧柱部分的温度很高，弧柱外围沿径向的温度梯度很大，弧柱温度因此迅速地沿径向散失，使靠近弧柱心轴很近的区域温度相当低。所以，SF6电弧直径很细；（4） 零后弧隙介质绝缘恢复快电流过零后，弧隙残余自由电子大大减少，SF6优良的负电性使残余自由电子迅速被吸附形成SF6离子，它的导电性能迟缓，使弧隙电导迅速下降。三、SF6断路器的发展和优点1SF6断路器的发展根据SF6断路器灭弧室结构的变化，SF6断路器的发展过程可划分为以下三个阶段：（1） 第一代SF6断路器第一代SF6断路器是指早期的SF6断路器，它是沿用压缩空气断路器的原理，配置压缩机将SF6气体压缩到高压罐(1.2-1.5MPa)内。当触头开断时打开主气阀，高压力的SF6气体通过主气阀，在灭弧室喷口中形成高速气流经过弧隙喷向低压区(0.2-0.3Mpa)，使电流过零时熄灭。因为灭弧室结构有两种气体压力，所以称它为双压式灭弧室。这种SF6断路器需要压气泵和加压装置，结构复杂，环境适应能力差，已经被淘汰。（2） 第二代SF6断路器随着各国对SF6断路器的不断研制和开发，设计出了单压式(又称压气式)灭弧室，产生了单压式SF6断路器。它与第一代SF6断路器相比，具有结构简单、灭弧性能好、生产成本低的特点。这种SF6断路器只充入较低压力的SF6气体(一般为0.5-0.7MPa，20)分闸时靠动触头带动压气缸，产生瞬时压缩气体吹弧。但是，依靠机械运动产生灭弧高气压，所需操动机构操动功率大，机械寿命短，开断小电感电流和小电容电流时易产生截流过电压。一般配用较大输出功率的液压操动机构或压缩空气操动机构，固有分闸时间比较长。 （3） 第三代SF6断路器 第三代SF6断路器是指具有“自能”灭弧功能的SF6断路器。它具有开断能力强，操动机构操动功率小的优点，有利于新型操动机构的小型化，应用前景广阔。这种SF6断路器在开断短路电流时，依靠短路电流电弧自身的能量加热SF6气体，产生灭弧所需要的高气压；在开断小电感电流和小电容电流时，电弧自身的能量不足于加热SF6气体，产生灭弧所需要的高气压，这时依靠机械辅助压气建立气压，不易产生截流过电压。所需操动机构操动功率小，可配用弹簧操动机构等，操作可靠，机械寿命长，固有分闸时间短，可以制造成断口少、单断口电压等级很高的SF6断路器。2SF6断路器的优点（1） SF6断路器适用低气压的低流速，可使断路器开断时电流截断趋势减至最小，并能确保电弧不重燃；（2） 由于SF6断路器不象空气断路器那样排气到大气中，所以在采用低流速SF6断路器中，气体的闭路循环使操作不产生噪音；（3） SF6断路器的气体闭路系统能保持装置内部干燥，所以不存在潮气影响的问题；（4） SF6气体良好的灭弧特性使得燃弧时间很短，所以触头的腐蚀较小，触头可以在较高的温度下运行而不损坏；（5） 燃弧以后，装置内部没有碳的沉淀物，所以可消除电碳痕，不发生绝缘击穿；（6） SF6气体具有优良的绝缘性能，故可以大大减小装置的电气绝缘距离；（7）SF6断路器的性能不受大气条件的影响。四、LW9-55型SF6断路器的结构1. 单压式灭弧室及灭弧原理单压式SF6断路器采用单压力系统，取代了传统的闭路气体灭弧双压力系统。除了设计简单以外，由于能节省双压力系统种40%的部件，所以单压力系统时经济的。它不再需要双压力系统用的气体压液机，从而可缩短安装时间和减少维护工作量。单压式SF6断路器灭弧技术的原理（图1-1）：（1） a图为断路器在合闸位置，电流流过指形静触头 A 、可动压气室 C 导管 D 、静触头 B 和静触头支持物 H ，触指 A 和支持物 H 连接到同一级的两端。（2） 在d图中，当可动压气室 C 移动离开触指 A 时，电流流过燃弧杆 F ，燃弧触指 E 、导管 D 、静触头 B 和静触头支持物 H 。同时，压气室 C 与静触头支持物 H 之间相对运动，静触头支持物的作用相当于一个活塞，在燃弧杆 F 阻塞喷嘴 G 的出口时，逐步压缩气室内部的气体。（3） 在c图中，当燃弧触指 E 离开燃弧杆 F 时，在他们之间便产生电弧。但是，当燃弧杆 F 不再阻塞喷嘴 G 的出口时，压气室内的压缩气体便吹向电弧，从而使电弧熄灭。（4） d图中动静触头已经完全分离，完成线路的开断。2. CT15型弹簧操作机构断路器亮相在一个框架上，每相一柱单断口，CT15型弹簧操作机构，两相灭弧室的所有可动部件都机械的联接到弹簧操作机构上。分闸操作由分闸弹簧完成。合闸操作则由电动机通过建立连杆储能定额合闸弹簧来完成。（1） 弹簧机构分闸操作弹簧机构分闸操作如图1-1所示，弹簧机构分闸时分闸弹簧2与合闸弹簧5均已储能。拐臂14和18受分闸弹簧2的逆时针方向的力矩，此力矩被分闸保持掣子13和分闸掣子12阻挡。操作步骤如下：a) 分闸电磁铁10的线圈接受分闸信号后带电，其动铁芯11动作，推动分闸掣子12；b) 分闸掣子12向顺时针方向旋转，释放分闸掣子13；c) 分闸保持掣子13亦向顺时针方向旋转兵释放A销；d) 拐臂14和18受分闸弹簧2的推力向逆时针方向旋转；e) 拐臂18通过与其联接的水平拉杆与垂直拉杆18使动静触头快速分离，断路器分闸。（2） 弹簧机构合闸操作弹簧机构合闸操作如图1-2所示，弹簧机构合闸时合闸弹簧5已储能，棘轮轴4承受联接在棘轮3上的合闸弹簧5逆时针方向的力矩被合闸保持掣子6和合闸掣子7所阻挡。操作步骤如下：a ) 合闸电磁铁8的线圈接受合闸信号后带电，掣子9运动，推动合闸保护掣子7；b) 合闸掣子7向逆时针方向旋转，释放合闸保护掣子9；c) 合闸保持掣子6逆时针旋转释放B销，凸轮1推动拐臂14顺时针方向旋转，并压缩分闸弹簧2；d) 与大拐臂18相连接的水平拉杆和垂直拉杆18使动静触头快速合闸；e) 合闸操作完成后，A销再次被分闸掣子13阻挡。（3） 弹簧机构的合闸弹簧储能机构合闸操作完成后，合闸弹簧5处于释放状态，棘爪轴17通过齿轮与电机相联。合闸弹簧储能动作如下：a) 电动机启动使棘爪轴17旋转；b) 偏心的棘爪轴17上的两个棘爪16，在棘爪轴的转动中与棘轮3上的齿交替进出进行啮合，使棘轮转动；棘轮3在逆时针方向转动，通过拉杆使合闸弹簧5储能；c) 通过死点位置后，棘轮轴4由合闸弹簧5给以逆时针方向的转动力矩。此力矩通过B销被合闸保持掣子6阻挡。弹簧机构完成合闸弹簧储能。（4） 防跳跃装置如果断路器在合闸操作完成后立即分闸。而此时合闸命令又未撤消，合闸弹簧未储能之前断路器不会再次合闸。采取机械和电气防跳跃措施后即使季候处于合闸位置，合闸弹簧也已完成储能，断路器永不能再次合闸。3. 单压式SF6断路器的主要优点（1） 在吹灭电弧过程中能控制气吹。在触头分开期间发生的气体压缩过程的开始阶段，喷嘴空间内气体只有相当低的压力，所以开断负荷电流或一般只有几安的变压器空载电流引起的电弧渐渐被吹灭。这就防止了电流的截断和相继产生的过电压。（2） 在开断严重的短路电流时，等离子气流的压力局部阻塞喷嘴断面，并减少喷嘴流出的气体。在这一情况下，在电流峰值期间建立的喷嘴气压比开断小电流时的气压大。在短路电流过零时，喷嘴内等离子气流的压力下降，喷嘴就流过大量的灭弧介质。总之，这种断路器具有一种随开断电流大小而自动调节灭弧强度的能力。4. 单压式SF6断路器开断能力方面的主要问题（1） 在触头分开到最终电弧开断的周期内，从热和介质两方面有效地耗散电弧能量；（2） 实现电流过零时成功开断地各种条件，也即绝缘强度地恢复速率大于恢复电压的上升速率；（3） 介质强度足以耐受电流开断后即刻出现的振荡电压峰值或恢复电压峰值。五、LW9-55型SF6断路器的接线原理断路器的电气控制系统见图1-3所示。1 控制回路的运行额定直流电压为220V。如就地进行操作旋转43LR换向开关旋钮，使L1、L3闭合，L2、L4断开，合闸弹簧储能后可进行就地分、合闸操作；若在控制室进行操作时应旋转43LR换向开关旋钮，使L1、L3断开，L2、L4闭合，即可由控制室进行分、合闸操作。合闸 合闸时使用合闸开关11-52C，电流通过合闸线圈52C，同时52A辅助开随即关闭合。当灭弧室内压力正常时，63GLK常闭闭合形成回路，使弹簧操作机构进行合闸动作；当灭弧室内气压异常时，SF6低气压报警，63GLK线圈得电，63GLK常闭打开，因无法形成回路弹簧操作机构不动作。同时，延时闭合线圈38T得电，在达到弹簧操作机构合闸动作完成的规定时间时，38T常开闭合，线圈49MX得电，49MX常开闭合并形成自锁，49MX常闭断开，52C线圈和48T线圈失电，弹簧操作机构停止动作，合闸动作完成。电阻R1、R2是为了防跳装置而设置的。因为断路器装有机械防跳跃装置。断路器合闸操作完成后。此时如果合闸信号继续保持，但是合闸线圈53C是和R1、R2串联的，控制电压大部分加在电阻R1、R2上，而加在合闸线圈52C上的控制电压远远小于它的最小工作电压，合闸线圈流过的只是一个维持它继续保磁的电流以使推杆继续保持在倾斜状态，以达到机械防跳跃的目的。52Y防跳继电器，是为电气防跳跃而设置的，它也可以保证合闸线圈不致因为长时间通电而烧毁。其常闭触点52Y在合闸命令发布后0.2-0.3秒动作，将合闸回路切除。遥想再次进行合闸，只有将合闸命令撤消，重新结合合闸命令才有可能进行。分闸 分闸时使用分闸开关11-52T，分闸线圈52T得电，弹簧操作机构进行分闸动作，断路器断开。2 对断路器控制回路的基本要求（1） 操作机构的合闸线圈与分闸线圈都是按短时通过电流设计的。因此在完成断路器合闸或分闸操作后应能立即自动断开，以免烧坏线圈。（2） 断路器不仅能利用控制开关进行手动合闸与分闸，而且应能由继电保护合自动装置实现自动合闸与分闸。（3） 应有表示断路器处于“合闸”或“分闸”状态的位置信号，并且由继电保护合自动装置自动合、分闸后的位置信号与手动操作后的合、分闸位置信号应有所区别。（4） 当断路器的操作机构不带防止断路器“跳跃”的机械连锁机构或机械“防跳”不可靠时，必须装设电气“防跳”装置。（5） 控制回路应有熔断器保护，并应有监视电源及控制回路是否完好的措施。六、结束语 从发展的观点，从第一代的SF6到现在的第三代SF6断路器，高压电器为了满足现代电力需求而发展。随着新技术、新材料、新工艺、新设备的不断研制和开发，技术含量更高、性能更加优良的SF6断路器将不断生产出来，投入到电力系统各电压等级中去，将为我国电力科技水平和装备水平的提高、供电质量和供电能力的提高、电力事业的快速发展发挥重要的作用。七、附表附表1 SF6气体物理特性参数名 称参 数相对分子质量146临界温度/45.6临界压力/MPa3.77熔点/-50.8沸点/-63.8相对介电常数（气态20，0.1MPa）1.0021气体常数/（Jkg-1K-1）56.2密度（气态，20；0.1MPa ；kg/m3）6.07密度（液态，0；1.27MPa ；kg/m31560热导率/（Wm-1K-1）0.0155定压比热容（气态20；Jkg-1K-1）594绝热系数（20）/K1.08附表2 断路器电器控制系统元件表序号符号名称型式技术特性数量备注18M电机控制自动开关NDM1-B10/2P+OF1带报警触点28D就地直流电源自动开关NDM1-B10/2P+OF1带报警触点343LR就地远方操作开关ZB2-BD2C+ZB2-BZ105C+2XZB1-BE101C+2XZB2-BE102C1452a,52b辅助开关辅助开关F0-182F0-18211548T电机时间继电器LA2-D22(0.1-30SEC,SETING 30SEC)1649M电机热继电器LR1-D09308(SETING3.3A)1LR-D09312(ETING6.4A)用于控制电压749MX辅助继电器JZC3-22