550kV SF6断路器的可靠性研究及实践

引言

  1998年11月，平高自主研制的LW10—550/Y3150—50型两断口SF6断路器，通过公司样机鉴定，并于2001年11月通过两部鉴定。该产品是当时我国500kV输变电工程建设急需的国产化开关设备，被列为国家重大技术装备研制项目——三峡水利枢纽工程输变电成套设备研制项目。2003年6月，经过增容设计和样机试验，LWl0  550/Y4000—63型SF6断路器，通过公司样机鉴定，产品达到额定电流4000A、额定短路开断电流63kA的国际先进水平。2002年，LW10—550/Y3150—50型断路器在湖北双河500kV变电站挂网试运行，2004年，LW10—550/Y4000—63型断路器3台在武汉凤凰山500kv变电站投入使用。在该型断路器投入运行后，先后出现断路器合分时问短(小于40ms)、合闸电阻动作不稳定、液压机构渗漏而频繁打压等问题，给开关设备的可靠运行造成危害。几年来，通过对该型断路器灭弧性能、合f嘲电阻稳定性、合一分时间、液压机构可靠性的研究和试验，提高了该型断路器的技术性能和可靠性。自2006年国家电网公司实行集中采购招标以来，已有47台LW10—550型断路器中标，在与国外技术的合资产品竞争中获得了初步的市场份额。断路器的可靠性是对产品没计、制造、管理的综合性要求，对丁二550kV瓷柱式断路器，其灭弧室的动作和开断性能、合闸电阻的动作可靠性、操动机构可靠性是影响断路器可靠性的主要因素。

一、550kV断路器灭弧室的研发及改进

　　额定短路开断电流是断路器最主要的技术参数，保证和提高断路器灭弧室的开断性能应足断路器可靠性研究首要环节。

　　1．LW10B—550/Y3150—50型瓷柱式SF6断路器为单柱两断口结构，灭弧室设计采用压气式灭弧原理，SF6气体压力O.6MPa。灭弧室设计要点：采用长2300mm、内腔容积0.225m3瓷套作为灭弧室的外绝缘壳体；压气式结构灭弧室；动触头分闸速度8.5m/s、合闸速度4m/s。型式试验验证，断路器通过额定短路电流50kA的各项开合试验，电寿命达到连续开断额定短路电流26次。

　　2.为使LWl0B—550型断路器达到额定电流—4000A、额定短路开断电流63kA，对原灭弧室进行增容设计，设计要点：增加2300瓷套内腔容积；灭弧喷口结构略作改进；提高分合闸速度(因此配用ABB—HMB—8型弹簧液压机构)。LW10B—550/Y4000—63型断路器在意大利CESI试验站通过额定短路开断电流63kA的各项开合试验，电寿命达到连续开断额定短路电流20次。

　　3.为使断路器能在我国东北寒冷地区使用，研究O.4MPa下开断50kA的灭弧室，灭弧室设计要点：原灭弧摩结构基本不变，增加复合压气。LW10B—252H/Y4000—50已通过0.4MPa开断50kA的各项型式试验，现正进行LW10B—550H/Y4000—50(O.4MPa)断路器的研究试验。

二、断路器合一分时间的研究

　　断路器的合一分时间是表征断路器重合闸操作性能的一项重要技术参数。2004年4月，国家电网公司生产运营部在湖北武汉召开了高压断路器合一分时间与保护整定时问配合问题技术研讨会，断路器的合一分时间问题引起了电力电网部门和高压断路器制造厂家的重视。这次会议的会议纪要指出：“根据华北、华中电网公司及湖北超高压输变电局等单位关于高压断路器合一分时间与继电保护动作时间配合问题的调查报告，发现目前电网中运行的高压断路器合一分时间普遍小于产品技术条件规定值和型式试验中额定短路开断电流试验值，而在这种情况下高压断路器是否具有额定短路开断能力未经型式试验验证”。会议要求：“对于不满足要求的高压断路器，应联系制造厂按产品实际的合一分时间重新进行型式试验来验证其是否具有额定短路开断能力；或对高压断路器的分闸回路和操动机构进行改进，采取可靠措施，保证高压断路器实际合一分时间能够满足额定短路开断能力的要求”。

　　  我厂LW10B—550/Y4000—63型断路器在武汉凤凰山500kV变电站投入运行时，发现断路器的合分时间只有30ms，不符合断路器技术条件60ms的

要求。当时，经过更换调整辅助开关的切换时间，将合一分时间控制在40ms，断路器投入运行。之后我们进行了如下工作：

　　1．在西所试验站进行合一分时问40ms的短路电流50kA开断试验，冈当时用户要求开断短路电流达到50kA，通过。

　　2．因国家电网公司要求252kV及以上断路器的合一分时间为50～60ms(保证断路器在重合闸操作中触头合闸到位和灭弧室幽气压力的建立)，而断路器的(固有)分闸时问只有20ms，必须考虑用辅助开关调整合一分闸操作的切换时间才能达到合一分时间50ms的要求。没计要点：在液压机构加装信号缸，调节信号缸的液体流量，以调整辅助开关的动作时间，通过此项改进，断路器的合一分时问在40～60ms之间可以根据用户的要求调整。

三、合闸电阻动作的可靠性研究

　　为限制断路器合闸操作的过电压，500kV及以上电力系统长线路要求断路器带并联电阻即合闸电阻。对合闸电阻动作的要求是：合闸操作时，电阻提前主断口8～11ms接人；分闸时，电阻提前主断口≮5ms断开。如果合闸电阻动作失误、失灵使电阻断口击穿、长时间通电将导致断路器灭弧单元爆炸等严重事故。当前，550kV断路器带合闸电阻的有两种结构方式，(1)是电阻接人后25～50ms脱开，分闸时不动作，重合闸操作按上述时问要求。(2)是电阻接人后不脱开，与主断口并联保持通电状态，分闸时提前≮5ms断开，重合闸操作时接入与断开时间与(1)式相同。LW10B—550型断路器采用的是(1)合闸电阻形式，其合闸电阻动作的可靠性对断路器的安全可靠运行至关重要。根据对运行的550kV断路器合闸电阻发牛故障的分析，认为以下情况可能造成电阻动作不可靠。

　　1．断路器五联箱内与合闸电阻动触杆连接的扇形板拐臂(同时与传递分合闸运动的拉杆相连)加工误差，致断路器分合闸及重合闸操作时电阻接入或提前断开时间不符合技术条件要求，造成故障隐患。

　　2．由于装入合闸电阻的瓷套较长(2300mm)，合闸电阻分两段分别装在瓷套的两端，中问是电阻断口，靠静侧端的电阻部分较艮，靠端部的绝缘支座支撑，属“悬臂”状态，装配电阻时用“定心撑”顶住电阻的四周，电阻为水平状态与灭弧断广并联，如果定心撑松动，电阻断口侧会下沉，合闸时动触杆打偏，易于造成电阻动触杆弯曲，动触杆返回不到位，造成电阻合不上，导致断口击穿而发生事故。

　　3.安装调试时，频繁操作且间隔时间太短，电阻动触杆因运动产生的震动尚未完全消除，导致下一次操作时动触杆打偏，动触杆返回不到位，造成电阻合不上而导致事故发生。

　　经上述原因分析后，在控制“扇形板拐臂”加工精度，严格控制连板的加工精度。增加定心撑绝缘支撑点的数量，增加30％，并调整装配电阻时定心撑固定电阻的胶装工艺，避免静侧电阻定心撑松动的可能。对电阻动测悬臂结构进行改进，提高刚性，改变结构整体的自振频率。改进后，对新装配的断路器进行10000次机械寿命试验，合闸电阻动作正常。

　　同时，对第(2)种合闸电阻形式进行了设计和试制，这种电阳形式的断口为对接式，试验证明电阻的接人和断开动作正常，但由于电阻断u的氏臂型结构，造成合闸时撞击力太大，触头接触部位损伤。考虑原电阻形式已做到10000次操作无故障，在敞开式产品上放弃了第(2)种电阻形式的方案，但在550kV罐式断路器上成功地应用，并完成机械寿命5000此的考核。

四、操动机构的可靠性研究及设计改进

　　断路器在正常运行中，其可靠性主要取决于其机械的可靠性，操动机构的可靠性尤为重要。常见的机构故障主要有：拒分拒合、电气元件损坏、渗漏油等。
通过对操动机构可靠性的研究，对配用550kV断路器液压操动机构设计选型、加工制造有了很大的改进。

　　1.LW0B—550/Y3150—50型配用的是自主研制的B型集成式液压机构，该机构的设计理念是将控制阀系统装在油箱内，避免了原分散式阀系统加管路型液压机构易渗漏问题，但由于加工精度或装配不精细内漏时有发生，造成机构频繁打压；有时外漏也有发生，严重时造成液压系统失压闭锁，机构不能正常操作。

　　2.LW10B—550/Y4000—63型配用了．ABB的HMB—8型弹簧储能液压机构，该机构功率大、分合闸时间短、制造精细，满足r断路器技术性能的要求。但该型机构的特点足油箱小，压力高(达53MPa)，在如此的高压下，阀系统、油缸内动密封微小渗漏不可避免，加之，为防止长期不动作而运动卡滞，每24小时打压允许
20次。该型机构在我国运行中，有频繁打压现象发生，特别在寒冷地区或冬季寒冷时间发生较多。

　　3.自主研制新型集成式液压机构。经分析检测，原机构多为阀系统制造精度不够、油泵电机组技术落后、液压系统有杂质、密封结构不可靠等问题造成渗漏。为此研制了新的集成式液压机构，该机构的阀系统采用瑞士贝林格型组件，按机构的技术参数

定制；配有自制的油泵电机组件、氮气储压器系统和动力缸，并集成在阀体上，无管路连接；改进了接口处的密封结构形式；选用了可靠性较高的低压电器元件等。该型机构先在配用LW10B—252H／Y4000—50型断路器试制中进行了试验，不仅技术性能达到要求，而且达到了基本不渗漏。以后，该型机构配用在LW10B—550/Y4000—63型断路器，通过了63kA的开断验证试验，也通过了10000次机械寿命试验，基本解决了机构的可靠性问题。

结语

　　在550kv断路器的研制、生产和运行中，根据发现或发生的问题，对影响产品可靠性的因素进行了分析，认为灭弧室开断性能、合闸电阻动作可靠性、操动机构的机械可靠性是影响断路器可靠运行的主要因素。在新产品研发设计和产品的持续改进中，对上述问题逐一进行研究和试验验证，实施了解决可靠性问题的可行性方案，使最新研制出的LW10B—550/Y4000—63型(配CYT型液压机构)断路器的可靠性有了很大的改善和提高。近期为电力系统提供的550kV瓷柱式SF6断路器在运行中表现良好，新接订单合同数量有所增加。