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关于SF6高压断路器开断短路电流的分析
2018-07-20
SF6高压断路器在配电网中有着不容忽视的作用，随着电力走向市场，对供电可靠性的要求越来越高，电气设备的状态检修正逐步开展，对SF6高压断路器而言，许多厂家对密封、机构传动等在机械寿命内都可以做到免维护，确定高压断路器停电检修或更换主要根据其开断短路电流的次数。因此，在高压断路器设备的招标中，断路器开断额定短路电流的次数已成为一个重要指标。
一、SF6断路器主要灭弧形式
1、变开距灭弧结构的特点
近年来大量进口和合资厂的断路器引进电力系统，主要有SIEMENS、ABB、ALSTOM、AEG等公司的产品。这类断路器都采用SF6作为绝缘介质，绝大多数生产厂生产的110 kV及以上的断路器灭弧室结构采用的都是变开距灭弧结构。其灭弧原理不外乎自能式、压气式、自能压气式三种形式。压气式建压快，触头不易磨损，在开断小电流时容易发生截流；自能式建压慢，对电弧触头易烧损，开断小电流时可靠性不高；自能压气式将两种方式结合起来，开断大电流用自能原理，开断小电流用吹气原理。另外国内的一些断路器生产厂也引进国外技术开发了部分产品，如西安高压开关厂的LW14（15）、平顶山高压开关厂的LW6等型号断路器。
2、定开距灭弧结构的特点
IEMENS公司生产的220 kV及以上断路器的灭弧室结构采用的是定开距压气式双向内喷射灭弧原理。两个配置有耐弧的石墨触头的静触头固定不动，由连杆带动引弧部位镶有引弧石墨园环的桥式动触头运动，实现断路器的分合闸。定开距灭弧室的石墨喷嘴是其主要特点，加工精确，电场均匀，耐弧性能极好，从而延长了电寿命。目前SIEMENS也已开始生产220 kV变开距灭弧原理的断路器。
二、短路开断试验
断路器的短路开断试验必须要有大容量的电源，即在短时间内能提供相当于电力系统短路时那样大的容量。当断路器的额定参数提高后，由于受试验水平和条件的限制，即使选择合成试验的方法（试验时用两个电源，一个供给电流，另一个供给电压）也难以满足试验要求，必须选择合理有效的试验方法。
目前国内断路器的开断试验由整体试验、单相试验和单元试验三种方式。整体试验是在组装完整的三相断路器上按照断路器规定的额定电压和额定短路开断电流进行三相试验。这种试验最接近于实际开断情况，考核产品的性能最真实。但要求的试验容量和断路器的额定短路开断容量相等，试验投资相当大，对于大容量断路器几乎不可能。一般整体实验仅限于35 kV及以下，额定开断电流31．5kA及以下的断路器。
对于110 kV及以上的断路器都采用单相试验的方法，若断路器的额定电压为U，额定短路开断电流为Is，整体试验要求的容量为P=√3UIs，单相试验时考虑首开相系数1．3，因而试验设备的容量P1=1.3UP IS=1.3U/√3×IS=0.43P。因此各相分装的三相断路器绝大部分用单相试验来考核断路器的开断能力。过去大量使用的SW6、SW2等型号断路器的额定短路开断都能考核到每一相。如西高厂的SW6说明书中明确不经任何检修，SW6能连续13次开断额定短路电流，我们的理解就是每一相都能开断13次额定短路电流。
三、SF6断路器的短路开断次数分析
1、变开距灭弧结构断路器的短路开断次数
断路器开断短路电流次数是决定断路器是否进行检修的主要依据，一般在SF6断路器的标书中要求短路开断次数＞20次以保证一定的免维护使用期。这里存在一个问题，几乎所有的生产厂在投标文件中都承诺短路开断次数＞20次，但查阅它们的短路开断次数与开断电流的关系曲线，除了SIEMENS采用定开距结构的断路器外，均达不到20次的要求。
如SIEMENS的110 kV 3AP1FG型，额定短路开断电流为40 kV，曲线反映满容量开断次数为17次；AEG公司110 kVS1－123 F1／3131型，额定短路开断电流为31．5 kV，曲线反映满容量开断次数为15次；ALSTOM的220 kV的FXT14F型，额定短路开断电流为40 kV，曲线反映满容量开断次数为10次；SIEMENS的220 kV的3AP1－FI型，额定短路开断电流为50 kV，曲线反映满容量开断次数仅为6次。国内厂家一般不提供曲线，如西高厂在LW15型断路器说明书中间接提到推荐的主触头检修周期为额定短路电流开断约20次。
为什么会这样呢？应该说用户在招标文件中提到的要求断路器短路电流开断次数＞20次的指标，是按单相考核的，因为前面已经说明110 kV以上断路器的开断试验是分相进行的。而生产厂的解释是高压系统接地故障为主要故障，从概率上讲单相能开断7次，三相就能开断20次以上，实际上每相满容量开断20次是达不到的。从世界上目前的断路器结构设计和工艺水平来看，变开距自能压气灭弧断路器，220 kV的满容量开断不大于10次，110 kV的不大于20次。
2、定开距灭弧结构断路器短路开断次数
SIEMENS的定开距压气灭弧断路器确实能达到额定短路开断20次的要求，其220 kV的3AQ1－EE断路器额定短路开断电流50 kV的可以满容量开断20次，40 kV的可以开断25次。但也有利有弊：定开距灭弧室断口的绝缘裕度比变开距结构小；导电触头和石墨弧触头连在一起，导电触头容易受电弧影响；操作功大，对机构要求高，一般采用液压机构才能满足要求；运动及传动部件多，结构复杂，对设计和安装工艺要求高；价格较高。
变开距自能压气灭弧断路器利用短路电流中的能量去加热SF6气体，遮断短路电流所需工作压力并非来自断路器的操作机构，这样操作机构就可以设计成特别简单可靠，即采用弹簧机构或液压弹簧机构。
五、SF6断路器短路开断次数的选择和建议
1、短路开断电流的分析
DL／T615－1997标准规定的交流高压断路器额定参数中，额定短路开断电流是指额定短路电流中交流分量的有效值。而通常我们认为额定短路开断电流表征的是断路器在端部短路下的开断能力，它由两部分合成：交流分量有效值和直流分量百分数。
通常系统短路电流中的直流分量衰减时间常数为45 ms，而断路器的实际开断电流值指断路器动作后在触头分离瞬间的三相短路电流值，并不是短路后0s的数值，因为现代高压、超高压的断路器分闸时间都很短，一般在0．04 s，计及电弧燃烧时间，继电保护动作时间，触头分离瞬间已是短路发生之后的0．08～0．1 s，此时短路电流已有一定的衰减。当断路器安装处在电气上与发电机足够远时，短路电流中交流电流的衰减可以忽略。所以选用断路器时，其额定短路开断电流不小于安装处的系统短路电流有效值就可以了。
2、设备招标文件对开断次数的提法
首先标书上提的要求应严格明确、符合实际。额定短路电流开断次数指明是单相开断次数，因为提三相开断次数概念不清，可理解为三相短路开断数，也可理解为3个单相的开断数累计。对开断短路电流31．5 kA或40 kA的110 kV断路器，目前都达不到20次单相开断的要求，可以提出单相开断15次的要求。220 kV的开关如果提20次，目前能做到的也只有SIEMENS一家，对于招标也无意义，也要修改，可以将50 kA的定为6次，40 kA的定为10次较为适宜。
3、断路器额定短路开断次数的合理选择
我国1993年版的《城市电力网规划设计导则》中明确规定为了取得合理的经济效益，城市各级电压的短路容量应该从网络的设计、变压器的容量、阻抗的选择、运行方式等方面进行控制，使各级电压断路器的开断电流以及设备的动热稳定电流得到配合，通常220 kV断路器选择40 kA，110 kV断路器选择31．5 kA或40 kA。
实际上除极个别500 kV变电所的220 kV母线，大部分220 kV母线短路容量远小于40 kA。另一方面，SF6断路器短路开断次数与短路开断电流关系基本符合∑nI2=C公式，即短路开断次数与短路开断电流的平方成反比。例如我局220kV闻堰变220母线短路容量为9804MVA，约25.7kA，所用断路器为40 kA的LW15型，按照生产厂提供的约20 kA次的开断数，单相开断约7次。则断路器近区可开断次数均为n＝7×40 2／25．7 2＝16．9。因此对220 kV断路器的选择要实事求是，短路开断次数固然重要但不必刻意追求，只要满足运行要求即可。
变开距结构的断路器虽然开断次数不及定开距结构断路器，但机构简单、结构轻巧、运行维护工作少、价格便宜，也是较好的选择。目前110kV断路器本身满容量开断一般可达到15次以上，而且额定短路开断电流与110系统短路电流相比有较大的裕度。完全满足运行要求。如选择31．5 kA开断次数为15次的断路器在20 kA系统中运行，按照公式计算，近区开断次数可达到37次，寿命期内可以做到免维护。
4、断路器短路开断的运行统计
平时运行工作中对开断短路的统计也要全面仔细。现在220 kV变电所都有故障录波器，而且微机保护大量采用，断路器本身也有动作计数器，为基础统计创造了条件。一般线路故障可以确定相间还是单相，短路电流的数量。这些基础工作为断路器的检修提供依据，做到有的放矢。
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