浅析SF6断路器的选项及运行故障分析处理

浅析SF6断路器的选项及运行故障分析处理专业：电气工程及自动化班级：指导教师：学生姓名：目录摘要1.SF6断路器概述1.1高压断路器的作用和种类1.2SF6断路器的发展2.SF6断路器的原理和结构2.1SF6气体特性2.2SF6断路器结构原理3.SF6断路器的优缺点分析3.1SF6断路器的优点3.2SF6断路器的缺点4.SF6断路器常见故障的分析及检修4.1漏气分析及处理4.2液压操作机构故障4.3解体检修5.案例分析5.1断路器LW14-126的结构和工作原理5.2运行故障分析处理5.3断路器LW14-126预防性试验6.SF6断路器故障处理的几点建议参考文献摘要在电网运行中，SF6（六氟化硫）断路器作为高压断路器，应用非常广泛,其灭弧性能强，分合闸速度快，弧触头烧损小，电寿命周期长，维护检修简单，它在体积、重量、开断性能、载流能力、绝缘性能、环境适应性等方面都大大优于油断路器,因此，SF6断路器以自身的优势正逐步代替油断路器。本文介绍了SF6断路器的发展、结构特点和原理，对SF6断路器出现运行故障的原因进行了分析并提出了处理方法，结合LW14-126型SF6断路器在110KV变电站运行案例进行分析，最后提出故障处理的意见。1.SF6断路器概述1.1高压断路器的作用和种类高压电气设备是电力系统中的重要组成部分，负责电能的输送与分配。电气设备的安全运行是电力系统安全运行的基础，只有设备安全运行才能保证持续供电，才能保证电能质量，才能保证人身安全。在电力系统中，高压电气设备很多，包括变压器、高压断路器、电压互感器、电流互感器、消弧线圈，电容器等，这些设备之间相互配合，共同承担着电力系统安全稳定。1.1.1高压断路器的作用在电力系统中，高压断路器是比较重要的高压电气设备，它具有完善的灭弧装置。高压断路器的作用如下:（1）在正常运行情况下，能可靠地接通和开断负荷电流。（2）在改变主接线运行方式时可以灵活地进行切换操作。（3）在系统发生故障时，可以开断断路电流，迅速切除故障部分以保证非故障部分的正常运行。1.1.2高压断路器的种类根据断路器安装地点，可分为户内和户外两种。根据断路器使用的灭弧介质，可分为以下几种类型：（1）油断路器。油断路器是以绝缘油为灭弧介质。可分为多油断路器和少油断路器。在多油断路器中，油不仅作为灭弧介质，而且还作为绝缘介质，因此用油量多，体积大。在少油断路器中，油只作为灭弧介质，因此用油量少、体积小，耗用钢材少。（2）空气断路器。空气断路器是以压缩空气作为灭弧介质，此种介质防火、防爆、无毒、无腐蚀性，取用方便。空气断路器靠压缩空气吹动电弧使之冷却，在电弧达到零值时，迅速将弧道中的离子吹走或使之复合而实现灭弧。空气断路器开断能力强，开断时间短，但结构复杂，工艺要求高，有色金属消耗多，因此，空气断路器一般应用在110KV及以上的电力系统中。（3）真空断路器。真空断路器是在高度真空中灭弧。真空中的电弧是在触头分离时电极蒸发出来的金属蒸汽中形成的。电弧中的离子和电子迅速向周围空间扩散。当电弧电流到达零值时，触头间的粒子因扩散而消失的数量超过产生的数量时，电弧即不能维持而熄灭。真空断路器开断能力强，开断时间短、体积小、占用面积小、无噪声、无污染、寿命长，可以频繁操作，检修周期长。真空断路器目前在我国的配电系统中已逐渐得到广泛应用。（4）SF6（六氟化硫）断路器。SF6断路器采用具有优良灭弧能力和绝缘能力的SF6气体作为灭弧介质，具有开断能力强、动作快、体积小等优点，但金属消耗多，价格较贵。近年来SF6断路器发展很快，在高压和超高压系统中得到广泛应用，尤其以SF6断路器为主体的封闭式组合电器，是高压和超高压电器的重要发展方向。由于SF6断路器具有优异的灭弧能力，使其燃弧时间很短，电流开断能力大，触头的烧损腐蚀轻微，触头能在比较高的温度下运行而不劣化。此外，SF6气体优越的绝缘特性，使电气绝缘距离可以大幅度下降，结构更为紧凑，节省空间，而且操作功率小，噪音小；SF6高压断路器以良好的绝缘性能及优越的灭弧介质而被广泛的应用于电力系统的各类电压等级的开断设备中。正是因为SF6断路器具有以上优点，所以其发展速度非常之快，已成为目前最有发展前途的电力控制设备。1.2SF6断路器的发展自1955年美国西屋公司制造出第一台SF6断路器至今已四十余年，SF6断路器的技术不断完善，市场占有率迅速扩大，在高压领域取代油断路器与空气断路器已成定局，在中压领域与真空断路器的角逐几乎是平分秋色。西屋公司第一台1l0kVSF6断路器的设计思想沿袭油断路器用SF6气体置换绝缘油，其灭弧原理亦是利用电弧自身的能量，使气体受热分解形成高压气流吹到串联布置的弧道上完成电弧开断。1958年，该公司制造出世界上第一台220kVSF6断路器，以2个表压的SF6气体替代压缩空气充于断路器内腔作为主绝缘介质，另外设置14个表压的高压SF6，贮气缝分闸时由气阀导向将14个表压的高压SF6气体引向灭弧喷口，迫使电弧电流过零时熄弧。但通过喷口的SF6气体是排向2个表压的低压贮气罐内，经压缩机增压到14个表压回到高压贮气罐，以备下次开断电流时再用，SF6气体在断路器内部一直保持密封循环，由于断路器内同时存在两种SF6气压，被称为双压式SF6断路器。这种产品是“第一代SF6断路器”。在SF6气体灭弧原理的研究中发现，通过灭弧喷口的气流速度，随着喷口上、下游之间的压差增大而增加，当压差达“1.7”倍时，喷口气流达到音速，此后再增加上游压力，喉部的气流速度几乎不变，这个压差比称为临界压差比。因SF6气体的分子量为空气的5倍，压缩时很容易产生很高的气体压力，取5-6个表压的SF6气体充于灭弧瓷套内。正常时喷口上、下游之间无压差，分闸操作时.由操动机构带动灭弧室内的压气罩与压气活塞作相对运动，使灭弧室喷口上游的气压增加，待达到临界压差比后，在适当时刻开放喷口气流吹断电弧电流。分闸完成后喷口上、下游之间压差渐渐消失，整个灭弧室又恢复到原来的单一压力。按此原理设计的SF6断路器称为单压式断路器，其设计思想已从油或空气的断路器构思中完全解脱出来，成为现代各种SF6断路器的基础，这就是所谓“第二代SF6断路器”。单压式SF6断路器问世后，又分为变开距设计与定开距设计两个流派，技术上各有所长，但灭弧室内的增压均由操动机构的操作功产生，其对操作功的需求量，随着开断电流的增大而增加，随着开断参数的提高，使得操动机构的制造难度增大，迫使设计工程师又转向利用短路电流电弧能量使灭弧室喷口上游的SF6气体增压，从而开发出自能式SF6断路器灭弧室。按此原理设计的产品称为“第三代SF6断路器”，使SF6断路器的使用领域向中压系统扩展，至此SF6断路器已形成完整的体系。近10年来SF6断路器的技术发展表现在下列三方面:（1）增大开断容量、提高断口承受电压。电网的装机容量不断增加，迫使断路器的开断容量必须同步增加。目前已达下列水平:定开距设计的压气式灭弧室已由西门子公司制成500kV、100kA的产品，采用压气罩与压气活塞作双向运动结构，加快了灭弧室压力升高，使全开断时间缩短。（2）操动机构不断改进和简化。由于压气式灭弧室要求操动机构能提供足够大的操作功，因此早期的SF6单压式断路器都选用液压机构。主要是它能够提供较大的输出功，随着电弧能量的利用，对操动机构操作功需求大量减少，使SF6断路器能采用弹簧机构作为操动机构。新型的弹簧机构贮能于盘簧(钟表发条弹簧)，其功率输出通过转轴扭力传递，传动部件所受的应力要小得多，就相对地提高了部件的可靠性。（3）二次控制技术的改进和智能化技术的应用。国际大电网会议第13研究委员会对SF6断路器可靠性调查结果表明，控制和辅助回路的故障在开关设备故障总数中的比例为29%，居第二位，促使开关制造商重视改进二次控制技术问题。传统的断路器控制装置是使用一排硬线连接的机电式继电器构成的，能实现分合闸、SF6低气压闭锁和机构贮能不足闭锁、防跳跃等控制功能，这种传统的机电式控制装置是引发高故障率的原因。随着控制技术的不断发展。机电式继电器的保护功能逐渐由静态继电器、随后又被数字式继电器所取代、使控制技术由最初的机电技术转变为电子技术进而成为以微处理机为基础的数字技术。2.SF6断路器的原理和结构2.1SF6气体特性SF6气体是二十世纪初发现的，它应用于电工设备是在四十年代，第一次被用于断路器是在五十年代初。由于SF6气体同空气和变压器油相比有许多优异的电气绝缘和灭弧性能，近年来，SF6在电气设备上的应用有了很大的发展，尤其是在高压和超高压断路器上，还有全封闭组合电器。现在，新安装的110kV及以上电压等级的断路器，包括大部分的35kV断路器已经全部是SF6断路器了。（1）SF6的物理和化学特性SF6分子由一个硫原子和六个氟原子构成，六个氟原子以共价键的形式和硫原子结合成一个中性分子，其原子量为146，大约是空气的五倍，也就是说它的密度也大约是空气的五倍。在常温下，SF6气体是无色、无味、无毒并且透明的惰性气体，它非常稳定，通常情况下很难分解；它既不溶于变压器油也不溶于水。SF6断路器里的SF6气体不可能是完全纯净的，会含有一些杂质，如水等，此外在断路器燃弧时也会产生一些触头材料的金属蒸汽，这些物质在电弧的作用下会同SF6气体发生化学反应，生成一些金属氟化物、硫的低氟化物、氢氟酸，还有很少量的剧毒物质，生成的金属氟化物大都是一些白色的粉状物质，它们会覆盖在导体的表面，影响导电性能；而生成的HF、SF4、SO2会对断路器内的含有硅元素的绝缘体，如玻璃、陶瓷支持件和环氧浇注件等都有较强的腐蚀性，降低这些绝缘件表面的绝缘电阻，所以，在实际工作中，我们要严格控制SF6气体中的水分含量，同时，还要在断路器中尽可能多地采用耐腐蚀的高分子有机材料，如聚四氟乙烯、聚酯树脂的制品；此外，对那些少量的剧毒物质由于它们能长时间的保留在SF6气体中，我们必须在SF6断路器中放置吸附剂，来提高SF6气体的纯度，同时确保人身的安全。（2）SF6气体的电性能关于SF6气体的电性能，我们将分别讨论它在常温下的电气绝缘性能和高温下的灭弧性能。在均匀电场中，工频电压的作用下，SF6气体、油和氮气相比，SF6气体的介质强度大约是氮气的五倍。SF6气体的灭弧性能也是非常好的，这有以下几个方面的原因：①SF6气体在电弧的作用下会发生分解和游离，有多原子结构分子分解为单原子或带电粒子的气体，在2000℃左右开始分解为低氟化物，4000℃左右开始游离，6000℃左右时游离的最迅速，当温度高于10000℃时，SF6气体就全部游离了；这种内部的变化将影响气体的导热、导电性能，使它的导热、导电性能大大增强。气体导热性能增强，电弧的散热就加快了，这样就有利于电弧熄灭后间隙中的绝缘介质迅速降温，有利于低氟化物复合成SF6，同时有利于恢复绝缘，大大降低了电弧的复燃，有利于熄弧。②气体导电性能增强有利于熄弧，原因是：导电性能增强了确实有利于燃弧，通过几种气体电弧的伏安特性曲线可以发现，SF6气体的伏安特性曲线最低，也就是说，在电流相同的情况下，SF6气体的电弧电压最低，而电弧能量就是也最低，电弧在电流很小的情况下也能维持，不会发生断裂，这样就不会发生截流现象，这也是SF6气体比较优越的地方；我们知道现在的SF6断路器都是在电弧电流过零时熄灭的，电弧在燃弧时电弧能量小，电弧的温度和分解的气体就相对也较少，这对于电流过零后间隙的绝缘强度的恢复非常有利，使得熄弧后很难发生重燃或复燃，所以SF6气体既有利于燃弧，又有利于熄弧。③此外，SF6气体的负电性（吸附自由电子的特性）和二次复合特性（在电弧中分解的低价氟化物在熄弧后迅速还原成SF6分子），这些特性也使得SF6气体无论是在起始介质强度、介质恢复速度还是最终的介质强度都是比较高的。当SF6气体的状态发生变化时，它没有完全符合理想气体的状态方程，这主要因为它的分子量较大，当气体压力增大时，气体的密度相应增大，分子间的相互吸引作用开始显露。SF6气体的稳定性比较好，在一般情况下不会分解，但是，SF6断