重合器的结构、性能与选用

来源 :电气世界 | 被引量 : 0次 | 上传用户:HanMa_1978
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  [摘要]文中对某种进口重合器的结构、性能进行了分析,并在此基础上与国内使用的重合器进行了对比:为城乡电网中重合器的选用提供了参考、
  [关键词]重合器 结构 性能 选用
  
  目前,在我国城乡电网中,农网的配电线路大多为造价比较低的架空线:而城网则是架空线与埋地电缆相结合,且架空线路占多数。所以,这样的配电网络就无法避免架空线遭受外界因素的干扰而出现相间短路,单相接地等故障。椐有关统计资料显示:在配电系统中,架空线路瞬时性故障占61%,永久性故障占39%,而在这39%的永久性故障中约1/3是由瞬时故障引起的,且永久性故障大多数是由于不可恢复的绝缘破坏、导线断裂或电杆倒塌等原因造成;而瞬时性故障则多为风、雨、雷电、鸟害之类的偶然因素造成的线对线或线对地之间的弧光放电。对瞬时性故障,只要能瞬时断电,使电弧通道有足够消除游离电子的时间。就能排除故障。当线路再接通时就可恢复正常的供电。在这种情况下,采用重合器来完成该功能,以缩小停电面积,无疑是最好的选择。另外,1998年以来,随着国家对现有2400个县和280个市的农网和城网进行的改造与建设,重合器作为配网自动化的主要设备之一,也将面临着容量的扩大,可靠性与智能化程度的提高等一系列问题。本文拟对重合器的结构、性能等方面进行分析,对重合器在选用上应注意的问题作以探讨。
  
  1 概述
  
  重合器是一种具有“自具”功能,即能够按照事先设定的程序自动进行开断和重合操作,并在其后能自动复位或者闭锁的高压电器设备。其主要功能是,利用自身的检测元件监视一次系统的电流、电压,并在一次系统出现故障时,自动地判断故障的性质(永久性或瞬时性),且与自动分段器共同完成对故障线路段的隔离。从而保证了正常线路段的供电,最大限度地缩小了停电区域和停电时间。
  与断路器相比最大的不同之处在于,重合器本身带有控制装置和操作、控制电源,具有“自具”功能,可进行多次重合闸,即它能够独立完成本身所具备的全部功能,实现无人值守;而断路器则必须和其它控制、保护等装置配合使用,才能发挥其作用。
  20世纪80年代后期,重合器开始进入我国市场。美国固铂(COOPER)公司的KFE型重合器以其优异的综合性能,成为较早进入我国市场的重合器产品之一。在经过多年的实际运行考验后,1995年平高集团(原平顶山高压开关厂)与固铂公司开始合资生产KFE型真空重合器。
  
  2 重合器的分类
  
  目前市场上重合器的种类、型号较多,性能也各有差异。下面就简要作以介绍。
  
  2.1 按灭弧介质分。重合器有油、SF6和真空等3大类
  (1)油重合器。这是最早出现的重合器,其绝缘和电弧的熄灭完全依靠其中的变压器油来完成,燃烧的电弧会对变压器油产生一定的劣化作用,因此在很大程度上存在着火灾和爆炸的隐患:而且体积大、质量重,安装极不方便。油重合器出现较早,现在来看其技术相对落后,因此目前国内已基本被淘汰。
  (2)SF6重合器。因为SF6气体是一种无色、无味、无毒、比空气重的气体,在电弧、电晕、火花和局部放电下均可分解:其分解物遇水会产生腐蚀性电解质,对设备内部某些材料容易造成损害而产生故障:而且该分解物还有剧毒,如果泄漏将会对人和环境造成很大的损害。另外,很多SF6重合器在密封和防潮设计上不能很好地解决,所以在很大程度上也影响了其实际应用,
  (3)真空重合器。采用真空介质灭弧,开断可靠,电寿命长,性能远远优于变压器油,而且还不存在灭弧介质劣化等问题;绝缘采用变压器油(或空气),对密封性能的要求没有SF6重合器高,因此对制造工艺的要求不高,性能也十分可靠。相比之下,真空重合器为首选。
  
  2.2按结构分,重合器有分布式和整体式两大类
  (1)分布式重合器。由本体、操作机构和控制箱三部分组成。它需要各部分单独组装、调整,然后再整体安装:这就使设备的安装调试难度加大,同时也给维护带来了困难,并且增加了重合器的故障隐患环节。
  (2)整体式重合器。其操动机构全部浸泡在变压器油中,被设计成全密封免维护形式,绝缘性能好,外观简洁。体积小巧。控制部分则置于箱体外,与本体分离。比较典型的就是美国固铂公司生产的KFE型及其衍生产品KFME型重合器。
  
  3 重合器的结构
  
  3.1 操作和控制电源
  按其来源分,有自备电源和外接电源两种。
  (1)自备电源是指从重合器的10kV进线处或自带的蓄电池获取所需的能量。它有两种形式,一种是由(自备的)专用变压器将10kV电源降压后提供给分、合闸及其控制装置:另一种是合闸能量直接来自10kV高电压,而分闸能量则由一个储能电容器提供(如美国固铂公司KFE型重合器)或分、合闸能量都由电容器或蓄电池提供(如施耐德的ACR三相自动重合器)。其中,采用自备电源的重合器被广泛应用在无法引入外来电源的线路上。
  (2)外接电源是指直接从电站内(站用电或直流屏)端子箱引入的低压操作控制电源。采用外接电源的重合器一般使用在变电站内。
  
  3.2 合闸装置
  合闸装置有两种:高压合闸和低压合闸。
  (1)高压合闸是指重合器通过自身的高压合闸线圈,直接从10kV进线处获取所需的能量,这种合闸方式不需要用户提供额外的合闸电源,因此使用起来十分方便。如KFE型重合器的高压合闸线圈就是从10kV系统直接获得的。由该型产品多年的运行经验可知,该合闸系统的性能十分稳定、可靠。
  (2)低压合闸是指由低压电源(a.c./d.c.220~380V)提供给合闸线圈能量。其优点是重合器的操动机构在合闸时所受到的机械冲击减小,而产品的使用寿命得到提高:其缺点则是需要用户提供外接电源(也可通过加装PT,从线路上采集工作电源,但这种电源的可靠性不高)。有的变电站为了提高供电可靠性,而在站用电回路中又加装了UPS,这样就大大增加了投资成本和重合器的不稳定性。
  根据高压合闸和低压合闸的特点,用户可以结合自身的情况选用合适的重合器。在这方面,KFE型重合器为用户提供了足够的选择空间,可按用户的要求选配高压合闸线圈或低压合闸线圈,极大地方便了用户。
  
  3.3 分闸装置
  分闸装置按所需求的能量大小可分为:高能耗分闸和低能耗分闸两种。
  高能耗分闸是指需要110~220V电压才能完成的分闸操作:低能耗分闸是指分闸电压在10~80V左右就能完成的分闸操作。目前,只有KFE型重合器(使用其专利技术)能够进行低能耗脱扣分闸:其分闸能量是 由一个330μf,18V的电容器供给。国内的大部分重合器采用的都是高能耗分闸。相比之下,低能耗分闸有以下好处:分闸所需的能量小,机构所受的冲击减少了,使分闸更可靠,并延长了使用寿命:且分闸无需外界供给能量,减少了投资。
  
  3.4 控制装置
  常用的重合器控制装置分为:电子式和微处理式。
  电子式控制器由固态电路和分立元件构成,具有结构简单、维护方便、操作容易、价格便宜等特点。一般来说,电子式控制器通过重合器本体所带的电流互感器来采集主回路的电流,并将此信号通过电平检测及计时电路、分闸回路、顺序继电器、延时重合电路和复位计时电路进行处理,使重合器产生相应的动作。安装电子式控制装置的重合器,其遥控、遥测等其它功能需要加装附件来完成。
  微处理式控制器,是利用一套硬件借助巧妙的软件设计,来实现更多更完善的功能。其智能化程度高,但造价也较高。
  微处理式控制器因制造厂商的不同而功能各有差异。下面就以固铂(COOPER)公司生产的(与KFE型重合器配合使用的)FORM 4C型重合器控制器为例,对微处理式控制器所能实现的功能做一简单介绍。
  (1)该控制器与微机技术结合,使操作人员能够用简单的键盘编程技术来整定控制器的操作方式和参数,用户可根据需要很容易地编制或修改各种控制参数:
  (a)相间(50~1600A)和接地故障(5~800A)最小分闸电流值:
  (b)有38条时间-电流(TCC)曲线,可用于整定相间和接地特性:
  (c)TCC曲线变形(纵向移动及定时增量);
  (d)重合间隔(0.6~45s);
  (e)复位时间(3~180s)——重合闸成功后复位;
  (f)合闸闭锁前的操作次数(1、2、3或4次);
  (g)第一相和接地TCC曲线的单元操作次数(1、2、3或4)。
  以上所有参数的调整,均可通过带有LCD显示的前面板键盘实现。为防止误操作,在写入或修改指令被接受前,必须输入一个四位密码。以防止未经许可的人任意改动,造成不必要的事故。同时,FORM 4C控制器提供与个人计算机相连的数据接口,并可将控制器内数据输入计算机,也可以通过计算机向控制器内输入控制参数,以便重新编程。允许个人计算机对控制器的直接操作。每个控制器的编程数据均存储在存储器上,并可打印出来作为将来巡视参考。整个控制器操作键盘十分简单,易学易懂。
  (2)该控制器具有全双工通讯能力,适用于来自遥控终端(RTU)、电话调制解调器或中心计算机的数字通讯。数据通讯界面提供直接的在线实时数据采集和控制。利用此通讯能力,远处的操作者可监测控制器的状态,并显示控制器数据,如:控制器程序整定、事故记录、负荷曲线、所需的电流测量值及重合器操作检测资料等。并且操作者还可以遥控分、合重合器,也可对重合器遥控重新编程,节省了时间和派专家到现场的费用。
  (3)该控制器配备有故障记录器,可以提供详尽的故障历史记录。存储容量大,可存储近50个事故记录。历史记录内容如下:
  (a)每个事故的月、日、时、分、秒;
  (b)对所有三相和接地电流值以kA的均方根值表示:
  (c)若故障电流超过30倍最小分闸值,将显示一个超量程信息:
  (d)有11种不同故障的编码,分别对应检测、遥控和就地操作分闸、合闸、合闸闭锁和控制器复位,以及交流电源失去/恢复等操作。
  (4)该控制器具有以下保护功能:
  (a)电流定时限保护:过流、速断;
  (b)电流反时限保护:标准反时限保护,非常反时限保护,极端反时限保护:
  (c)零序电流保护:过流;
  (d)电压保护:过压、欠压、零序电压、差电压;
  (e)低减载保护:功率方向闭锁;
  (f)引入保护(如引入瓦斯动作信号调整等);
  (5)该控制器具有四遥功能——可进行遥测、遥控、遥信、遥调;
  (6)该控制器具备环网功能,不仅能适用于农网,也能适用于城网。
  以上为FORM 4C型重合器控制器的主要功能,其他功能在此就不一一列举了。从上面可以看出,微处理式控制器实现的功能较电子式控制器要多,并可接人SCADA系统,对TCC曲线能随系统要求作相应改变,保护范围大且能作事件记录。
  
  3.5 灭弧室
  重合器的开断性能是由其灭弧室决定的。灭弧一直是高压开关设备必须解决好的问题。而且它直接决定着设备的整体性能。由前文的论述可知,油、SF6和真空三种灭弧方式中,真空灭弧是最优秀的。真空重合器中的真空灭弧室(俗称真空泡)内装有一对动、静触头,触头周围是屏蔽罩。灭弧室的外部密封壳体采用玻璃或陶瓷。动触头与壳体之间通过波纹管连接,同时也作为运动密封之用。动、静触头的结构和材料,屏蔽罩的封接工艺,壳体采用的材料,波纹管的材质和加工工艺等,均会影响真空泡的整体性能。总起来说,国外大公司真空泡的整体性能要优于国产的。美国COOPER公司自行研发真空泡已有30多年的经验,该公司的真空泡采用国际上最流行的轴向磁场灭弧技术(即纵向磁场灭弧技术)开断故障电流:密封外壳采用高强度陶瓷材料:陶瓷的强度是玻璃的5倍,因此在工艺上能够承受更高的真空退火温度和机械加工:底帽由真空熔化合金制成,它与陶瓷的膨胀系数基本相同:采用了对接铜焊法,使得真空泡获得了10~7到10~10mmHg的真空度;触头采用开断能力强、电磨损率小的铜铬合金(CuCr),使得真空泡电寿命高达79次(满容量开断),额定短路开断电流达8~12.5kA。
  
  4 重合器选用时应注意的几个问题
  
  (1)额定电流和最小分闸电流的选择。
  (a)重合器的额定电流应考虑长远发展可能出现的最大负荷电流:
  (b)电流互感器的一次额定电流不应小于重合器的额定电流:
  (c)一般电子式控制器的最小分闸电流可以在25%~225%范围内调整。其最小分闸电流整定,也应考虑“冷负荷”的冲击电流,所以通常以高峰负载电流的
  2.5倍作为重合器的最小分闸电流值。
  (2)额定短路开断电流的选择。
  (a)所选用重合器额定短路开断电流应大于或等于所安装地点的最大短路电流。一般选用8~12.5kA比较合适:
  (b)所选重合器在开断试验中的功率因数不得大于安装地点短路时的功率因数。
  (3)重合器控制器的选择。
  在系统电压范围内,控制器应具有较好的绝缘水平和抗高频干扰能力,并与所在系统相适应。
  (4)结构型式的选择。
  根据重合器使用场所的不同,来选用不同的结构型式。对于远离电站的配电线路上。宜选用自备电源的整体式重合器,而电站内则选用有外接电源的分布式重合器就可以了,因为重合器的操动机构和控制装置所需电源完全可由站内提供。
  另外,在选用过程中,也要考虑本单位的实际情况,选用性价比较高的重合器。以上是重合器在选用时应注意的事项,仅供用户选型时参考。
  
  5 结束语
  
  重合器是我国电网配电自动化中所使用的重要设备之一,有着广阔的发展前景。它的发展正朝着我国城乡电网建设的方向进行,不断满足用户的要求。随着目前无人职守变电站的兴起,重合器的智能化程度应更高,容量应更大,开断应更迅速。在线路上,重合器与自动分段器的配合使用是一个必然的趋势。与自动分段器的配合使用,将使重合器的功能得到最大限度的发挥。使线路的可靠性将大大提高。
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