一次检修之断路器综述

断路器，作为变电站中唯一可以灭弧关合、承载并开断异常故障电流的高压电器，继保控制的最终着力点，是电网系统的终端核心设备，除主变外最昂贵的重资产。

第一期检修小课堂中，保护专业的同事曾经将保护过程形容为“膝跳反射”，如果“敲击膝腱”是保护信号激励，那么开关分闸就是那个“抬脚动作”。本文将从变电检修专业的角度分析断路器本体、操作机构和控制回路，介绍一下这个“抬脚动作”构成和原理。

一、断路器本体

1.1

断路器分类

断路器的灭弧介质是断路器的主要分类依据，包括六氟化硫、真空式、空气式、油浸式（已淘汰），其主要应用的电压等级如图1.1所示。

图1.1断路器灭弧介质分类

1.2

断路器本体介绍

1.2.1SF6断路器

六氟化硫断路器本体由开断元件、支持绝缘件和传动元件组成如图1.2。

图1.2AIS六氟化硫断路器

其中开断元件是断路器的核心，包括主灭弧室、主触头系统、主导电回路、辅助灭弧室、辅助触头系统和并联电阻，例如我们最常见的ABBLTB开关，其内部开断元件如图1.3所示。

图1.3ABBLTB开关

六氟化硫断路器的开断过程如图1.4所示，其中动触头（下端）在储能和传动机构的牵引下，快速上顶静触头，实现合闸，合闸过程所用时间大约在ms以内，时间越短越好。但由于检修条件的限制，国网福建省内单位里面，目前只有省检修基地拥有解体高压断路器检修的能力，因此本文不再班门弄斧、多做赘述。

图1.4断路器分合闸状态

1.2.2真空断路器

在日常工作中，除了六氟化硫断路器，真空断路器也是我们主要服务对象，如图1.5。

图1.kV真空开关

其主要灭弧器件——真空灭弧室（真空泡）的构造如图1.6所示。

图1.6真空灭弧室

二、断路器操作机构

断路器操作机构是变电检修专业在开关部件中的主要服务对象，其内部结构因储能载体的不同而有较大的区别。断路器操作机构主要分为弹簧操作机构和液簧操作机构。

2.1

弹簧机构

弹簧操作机构结构较为简单，普遍存在于10kV-kV开关设备，如ABB10kVVD4开关、kVLTB开关和kVLTB开关，其优点有：

(1)要求电源的功率较小；

(2)交直流电源都可以用，看是什么电机；

(3)失去电源时，仍然可以进行一次分—合—分操作；

(4)造价便宜；

(5)器件工艺简单，主要器件为主轴、储能弹簧（合闸弹簧、分闸弹簧）、储能电机、掣子、线圈、传动部件和电路，如图2.1所示，是VS1真空开关的弹簧操作机构内部构成。

图2.1VS1开关内部构成

VS1弹簧操作机构的工作原理是利用电机带动合闸弹簧拉伸进行储能，当下达合闸命令时，合闸线圈通电触发合闸掣子，带动传动机构实现合闸，主轴从分闸状态转动到合闸状态，在此过程中，分闸弹簧因连接主轴故而得到拉伸储能，为分闸作准备，因此分闸弹簧的能量来源于合闸弹簧。从这个过程可以看出，弹簧机构中弹簧的优劣决定了该机构的使用特性，由于开关大多数时间处于合闸运行状态，合闸弹簧长时间处于拉伸储能状态，而分闸弹簧处于正常状态，因此合闸弹簧容易疲劳，致使合闸无力，开关在合闸过程中不到位，造成危险隐患。同时，弹簧机构零部件较多，模块化程度不高，并且长期暴露在空气中，在运行超过15-20年后容易出现掣子和传动部件的卡涩，致使开关无法合闸，控回断线（义洲变为典型案例）。

2.2

液簧机构

相比于弹簧机构，大家对液簧机构较为陌生，有的朋友可能没有接触过液压设备，因此这里先解释一下液压系统的原理，如图2.2所示。从图中不难看出，所谓液压系统，就是通过电机做功，实现油压的U形管效应，带动活塞工作，并通过换向阀实现加压和泄压，而这个过程因为没有储能，因此需要电机的不断工作。而液簧机构就是在液压系统的基础上，增加储能碟簧。

图2.2液压系统

液簧机构的零部件工艺精度极高，造价昂贵，尤其是液压碟簧和油路控制器这两个模块。但液簧机构优点也十分突出，具体如下：

(1)体积小，可以在很小的空间内通过液压获得巨大操作力；

(2)需要控制的能量小，动作快，操作平稳；

(3)失去电源后仍然可以进行多次分合闸操作，以压力情况而定；

(4)液压油本身具有润滑保护作用，机构内部不易锈蚀卡涩；

(5)容易实现自动控制及各类保护。

综上几点，可以看出，液簧机构的稳定性、耐候性和状态响应都要优于弹簧机构，但其设计结构较为复杂，存在油路需要密封，因此检修技术难度和成本也较大，液簧操作机构广泛应用于kV及以上开关。

目前，福州公司所用液簧机构均采购自ABB公司，其工作方式和模块构成如图2.3和图2.4所示。

图2.3ABB液压机构工作方式

图2.4ABB液簧机构模块构成

这款ABB液簧机构的工作原理与图2.2的原理相同，不同的是其拥有了碟簧储能，使得液压油的加压可以依靠碟簧的储备能量，而不需要电机的持续工作。

由于液簧机构基本应用在kV及以上重要变电站中，生产及维修成本较大，因此其维护工作也需要更加细致，其在以下情况中需要加强监视：

(1)新设备投运，72小时后可以转为常规巡视；

(2)气温急剧变化的气候条件；

(3)夏季高温季节和线路重载工作期间；

(4)开关机构有渗漏油，开关有SF6气体泄漏等缺陷。

关于液簧机构的技术知识点还有很多，感兴趣的朋友还可以阅读液簧机构的相关文件，这里不做冗长分析。

三、断路器控制电路

断路器控制电路是检修专业的入门课程，其主要分为合闸电路、分闸电路和储能电路，我们以最简单的10kV真空开关为例进行介绍，如图3.1。

图3.kVVS1开关电路图

从图中可以看到，合闸回路的端口是4、14两点，分闸回路为31、30两点，HQ为合闸线圈，TQ为分闸线圈，Y1为闭锁电磁铁，中间横穿的QF线和S1线与开关主轴相连，通过主轴的机械变位带动图中部分的辅助开关进行切换。从中不难看出，在合闸过程中，只要整流桥、HQ未损坏，闭锁电磁铁正常，合闸回路就能正常工作，其间所参与的保护闭锁更多依靠开关本身的机械闭锁（五防功能），而非电气闭锁。因此在10kV开关控回断线时，电气问题是小问题，但机械问题就需要更长的停电时间和检修过程。

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