應(yīng)用于新一代智能變電站的隔離斷路器

李勁彬，阮羚，陳雋

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢市430077; 2.國家電網(wǎng)公司電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市430077)

應(yīng)用于新一代智能變電站的隔離斷路器

李勁彬1，2，阮羚1，2，陳雋1，2

(1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢市430077; 2.國家電網(wǎng)公司電氣設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢市430077)

20世紀(jì)90年代以來，隨著斷路器技術(shù)的不斷進(jìn)步，斷路器設(shè)備的可靠性大幅提升，而隔離開關(guān)的技術(shù)水平卻停滯不前。在此情況下，隔離斷路器新型設(shè)備開始應(yīng)用于電網(wǎng)。對(duì)應(yīng)用于武漢110 kV未來城變電站(新一代智能變電站)的110 kV隔離斷路器進(jìn)行了研究，通過將隔離斷路器與傳統(tǒng)斷路器、隔離開關(guān)進(jìn)行對(duì)比，介紹了隔離斷路器的設(shè)計(jì)理念、功能特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。對(duì)隔離斷路器的國外應(yīng)用情況、國內(nèi)型式試驗(yàn)和制造情況及在線監(jiān)測(cè)裝置使用情況進(jìn)行調(diào)研，分析了隔離斷路器的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)階段的研究及應(yīng)用情況，研究了隔離斷路器的差異化型式試驗(yàn)考核要求。研究結(jié)果可為“新一代智能變電站”中隔離斷路器這一新型設(shè)備的應(yīng)用和運(yùn)行維護(hù)管理提供借鑒和經(jīng)驗(yàn)。

隔離斷路器;新一代智能變電站;型式試驗(yàn);在線監(jiān)測(cè)

0 引言

在傳統(tǒng)的變電站設(shè)計(jì)中，斷路器與隔離開關(guān)是相互獨(dú)立的設(shè)備。20世紀(jì)90年代前，電網(wǎng)中斷路器主要采用的是油斷路器。由于油斷路器運(yùn)行可靠性低、臨修頻繁，對(duì)變電站進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在斷路器的兩側(cè)均配置隔離開關(guān)，以便在斷路器檢修時(shí)形成可見斷口隔離高壓，同時(shí)保持站內(nèi)其他設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)。

隨著斷路器設(shè)備的設(shè)計(jì)、新材料研發(fā)、運(yùn)行維護(hù)技術(shù)的不斷提高，斷路器設(shè)備的可靠性大幅提升。其滅弧介質(zhì)由真空、多油、少油發(fā)展為SF6氣體介質(zhì)，設(shè)備故障停電率大幅下降;斷路器內(nèi)部的串聯(lián)斷口減少，目前500 kV電壓等級(jí)的斷路器設(shè)備已能夠?qū)崿F(xiàn)單斷口結(jié)構(gòu);斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)也取得了進(jìn)步，由氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、液壓機(jī)構(gòu)發(fā)展為彈簧機(jī)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)量小。而隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，長(zhǎng)期不受制造部門的重視，其設(shè)計(jì)、選材、加工工藝、組裝調(diào)試和質(zhì)量控制均處于次要位置，產(chǎn)品的性能和質(zhì)量難以保證。在20世紀(jì)90年代之前，雖然高壓隔離開關(guān)故障頻發(fā)，質(zhì)量問題大量存在，但由于油斷路器檢修周期短，隔離開關(guān)的問題并不十分突出。但是近年來，由于SF6斷路器的大量使用，突顯了隔離開關(guān)與運(yùn)行可靠性得到極大改善的SF6斷路器不相匹配的矛盾［1］。

根據(jù)國外研究機(jī)構(gòu)對(duì)各國電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)分析，現(xiàn)今斷路器本體的平均檢修周期約為13年，而隔離開關(guān)的平均檢修周期約為6年［2］，斷路器的故障率已小于隔離開關(guān)，平均檢修時(shí)間間隔已超過了隔離開關(guān)。隨著斷路器可靠性的不斷提高，利用隔離開關(guān)來隔離高壓電以進(jìn)行斷路器停電檢修的檢修策略和模式，已不再適用于電網(wǎng)的實(shí)際管理和發(fā)展需求。由此提出變電站的設(shè)計(jì)原則由原來的斷路器兩端設(shè)置隔離開關(guān)改為將隔離功能集成到斷路器的滅弧室內(nèi)部，從而提出了一個(gè)新的產(chǎn)品——隔離斷路器(disconnecting circuit breaker，DCB)，并將其應(yīng)用于“新一代智能變電站”110 kV武漢未來城變電站。

1 隔離斷路器的特點(diǎn)

隔離斷路器結(jié)合了傳統(tǒng)斷路器與隔離開關(guān)等設(shè)備的功能。設(shè)備的動(dòng)、靜觸頭被保護(hù)在SF6滅弧室內(nèi)，兼具斷路器和隔離開關(guān)的雙重功能，可替代傳統(tǒng)斷路器與隔離開關(guān)的聯(lián)合應(yīng)用。采用隔離斷路器，可以減少站內(nèi)一次設(shè)備的數(shù)量，減少變電站空間與土地占用，優(yōu)化變電站縱向尺寸，降低工程成本。同時(shí)，由于原本裸露在空氣中的隔離開關(guān)觸頭被集成保護(hù)至SF6滅弧室內(nèi)，隔離斷路器的檢修維護(hù)量較小，供電可靠性大幅提高。

隔離斷路器除了集成接地開關(guān)，也采用與電流互感器緊湊式布局，電流互感器與隔離斷路器拉近距離布置或者將電流互感器支架與隔離斷路器的支架集成，可進(jìn)一步減少占地面積和工程量。隨著近年電子式互感器尤其是全光互感器的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了將電流互感器集成至隔離斷路器本體上，以獲得更為緊湊、簡(jiǎn)單可靠的結(jié)構(gòu)和更高的技術(shù)含量，這與電力系統(tǒng)智能化的發(fā)展趨勢(shì)正相適應(yīng)［3-5］。

隔離斷路器的工作位置除了有傳統(tǒng)斷路器所具有的合閘位置和分閘位置，還具有接地位置。單斷口隔離斷路器和雙斷口隔離斷路器的接地工作位置如圖1所示［6］。

2 隔離斷路器的國外應(yīng)用情況

目前，在國外廠家中，ABB、SIEMENS、ALSTOM這3家公司均有隔離斷路器產(chǎn)品，其中ABB公司是最早進(jìn)行隔離斷路器相關(guān)研究的公司，目前已實(shí)現(xiàn)了從72.5 kV到550 kV各電壓等級(jí)的應(yīng)用。

2000年，世界上第1臺(tái)隔離斷路器在瑞典正式掛網(wǎng)使用。2012年，已累計(jì)有1 370余臺(tái)隔離斷路器投運(yùn)于超過25個(gè)國家的電網(wǎng)，其每年投運(yùn)數(shù)量呈快速上漲趨勢(shì)，如圖2所示［7］。

根據(jù)國際大電網(wǎng)會(huì)議(International Council on Large Electric systems，CIGRE)和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)各國電網(wǎng)在運(yùn)隔離斷路器運(yùn)行情況的統(tǒng)計(jì)分析，將斷路器和隔離開關(guān)集成為隔離斷路器后，132 kV隔離斷路器的維護(hù)停電時(shí)間由5.3 h/(年·臺(tái))下降為1.2 h/(年·臺(tái))，設(shè)備維護(hù)量降低87%，設(shè)備故障停電時(shí)間由0.21 h/(年·臺(tái))下降為0.12 h/(年·臺(tái))，設(shè)備故障率降低43%;400 kV隔離斷路器的維護(hù)停電時(shí)間由4.8 h/(年·臺(tái))下降為0.5 h/(年·臺(tái))，設(shè)備維護(hù)量降低90%，設(shè)備故障停電時(shí)間由0.19 h/(年·臺(tái))下降為0.09 h/(年·臺(tái))，設(shè)備故障率降低50%［8］。(132 kV和400 kV為國外部分國家的電網(wǎng)電壓等級(jí))。

目前，瑞典已將隔離斷路器作為新建變電站和在運(yùn)變電站設(shè)備改造更換的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備配置，瑞典南部已有30余座變電站裝用了隔離斷路器，挪威等國也有多個(gè)工程實(shí)例。在新西蘭，隔離斷路器的應(yīng)用取得了較良好的效果。新西蘭是地處太平洋南部的島嶼國家，大部分變電站都臨近海邊，隔離開關(guān)等戶外設(shè)備長(zhǎng)期受到咸濕海風(fēng)的侵蝕，加快了金屬觸頭等裸露部件的腐蝕。新西蘭的地?zé)岬貐^(qū)產(chǎn)生的硫化氫等化學(xué)物同樣會(huì)加速傳統(tǒng)隔離開關(guān)設(shè)備的腐蝕。隔離斷路器實(shí)現(xiàn)了將觸頭部位全部集成入滅弧室內(nèi)，受SF6氣體的保護(hù)，取得了較好的應(yīng)用效果。

3 隔離斷路器的國內(nèi)試制情況

3.1 隔離斷路器生產(chǎn)制造

此次即將應(yīng)用于“新一代智能變電站”——110 kV武漢未來城變電站的隔離斷路器由西安西電高壓開關(guān)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造。與傳統(tǒng)斷路器相比，隔離斷路器在瓷柱式斷路器基礎(chǔ)上，集成了接地開關(guān)和電子式電流互感器，設(shè)備上部為滅弧室，中間為電子式電流互感器，下部為支柱瓷套及框架。隔離斷路器設(shè)備形態(tài)如圖3所示［9］。

接地開關(guān)與隔離斷路器共用1個(gè)底架，配備的電動(dòng)機(jī)構(gòu)及其連接機(jī)構(gòu)裝在邊相支柱上。接地開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電子式電流互感器置于隔離斷路器套管和支柱套管之間，采集器置于光纖絕緣子頂部，光纖置于光纖絕緣子內(nèi)部，采集數(shù)據(jù)通過光纖傳輸，光纖絕緣子固定于斷路器支架上，整體結(jié)構(gòu)緊湊，節(jié)省占地空間。電子式電流互感器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.2 隔離斷路器型式試驗(yàn)

為適應(yīng)隔離斷路器的發(fā)展需要，國際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)于2005年頒布了IEC62271—108《High-voltage alternatingcurrentdisconnectingcircuit-breakers for rated voltages of 72.5 kV and above》標(biāo)準(zhǔn)。我國于2011年相應(yīng)發(fā)布了GB/T 27747—2011《額定電壓72.5 kV及以上交流隔離斷路器》標(biāo)準(zhǔn)，并于2012年正式實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)描述了隔離斷路器獨(dú)立功能間相互作用的要求，明確了這些要求與分立的斷路器和隔離開關(guān)的獨(dú)立要求之間的差異。

隔離斷路器的設(shè)計(jì)基于傳統(tǒng)的SF6斷路器，將隔離開關(guān)的功能集成至斷路器的滅弧室內(nèi)。當(dāng)觸頭在分閘位置時(shí)，須實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的功能。這意味著隔離斷路器除要滿足對(duì)斷路器全部要求外，還要滿足對(duì)隔離開關(guān)的要求。隔離開關(guān)的功能要求通過提高斷路器動(dòng)、靜觸頭的絕緣水平來實(shí)現(xiàn)，達(dá)到滿足系統(tǒng)失步工頻電壓、操作沖擊電壓、雷電沖擊電壓等嚴(yán)格條件考核的要求。

隔離斷路器設(shè)備型式試驗(yàn)即在完成隔離斷路器本體、接地開關(guān)、電子式互感器各部分的型式試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還要求進(jìn)行組合功能試驗(yàn)，來驗(yàn)證隔離斷路器的絕緣耐受能力滿足長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的要求。因此，在機(jī)械操作試驗(yàn)和規(guī)定的短路試驗(yàn)方式后都應(yīng)該滿足絕緣要求。組合功能試驗(yàn)是此類裝置特定的型式試驗(yàn)要求，旨在驗(yàn)證隔離斷路器在規(guī)定的機(jī)械和短路開斷試驗(yàn)后完全保持了分閘觸頭間的絕緣性能，認(rèn)為通過這些組合功能試驗(yàn)的隔離斷路器能夠耐受運(yùn)行期間因觸頭磨損以及電弧開斷產(chǎn)生的分解物［10］。

試驗(yàn)過程中，隔離斷路器所有傳感器、智能組件應(yīng)安裝完畢，電子式互感器與隔離斷路器集成安裝一體。設(shè)備布置模擬現(xiàn)場(chǎng)分布，智能組件柜與開關(guān)本體的距離不遠(yuǎn)于現(xiàn)場(chǎng)情況，宜采用單獨(dú)電源和接地，試驗(yàn)前所有智能組件均處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

110 kV隔離斷路器的短路組合功能、機(jī)械組合功能和絕緣考核試驗(yàn)要求如表1［11］所示。

應(yīng)用于110 kV武漢未來城變電站的隔離斷路器樣機(jī)按照表1的要求，按規(guī)定操作順序進(jìn)行了12次額定短路電流開斷試驗(yàn)和5 000次分合閘操作，之后對(duì)隔離斷路器進(jìn)行額定短時(shí)工頻耐壓和額定雷電沖擊耐壓試驗(yàn)。在加壓過程中，隔離斷路器無擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象，通過了短路組合功能試驗(yàn)和機(jī)械組合功能試驗(yàn)。

4 隔離斷路器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)智能電網(wǎng)對(duì)于設(shè)備狀態(tài)可視化的要求，在隔離斷路器的設(shè)計(jì)和制造中，實(shí)現(xiàn)了與在線監(jiān)測(cè)裝置的深度融合，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提升了設(shè)備可靠性，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備功能智能化［12-14］。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和狀態(tài)量如表2［15］所示。

對(duì)于斷路器分合閘線圈電流監(jiān)測(cè)，斷路器采用電磁鐵進(jìn)行分合閘操作，電磁鐵線圈通過電流時(shí)，電磁鐵產(chǎn)生磁通，動(dòng)鐵芯受磁力吸合，使斷路器分閘或合閘。分合閘線圈的電流中含有豐富的機(jī)械傳動(dòng)信息。采用補(bǔ)償式霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)斷路器分合閘線圈電流信號(hào)，根據(jù)電流波形和事件相對(duì)時(shí)刻，判斷故障征兆，診斷拒動(dòng)、誤動(dòng)故障。

對(duì)于斷路器行程和速度監(jiān)測(cè)，在斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的主軸上安裝位移旋轉(zhuǎn)式光柵傳感器，利用光柵傳感器和斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)主軸間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將速度行程信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到斷路器操作過程中行程和速度隨時(shí)間的變化關(guān)系，計(jì)算出動(dòng)觸頭行程、超行程、剛分后和剛分前的平均速度等［16］。

5 結(jié)語

在國家電網(wǎng)公司“新一代智能變電站”工程建設(shè)中，新型設(shè)備隔離斷路器將在國內(nèi)進(jìn)行首次應(yīng)用。通過對(duì)隔離斷路器在國內(nèi)外的應(yīng)用情況和試制情況進(jìn)行調(diào)研，介紹了隔離斷路器的設(shè)計(jì)理念，分析了隔離斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。重點(diǎn)研究了隔離斷路器設(shè)備上隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電子式電流互感器和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等部件和功能的總體集成情況，分析了具有新型結(jié)構(gòu)的隔離斷路器的特殊組合功能型式試驗(yàn)考核要求，并對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行了全程駐廠監(jiān)督和見證。研究結(jié)論可為隔離斷路器在電網(wǎng)中的全面應(yīng)用提供有益經(jīng)驗(yàn)，并可為隔離斷路器現(xiàn)場(chǎng)交接試驗(yàn)方案的確定和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)價(jià)提供參考。

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［2］Larsson J R，S?lver C-E，Haglund L.Disconnecting Circuit Breaker E.nablesSmarterSubstationDesign［C］.2010IEEEPES Transmission and Distribution Conference and Exposition:Smart Solutions for a Changing World，2010.

［3］宋璇坤，李敬如，肖智宏，等.新一代智能變電站整體設(shè)計(jì)方案［J］.電力建設(shè)，2012，33(11):1-6.

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［10］GB/T 27747—2011額定電壓72.5 kV及以上交流隔離斷路器［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

［11］國家電網(wǎng)公司.智能隔離斷路器性能檢測(cè)方案［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2013.

［12］黃新波，王宵寬，方壽賢，等.智能變電站斷路器狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED設(shè)計(jì)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36(22):95-99.

［13］劉驥，黃國方，徐石明.智能電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展［J］.電力建設(shè)，2009，30(7):1-3.

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［15］國家電網(wǎng)公司.126 kV集成式智能隔離斷路器技術(shù)規(guī)范［R］.北京:國家電網(wǎng)公司，2012.

［16］陳安偉，董國倫，胡文堂.輸變電設(shè)備狀態(tài)檢修［M］.北京:中國電力出版社，2012.

(編輯:魏希輝)

Application of Disconnecting Circuit Breaker in New Generation Smart Substation

LI Jinbin1，2，RUAN Ling1，2，CHEN Jun1，2
(1.Hubei Electric Power Research Institute，Wuhan 430077，China; 2.Key Laboratory of High-voltage Field-test Technique of State Grid Corporation，Wuhan 430077，China)

Since the 1990s，the reliability of circuit breaker(CB)device increase greatly along with the continuous progress of CB technology，but the technical level of disconnector(DS)has stagnated.So，the new disconnecting circuit breaker(DCB)devices have been applied to the power grid.This paper studied the 110 kV DCB which was applied in Wuhan 110 kV Future City Substation，compared DCB with tradition CB and DS，and introduced the design idea，main characteristics and advantages of DCB.The technical features，application situations，and specific type test requirements of DCB were analyzed，through the research findings of DCB’s foreign application，type test and on-line monitoring status. The research results can provide reference and experience for the application and operation maintenance management of DCB in the new smart substations.

disconnecting circuit breaker;new generation smart substation;type test;on-line monitoring

TM 561

A

1000－7229(2014)01－0030－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.006［HT］

湖北省電力公司2013年智能電網(wǎng)專項(xiàng)研究項(xiàng)目(電司科信［2013］1號(hào))。

2013-07-05

2013-09-27

李勁彬(1988)，男，工學(xué)碩士，工程師，主要從事高壓開關(guān)技術(shù)和狀態(tài)評(píng)價(jià)方面的研究工作，Email:15994242536@126.com;

阮羚(1961)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，享受國務(wù)院特殊津貼專家，主要從事高電壓技術(shù)和狀態(tài)檢修技術(shù)方面的研究工作;

陳雋(1976)，男，碩士研究生，高級(jí)工程師，主要從事高壓開關(guān)設(shè)備試驗(yàn)和故障診斷技術(shù)方面的研究工作。