快速真空断路器与自由脱扣

关键词　主备电源　快速转换装置　分合闸 1　概述 　　车站电气集中及区间自动闭塞等铁路信号设备，都需要可靠的电源。目前采用高压线路主备电源快速转换装置是解决主备电源转换时间长而影响信号供电的有效办法。在快速转换装置中，快速真空断路器做为信号高压电源开断和关合的保护开关。 　　根据铁路信号规程规定，铁路信号电源瞬间断电时间应小于0.15s，应由主电源快速转换到备用电源供电，以保证信号设备正常工作。 　　通常采用的不同型号少油断路器，行程大、动作时间长，根本无法满足信号电源快速备用自投的要求。真空断路器触头开距小，如10kV电压等级的真空断路器的触头开距为10～12mm。电磁操作机构的动作较快，一般的ZN3或ZN4型真空断路器的合闸时间和固有分闸时间皆在0.06s以下。但这仍不能满足铁路信号主备电源转换的要求。快速转换装置中的ZN3-10K/600-150型快速真空断路器的合闸时间≯0.035s，固分时间≯0.035s，可见此种快速真空断路器的动作时间比少油断路器及一般配电用的真空断路器的动作时间有了较大幅度的缩短。再加上通过对继电保护、合闸控制回路二个环节动作时间的压缩，最终达到0.15s以内实现主备电源快速转换的目的。 　　由于断路器的全部使命是由触头的合分动作去完成所承担的任务，而合分动作又是通过断路器的操作机构的运动来实现的。因而高压断路器的技术性能和工作可靠程度与操作机构的性能有着极密切的关系。为完成断路器所承担的任务，对操作机构不论它是哪种结构型式，对它的主要要求有以下几点： 　　(1)有足够的关合能力，并且能可靠地合闸； 　　(2)能可靠地分闸； 　　(3)复位； 　　(4)防跳跃与自由脱扣； 　　(5)连锁。 　　对于快速真空断路器而言，它的操作机构为了能使断路器正常工作，对于上述第1、2、3、5项要求是必须满足的。但是由于它的快速特点，对第4项要求即防跳跃与自由脱扣将出现不同于一般断路器操作机构要求的情况。下面就此进行分析。 2　断路器的操作机构及自由脱扣装置 　　不同型式的断路器，由于传动方式及机构荷重不同，则需要配合不同型式的操作机构。图1示出了常用的CD2型操作机构工作过程示意图。 图1　CD2型操作机构工作过程示意图 (a)跳闸位置(准备合闸状态)；(b)合闸过程中；(c)合闸位置(铁芯已下落)；(d)跳闸过程中。 1—主轴；2—搭钩；3—合闸铁芯；4—跳闸铁芯；5—滚子；6—支杆；7、8、9、10、11、12—连杆。 　　所谓自由脱扣，即断路器在合闸过程中，若操作机构又接到分闸指令，则不应继续执行合闸指令而应立即分闸。为了实现此目的，操作机构在设计时增加了一些必要的零件，这些零件一般称之为自由脱扣装置。但它们一般是不能独立于机构整体的，其示意图如图2所示。 图2　操作机构在自由脱扣位置示意图 1—主轴；2—搭钩；3—合闸铁芯(在顶起位置)； 4—跳闸铁芯(在跳闸过程中)。 　　如果断路器合闸在故障线路上，则由于继电保护装置在合闸铁芯尚未落下前已动作，断路器跳闸，以致使断路器操作机构处于自由脱扣位置。此时合闸铁芯3处于顶起位置，而带滚子的轴O2则由于跳闸铁芯4动作，却落在合闸铁芯3的下部而不受它的控制，所以即使控制开关仍在合闸位置，使合闸线圈回路保持接通，但带滚子的轴O2也不会再被顶上来，因此不会造成再次合闸。这个过程就是断路器的动触头在没有关合到底时，就可以实现分闸。从理论上讲，对具有自由脱扣功能的操作机构，无论动触头关合到任何位置上，只要接到分闸命令，断路器即能分闸。但是实际上也并不要求断路器在合闸的全过程中都能自由脱扣，对有些主触头开距较大的断路器，如少油断路器，只要在合闸前一定的行程距离内能自由脱扣即可。而对于没有自由脱扣的断路器必须等动触头关合到底时才能分闸。 3　断路器的跳跃与防跳 当断路器接受合闸命令，关合到预伏短路故障时，在继电保护作用下，断路器迅速分闸。但是如果此时合闸指令还没有解除(如合闸转换开关未复位、继电器未复位等情况下)，断路器会连续发生合分动作，这个现象称为跳跃。断路器在跳跃过程中，由于连续合分的短路电流会造成开关触头严重烧损，致使断路器的分断能力下降。如油断路器，由于油温迅速上升，可能引起爆炸的严重后果。为了使断路器关合短路又能迅速分闸，即使合闸指令没有解除，断路器也不再合闸，因而采用防跳装置来达到此目的。防跳跃可以采用机械的或电的方法来实现。而断路器的操作机构带自由脱扣装置的主要目的就是为了防跳。 　　一般的断路器由于合闸时间较长，以ZN10-10Ⅰ、Ⅱ型少油断路器为例，当分别配用CD10-Ⅰ、Ⅱ型电磁操作机构时(此型机构带自由脱扣)，按技术条件规定，合闸时间≯0.2s，固分时间≯0.06s。而实测合闸时间一般为0.15s左右，固分时间在0.05s左右。由于合闸时间较长，当断路器关合到有短路故障的线路时，继电保护时间加上断路器的固分时间较合闸时间短得多，因而可以在断路器动触头未关合到底前就分闸，达到自由脱扣的目的，起到保护作用。 　　真空断路器以ZN3-10/600-150型与ZN4-10/1000-16型为例，开关动作时间列于表1。 表1　开关动作时间 真空断路器 型号 技术条件规定参数 实际测量数据 合闸时间 /s 固有分闸 时间/s 合闸时间 /s 固有分闸 时间/s ZN3-10/ 600-150 ≯0.1 ≯0.05 0.05 ～0.06 0.04 ～0.05 ZN4-10/ 1000-16 ≯0.1 ≯0.05 — — 　　从表1所列的开关动作时间可以看出，由于开关合闸时间与继电保护动作时间加上固分时间之和相比相差很小，再加上其他原因，当真空断路器合闸于短路故障线路时，其动触头距离很小时，间隙被击穿，主回路导通，短路电流使继电保护动作，发布分闸命令直到分闸为止。由于开关合闸动作先于继电保护动作，因此开关将关合一次短路，而不能实现合闸过程中的分闸，即自由脱扣不起作用。 　　对于快速真空断路器，为了确保信号高压主备电源转换时间小于0.15s，开关的动作时间更短。现把ZN3-10K/600-150型快速真空断路器动作时间列于表2。在电动操作时，机构装设自由脱扣装置能否起到预期的防跳目的，不妨先作一下分析：图3示出了ZN3-10K/600-150型快速真空断路器动作时间示波图。 表2　快速真空断路器动作时间 真空断路器 型号 技术条件规定参数 实际测量数据 合闸时间 /s 固有分闸 时间/s 合闸时间 /s 固有分闸 时间/s ZN3-10K/ 600-150 0.035 0.035 ≯0.035 ≯0.035 图3　ZN3-10K/600-150型快速真空断路器 　　　动作时间的波形图 　　 　　 　　快速真空断路器动作过程如下：假定当合闸转换开关合上，发出合闸命令后没有很快复位，经断路器辅助开关常闭接点的合闸接触器线圈电路受电，合闸接触器HC触头经一定时间后闭合，断路器合闸线圈通电，经不大于35ms的合闸时间，开关主触头闭合。在合闸过程中断路器的辅助开关常闭接点经t1时间断开，常开接点经t2时间闭合，此时直空断路器上的分闸回路接通，一旦分闸命令发出，断路器即可执行分闸。当断路器合闸有短路故障的线路时，主触头闭合，线路中流有短路电流，达到整定值时，继电保护动作，发出分闸命令，此时断路器立即开始分闸动作，使断路器分闸，同时由于合闸命令没有解除。从图上可以看出，断路器分闸动作始终落后于合闸动作，在短路故障没有消除情况下，断路器将重复合分动作，即发生跳跃现象。假如此断路器装设了自由脱扣装置，而自由脱扣装置必须由分闸铁芯运动的力作用下，使它动作才能起到在合闸过程中的分闸，即自由脱扣。由于分闸动作的开始至少落后于合闸动作t2秒时间以上，因此当自由脱扣装置还未完成它的全部运动过程，断路器触头已经合闸完毕。所以实际上并没有实现自由脱扣，而是与没有带自由脱扣装置情况下相同。 　　由上述过程分析，可以初步判断，采用自由脱扣这种机械防跳装置在快速真空断路器上来实现防跳目的是比较困难的，而采用电的防跳方法却可以收到预期的效果。目前常采用增加一个闭锁继电器的方法来构成电气防跳控制回路的。图4示出了快速真空断路器手动合闸与备供自投的防跳闭锁回路。 图4　防跳闭锁回路 　　备用自投的防跳：当本所备供时，自投选择开关BK处于投入位置，转换开关KK处于分闸、分后位置，这时BK(5)～(7)、KK(22)～(24)接通，做好防跳准备。当线路故障邻所跳闸，本所备供自投。如果线路故障仍没消除，则本所立即分闸，TBJ防跳继电器电流线圈启动，其自保持回路通过KK(22)～(24)—BK(5)～(7)—TBJ3—TBJ1—TBJ电压线圈—KM达到自保持，TBJ4断开合闸回路，防止了合闸重新动作。 　　同样手动合闸操动KK(5)～(8)或发生KK(5)～(8)接点粘联而接通于线路故障情况下，真空断路器合闸后又分闸，TBJ电流线圈受电而接通防跳自保持回路，TBJ4断开了合闸回路，起到了防跳目的。 　　断路器的分合闸位置连锁也可保证操作机构的动作可靠，通常采用辅助开关的常开常闭接点来实现的。其目的是使断路器在合闸位置时不能进行合闸操作，在分闸位置时不能进行分闸操作。从图4可以看出，当断路器处于合闸位置，合K(5)～(8)，由于辅助开关常闭接点DL1处于断开，合闸接触器HC不受电，故不能合闸。同样，当断路器处于分闸位置，合KK(6)～(7)，由于DL2断开，电路不导通，不能分闸。这样就可以使断路器分合闸位置上连锁。由于连锁作用，从图3可以看出，断路器必须在t2时间后才能开始执行分闸命令，而此时由于(t2+t3+断路器分闸动作时间)大于断路器合闸时间，所以快速真空断路器不可能在合闸过程中分闸，而达到利用自由脱扣防跳的目的。 　　从上述几种情况的分析看，要利用机构中自由脱扣装置来达到快速真空断路器合闸于短路故障中的防跳是做不到的。我们从安装在各铁路局配电所中的100多台不带自由脱扣装置的和30余台带自由脱扣装置的快速真空断路器的运行中，也充分验证了上述分析。从运行可靠、维护调试方便上考虑，采用不带自由脱扣机构的快速真空断路器受到运行单位的欢迎。