HD4型SF6断路器的特点介绍

傅伟群

摘 要：文章对HD4型SF6断路器研制发展状况进行了描述，HD4型SF6断路器在电网中是较重要的组成部分，HD4型SF6断路器的可靠性对电网稳定运行有着重要的影响。文章以HD4型SF6断路器作为分析目标，讨论了高压SF6断路器可靠性研究的各种性能，详细介绍其机械防跳工作原理、合分闸回路结构特点及回路监视的实现可能性。

关键词：HD4型SF6断路器；可靠性；性能；机械防跳；合分闸回路结构

中图分类号：TM561 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）23-0127-02

1 ABB公司简介

ABB自1992年以成立其合资企业-厦门ABB开关有限公司形式全面进入中国的中压开关领域以来，一直着眼于中压小型手车式真空断路器的推广工作，并已占据中国中压产品元件高端市场的大部分份额。

随着在中国中压产品市场的深入，ABB亦已引进推广其最成熟的SF6断路器来满足用户的不同需求。

ABB首先是从ABB意大利SACE公司引进HA系列12 kV SF6断路器，提供给中国部分特殊行业应用领域（如特种钢铁电锅炉和焦化企业等），又在配合其对40.5 kV ZS3.2型铠装式开关柜在上海电力系统的推广在SACE研制出HD4型40.5 kV SF6断路器，最终ABB从SACE提供了针对中国市场满足GB标准的HD4型3～40.5 kV各电压等级全系列SF6断路器。

同ABB德国Calor Emag公司研制的VD4型真空断路器一样，ABB意大利SACE公司研制的HD4型SF6断路器在不同电压等级、额定电流和开断电流均具有统一的ESH型操作机构和内部二次元件，并与VD4型真空断路器具备一致的外形尺寸以实现其互换性。本文就HD4型SF6断路器的若干新特点加以详细介绍。

2 机械防跳工作原理

通常在设计各种断路器的时候，都会在断路器本身添加合闸防跳回路，合闸防跳回路能够有效对断路器在合闸电压长时间保持以及来自继电保护的跳闸信号同时存在等情况做到有效预防。如在线路有故障时，电路非正常状态下进行合闸，此种情况可能会造成断路器反复合分闸，对断路器有一定的损坏。通常对合闸防跳回路设计师一般会采用防跳继电器，以HD4型SF6断路器为例，如图1所示，防跳继电器K0的常开接点串联在合闸电气回路中，当HD4型SF6断路器在合闸的时候，防跳继电器K0会产生吸合并通过自保持作用使回路保持吸合状态，串联在合闸电气回路中的K0常闭接点将合闸回路断开。合闸电压消失后，防跳继电器K0恢复原状态。

HD4型SF6断路器的合闸防跳回路的设计有其独特性，HD4型SF6断路器没有单独的防跳继电器，断路器的防跳功能是通过合闸脱扣器YC线圈来实现。在合闸线圈受电的时候，会导致其铁芯励磁吸合，并能够驱动连杆，使连杆推动合闸脱扣板，合闸弹簧随着合闸脱扣板的推动释放能量，完成合闸操作。此时，该连杆即与合闸脱扣板处于解扣状态。仅当外部合闸指令消失之后，该连杆和合闸脱扣板才能够复位。若合闸脉冲指令因为故障处于自保持状态时，合闸线圈铁芯励磁而长时保持吸合，合闸连杆与合闸脱扣板将始终处于解扣状态，故即使随后断路器分闸且合闸弹簧已储能，也无法使合闸弹簧释放能量，就无法完成第二次合闸。

实践证明，该断路器本体上的机械防跳功能优于电气防跳功能，是极其有效和可靠的。传统的电流起动并电压自保的TBJ电气防跳继电器不再需要。这样，合闸回路不再存在常闭型接点，断路器合闸的可靠性大为提高。

3 合闸回路的结构特点

合闸闭锁条件为作用于合闸闭锁电磁铁，而该电磁铁对合闸线圈的作用亦是通过机械连杆实现的。在合闸线圈回路不再串联任何辅助接点，而设有电子防护回路，通过电子防护回路表现为合闸前后线圈阻抗的切换变化。

HD4型SF6断路器是一种手车式断路器，HD4型SF6断路器在合闸有会有一定的条件。如想要将断路器手车从试验位置转向到断路器手车位置之后，则需要对动、静触头有一定的要求，必须要求其在完全可靠接触的情况下才允许合闸，如果不能保证动、静触头能够完全可靠接触必须加以闭锁，以防对触头烧毁产生破坏。另外，必须保障弹簧已储能时才可以合闸，不然也必须加以闭锁。HD4型SF6断路器是一种常见的手车式断路器，以HD4型SF6断路器为例，如图1所示，HD4型SF6断路器利用手车试验的位置、运行的位置2和付限位开关S9、S8共同来实现对合闸闭锁电磁铁Y1的控制，闭锁电磁铁Y1对辅助接点S2实现联动，辅助接点S2串联在合闸回路当中。如果HD4型SF6断路器手车从试验位置推向运行位置不到位，辅助接点S2将不能闭合而导致合闸回路不通，从而使断路器无法合闸。

在接到合闸指令的0～200 ms时间间隔内，其线圈功率输出为250 W。充分满足合闸操作机构需求之冲击功率，其后，该电子保护回路自动改变其输出功率，使满足合闸铁芯保持在吸合状态所需之功率，约为5 W左右，即将合闸线圈回路的电流限制在20 mA（220 V）或40 mA（110 V）左右。合闸回路的电流波形图，如图2所示。因此，即使合闸出口接点长期吸合或由其出口接点切断，其电流总被抑制在20 mA（220 V）或40 mA（110 V）左右。如此低的功耗，既不会烧合闸出口继电器的接点、也不会烧断路器的合闸线圈。这是HD4型断路器先进而独到之处。为了防止烧毁合闸出口中间继电器的接点，要求该接点具有最短闭合时间不少于250 ms。断路器主触头的标准合闸时间为43～55 ms。

第一峰： 1.31 A 11.5 ms

第二峰： 1.69 A 43 ms

保持电流： 38 mA 194.3 ms

4 分闸回路的结构特点

分闸线圈回路中串有断路器常开型辅助接点，其线圈的消耗功率约为125 W。当未串入断路器常开辅助接点时，其跳闸回路的电流波形图，如图3所示。从图中可见跳闸线圈的功率是不变的。断路器分闸后由其辅助接点自动切断跳闸电流。其切断时间较主触头慢约2～3 ms（断路器主触头的标准分闸时间为36～40 ms）。防止跳闸出口接点先于此时间切断、拉弧而被烧毁，要求跳间出口接点的最短闭合时间大于100 ms或者其断弧能力大于跳闸功率。

第一峰： 0.62 A 11.7 ms

第二峰： 0.78 A 47.7 ms

注：测量时跳闸线圈未串入断路器的常开接点

ABB的REF54_系列继电器既满足最短闭合时间的相关要求、又满足断弧功率。跳闸回路无需采用跳闸电流自保持 （TBJ）结线，这样跳闸回路简单而可靠。跳闸线圈能获得最大的全功率、以及跳闸电流快速上升，提高了断路器跳闸的可靠性。

5 对分、合闸回路完整性监视装置的要求

我国国内在生产高压试验的仪器与试验设备方面已经有了很大的改进，现在高压试验的仪器与试验设备逐渐向微机化和数字化发展，工作效率上得到了很大的提高。

①分闸线圈Y01的阻抗为460 ohm（220 V）或130 ohm（110 V），建议回路监视限制在20 mA以下。

②合闸线圈YC在合闸0～200 ms的时间间隔内其瞬间功率为250 W，阻抗为200 ohm（220 V）或57 ohm（110 V）；在>200 ms长时运行的功率为5 W，阻抗为14 400 ohm（220 V）或2 900 ohm（110 V），为避免合闸线圈长期励磁（合闸脱扣板不能复位）而导致不能正常合闸。回路的监视电流必须限制在10 mA（220 V）或20 mA（110 V）以下。

③综合①、②所述的要求，再经过试验测试，国产常规采用的HWJ和TWJ回路监视继电器、信号灯或电压型中间继电器已无法实现与HD4合分闸回路有效匹配。

采用ABB的SPER1系列单独的回路监视继电器或ABB REX、REF等系列综合测控保护装置，这些监视继电器都基于恒流源动作原理，能适用于HD4型SF6断路器的分、合闸回路监视。恒流源产生于其监视回路的出口两端，监视电流极小约为1.5～2 mA（DC 110 V或220 V） 。

④断路器辅助接点与主开关的动作时序，如图4所示，HD4设计结构上的先进性使得其辅助接点反应时效优于VD4真空断路器（约20 mA）。

主开关分闸时，常开接点滞后主开关2 ms；主开关合闸时，常开接点滞后主开关2 ms，常闭接点滞后4 ms。

6 其他性能

HD4型SF6断路器以SF6气体作为灭弧和绝缘介质，当在110 kV及以上高压环境中时，HD4型SF6断路器使用的是自能式热膨胀结合压力助吹灭弧的先进技术，使用这项先进的技术能保证断路器开断时电流逐渐熄灭（在电流第一次过零时熄灭），能够保证工作电路中不会出现截流和重燃现象，在对设备的操作过程中不会出现过电压现象。HD4型SF6断路器设置有SF6低压报警设备和低压闭锁输出接点（但不配SF6密度表），HD4型SF6断路器的灭弧室部分是永久免费维护的密封系统。

现在国内外出现了多种断路器，一般断路器使用时需要利用提供弹簧储能状态等输出接点，HD4型SF6断路器从意大利ABB公司原装进口的产品，HD4型SF6断路器不能够达到弹簧储能状态输出接点。所以在HD4型SF6断路器运到现场之后，会通过一定的方式来解决这个缺陷：

将弹簧储能电动机限位开关S33M的一对空闲接点3、4利用起来，用导线引至断路器航空插座43#、44#空闲插针位置，通过航空插座线将S33M的接点3、4引出断路器接上开关柜端子排，作为弹簧储能状态输出接点使用。

7 结 语

通过以上对HD4型SF6断路器的实例以分析和由将HD4型SF6断路器与其他类型的断路器的对比可看出，在合闸闭锁回路、合闸防跳回路等功能的实现上HD4型SF6断路器有着明显技术特点和优越的产品性能。HD4型SF6断路器装配有齐全的机械和完整的电气闭锁装置，使其能够配合着开关柜内其他联锁装置一起使用。这种运行方式既能够避免断路器在非正常状态下运行，也能够对操作人员误操作带来的损坏有一定的预防作用，能够确保操作人员的人身和试验设备的安全。

参考文献：

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[3] 甄利.35 kV断路器运行可靠性分析及选型研究[D].保定：华北电力大学，2009.