220kV GIS结构原理探析

（一）SF₆断路器的结构和工作原理

GSP_-245EH型气体断路器是一种紧凑和高性能的落地罐型断路器，为应用于气体绝缘的封闭开关电器GIS而设计。灭弧室是单向压气式（又叫喷气式），它利用了SF₆气体良好的绝缘性能和灭弧能力。此外，通过采用液压操作机构，使该断路器的结构简单、可靠性较高。

断路器由三相灭弧室、壳体和操作机构组成。每相灭弧室分别安装在充满SF₆气体且接地的壳体中，每相灭弧室与各自的液压操作机构相连，允许单相操作。GSP-245EH型气体断路器有如下特点：

1）体积小、重量轻。由于灭弧室的合理设计和液压操作机构的采用，GSP-245EH型SF₆断路器的体积小，重量轻，这就减少了GIS的安装空间和重量。

2）可靠性高。可靠性高来自两个主要方面：一个是灭弧室零部件数量少，结构简单；另一个是采用集成块式液压操作机构，机构外部无配油管，减少了泄漏点。

3）操作噪声低。高性能灭弧室和液压机构的采用减少了操作功，最大限度地降低了操作时发出的噪声。

4）易于安装和维护。此断路器具有重量轻和结构简单的特点，使安装和维护工作容易。

5）对地负载小。由于采用了操作功小的灭弧室和噪声低、结构紧凑的液压操作机构，从而使断路器对地面的负载很小。

1.灭弧室

（1）灭弧室的结构

如图6-4所示，每相灭弧室由一个静触头装配，一个动触头装配和一个压气室组成，在它们周围环绕着一个圆柱型绝缘子，这个圆柱型绝缘子用来支撑静触头装配，并且连接着动触头侧的支座，整个灭弧室又由另一个绝缘子支撑。

静触头装配包括一个静弧触头和一组静主触指（瓣形），前者定位于灭弧室的中心线上，后者装在静弧触头的外侧。

动触头装配包括一个动弧触头（瓣形），一个动主触头和一个喷口。动弧触头和动主触头分别装置在与其相对应的静弧触头和静主触头处的对侧，动触头装配与压气缸相连。

压气室是由可移动的压气缸和一个固定的压气活塞组成。压气缸通过一根操作拉杆和一根绝缘拉杆与各自的油-液压操作缸上的驱动杆相连。另外如上所述，压气缸与动触头装配相连，因此，动触头装配和压气缸通过液压操作缸一起被驱动。

（2）灭弧室的工作原理

1）断路器断开

①如图6-5所示，当给出分闸指令时，液压操作缸分闸侧的高压油排出，操作活塞被向上驱动（触头分闸方向）。

②加在活塞上的驱动力通过绝缘拉杆和操作杆传递给了动触头装配和压气缸，然后，动触头装配和压气缸被推向右侧。

图6-4 灭弧室的结构图

1—上盖 2—吸附剂筐 3—手孔盖 4—壳体末端支架 5—壳体顶端支架 6—静触头装配 7—动触头装配 8—压气室 9—圆柱形绝缘子 10—绝缘子 11—绝缘拉杆 12—液压操作缸 13—驱动杆 14—油泵单元 15—贮压器 16—操作单元A的盖板 17—支座

图6-5 真空灭弧室的工作原理

1—静弧触头 2—静主触头 3—动弧触头 4—动主触头 5—喷口 6—压气室 7—压气缸 8—活塞筒 9—操作杆 10—绝缘拉杆

③在每个灭弧室里，动主触头首先和静主触头分离，接着，动弧触头和静弧触头分离，然后电弧在弧触头之间产生。同时，压气室中的SF₆气体被压缩。

④压缩的SF₆气体沿着喷口吹向电弧，并且将电弧熄灭。

2）断路器闭合

①当给出合闸指令时，高压油流注到液压操作缸的分闸侧，操作活塞被向下驱动（触头合闸方向）。

②加在活塞上的驱动力通过绝缘拉杆和操作杆传递给了动触头装配。然后，驱动动触头装配向上移动。

③在每个灭弧室里，动弧触头首先和静弧触头闭合，接着，动主触头再与静主触头闭合。

2.液压操作机构

（1）液压操作机构的结构

液压操作机构的系统结构见图6-6。每一相有一个液压操作缸，一个油泵单元和一个贮压器。三个操作缸通过高压油驱动着各自的灭弧室。

每个操作缸由一个控制阀和一个阀块组成，阀块内有一个连接着驱动杆的液压操作活塞。控制阀由两个完全相同的分闸线圈中的一个或由一个合闸线圈来控制。

图6-6 液压机构（中相）图

1—辅助开关 2—连杆机构 3—油泵单元 4—加热器 5—电缆插接件 6—贮压器 7—油箱 8—气体监视器（复合表＋密度开关） 9—充气阀 10—可关闭阀门 11—操作计数器 12—位置指示器 13—油压表 14—油压开关 15—液压操作缸

操作缸单元装配有一个油泵单元、一个油压表、油压开关、一个油泵电机、一个排油阀（通常处于关闭状态）、一个泄压阀、一个通气孔盖、一个液压油泵、一个逆止阀和一个装在油箱侧面的油标，油过滤器安装在油箱里面。

对于每一相的辅助开关、分合闸指示器和操作计数器都通过连接机构与各自液压操作缸的驱动杆相连。液压操作机构的系统结构如图6-7所示。

图6-7 液压操作机构的系统结构（分闸位置）

1—操作缸 2—液压操作活塞 3—控制阀 4—传动杆 5—分合闸指示器 6—分闸线圈 7—合闸线圈 8—油泵单元 9—液压油泵 10—通气孔盖11—油标 12—油过滤器 13—泄压阀 14—排油阀（常闭状态） 15—贮压器 16—油压开关 17—油箱 18—油压表 19—油泵电机 20—逆止阀 21—灭弧室

（2）液压操作机构的控制回路（见图6-8）

SF₆气体断路器的控制回路由一个包括防跳继电器的合闸回路，双重跳闸回路，一个相差检测回路和一个在异常的气体状态及液体状态（不正常的压力降低）下用于报警和操作模块的保护回路所组成。相差检测回路由三相的常开触点和常闭触点通过串并联所构成，并通过一个时间继电器47T与跳闸回路相连使断路器（三相）在一定的时间延迟后同时开断。

（3）液压操作机构的工作原理（见图6-9）

1）分闸操作（图a→图b→图c）

图6-8 断路器控制回路

52T—差动开关 52Y—常闭辅助继电器 A1～A6—常态“a”触点 63QFX—液压开关分阀联锁 63GEX—SF₆气体密度开关的分阀/合阀联锁 47T—相差时间继电器 43RL—远控-近控开关选择 52C—合阀线圈 B1～B4—常态“b”触点 47X、47Y—相差辅助继电器 3-52—手动操作开关 Q_o—开关状态辅助节点 63QBF，63QBE—液压开关 63GBE—SF₆气体压力开关

图示液压操作缸处于合闸状态，分闸指令一给出，分闸线圈受电，控制阀向右移动，转换结束。操作缸中活塞上面的高压油被排出并流到油箱。然后液压操作活塞借助于操作缸中传动杆侧的高压油向上移动（分闸方向），传动杆侧的高压油由贮压器供给。此外，操作活塞的传动杆侧承受着常高压，此时活塞的上部与油箱相连，于是活塞稳定的保持在分闸位置。

2）合闸操作（图c→图d→图a）

图示液压操作缸处于分闸状态，合闸指令一给出，合闸线圈受电，控制阀向左移动，转换结束。高压油从贮压器流到操作缸中活塞的上部，此时操作缸中活塞的两侧都充有高压油。操作机构的工作原理为活塞压力差（差动式）原理，即活塞上侧的表面积大于传动杆侧的截面积，于是活塞向下移动（合闸方向）。借助于如上所说的压力差，于是活塞稳定的保持在合闸位置。

（4）防跳继电器（见图6-8）

气体断路器在合闸回路中有一个用防跳继电器构成的电气防跳系统。当合闸指令一给出，合闸线圈带电，执行合闸操作。在合闸操作过程中，闭合回路中的常闭触点断开，因此合闸线圈中的激励电流首先断开。接着由于常开触点闭合，防跳继电器52Y得电，因而闭合回路中52Y上的常闭触点断开，52Y上的常开触点闭合。所以在发出一个合闸指令后，防跳继电器继续保持带电状态。

在这个条件下，当发出一个分闸指令，分闸线圈带电，即便在此时合闸指令不断发出。

在分闸操作完成以后，即使继续发出合闸指令，合闸操作也不可能执行，因为防跳继电器52Y由于先前的合闸指令正通过自身的常开触点处于带电状态，而它的常闭触点在闭合回路中是断开的。这种状况将持续到合闸指令转换结束，以至于防跳继电器信号解除，它的常闭触点重新闭合后才会改变。

图6-9 液压操作机构的工作原理

图6-9 液压操作机构的工作原理（续）

1—操作缸 2—液压操作活塞 3—控制阀 4—传动杆 5—分合闸指示器 6—分闸线圈 7—合闸线圈 8—油泵单元 9—液压油泵 10—通气孔盖 11—油标 12—油过滤器 13—泄压阀 14—排油阀（常闭状态） 15—贮压器 16—油压开关 17—油箱 18—油压表 19—油泵电机 20—逆止阀

（5）手动操作（见图6-8）

在43RD转换到“近控”后，可以通过手动操作转换开关对断路器的三相进行分、合闸操作。

（6）异步保护装置（见图6-8）

对于异步保护装置，就是如果三相在合闸操作中不同步进行，那么三相在一定的时间延迟后分闸，具体如下。

1）在合闸操作中发生异步时，仅故障相的常闭触点保持在闭合状态，而正常相的常开触点都是闭合的。因而时间继电器47T得电。

2）在经过一段延迟时间后，通过时间继电器的作用，一个辅助继电器47X得电并闭合它自身的常开触点。

3）所有相的分闸线圈通过故障相的常闭触点和47X的常开触点得电，这些触点都是闭合的。然后所有相进行分闸操作。

表6-5示意了异步检测的标准延迟时间。对于单相高速自动重合闸的延迟时间，应长于在单相操作中为防止不可预测的自动跳闸等其他任务中的延迟时间。(www.xing528.com)

表6-5 异步检测的标准延迟时间

（7）液压操作系统的运行监视

液压操作的油压通过油压表来显示，且通过带有触点的油压开关来监视，如表6-6所示。

表6-6 气体压力表和油压开关的动作值

（二）隔离开关和接地开关的结构和工作原理

惠州LNG电厂的隔离开关和接地开关有两种，一种是由一个隔离开关和一个接地开关组合而成后封装在一个充有SF₆气体的接地壳体内。另外一种是快速接地开关，单独封装在接地壳体内。此外，隔离开关和接地开关都是分箱式结构，共用一台操作机构（包括连杆、杠杆），三相机械联动操作。通过装在设备壳体旁边的操作机构，既可以进行电动操作，也可以进行人力操作。

1.隔离开关和接地开关的结构及操作原理

图6-10表示出了电动操作机构的结构。操作机构的动作原理：电动机的高速转动通过齿轮减速，带动主轴驱动动触头移动。操作原理参见图6-11。

电机通过蜗杆D2和蜗轮D3减速以后，带动齿轮。由于蜗轮蜗杆运动传递的单向性，避免了主轴因蜗杆D2和蜗轮D3的受力（例：触头自重、触头震动、电动力等）而误动作。

齿轮D4接受来自齿轮D5的动力，带动伞形齿轮D6和D7以及主轴。

在隔离开关和接地开关处在“off”状态时，在滚轮两侧设置有可以分开的（仅当满足指定的闭锁逻辑关系时）保持掣子D10。保持掣子D10／E10的运动通过凸轮轴D13／E13闭锁。

释放线圈的铁心运动拨动凸轮轴D13／E13转动，而凸轮轴D13／E13和保持掣子D10／E10之间的机械约束被解除。保持掣子D10／E10处于无约束状态，因此，滚轮即可随齿轮D4的转动而转动。

齿轮D4的转动通过凸轮而转，为断续运动，以便操动辅助开关D20／E20，ON／OFF指示器D21／E21和操作计数器D22／E22。

合闸／分闸运动即将终了时，通过限位开关（DS ON：DM-15／DS OFF：DM-14／ES ON：EM-15／ES OFF：EM-14）断开电机控制回路。

滚轮与限位挡板D11（处在ON状态）或保持掣子D10／E10（处在OFF状态）接触，从而操作结束。

图6-10 （DLM／EBM型）隔离开关／接地开关用电动操作机构的结构图

D1—电机 D2—蜗杆 D3—蜗轮 D4、D5—齿轮 D6、D7—伞形齿轮 D8—主轴 D9—滑轮 D10／E10—保持掣子 D11—限位掣子 D12／E12—脱扣线圈 D13／E13—棘轮轴 D14／E14—限位开关a D15／E15—限位开关b D16／E16—限位开关c E17—链条 D18—凸轮 D19／E19—连接杆 D20／E20—辅助开关 D21／E21—ON／OFF指示器 D22／E22—操作计数器 D23／E23—手动操作轴 D24／ E24—手动操作手柄 D25／E25—开闭器片

图6-11 （DLM／EBM型）隔离开关／接地开关用电动操作机构的操作方式

2.快速接地开关的结构和操作原理

图6-12示出了电动储能弹簧操作机构的结构。

该操作机构是以这样的方式运行的：电机旋转使弹簧压缩至连杆的死点位置，而驱动动触头杆的主轴因连杆过死点，弹簧释放能量而高速旋转。操作程序见图6-13。

电机的高速旋转被齿轮箱减速，并通过一级传动离合器使螺旋弹簧储能。螺旋弹簧被压缩到死点，先储能然后释放能量。而主轴通过二级传动离合器和释放能量而快速旋转。

旋转的主轴带动辅助开关、操作计数器和ON／OFF指示器同时动作。

3.隔离开关和接地开关的手动操作方法

（1）隔离开关的手动操作方法（见图6-14）

（2）快速接地开关的手动操作方法（见图6-15）

图6-12 （EAP型）接地开关电动储能弹簧操作结构

1—电机 2—手动操作轴 3—链轮 4—齿轮箱 5—杠杆 6—凸轮（A） 7—凸轮（B） 8—连杆 9—螺旋弹簧 10—凸轮（C） 11—制动机构 12—主轴 13—倾倒器杠杆 14—倾倒器 15—ON／OFF指示器 16—操作计数器 17—辅助开关 18—手动操作手柄

图6-13 （EAP型）接地开关用电动储能弹簧操作机构的操作程序（按a.b.c.d的先后顺序）

（三）CT和PT

1.CT

套管式电流互感器属于CT的一种，它的二次绕组分布在一个环形铁心上，安装在断路器（GCB）上。CT可为操作仪器、仪表和保护继电器提供一种便捷的二次电流供应电源。CT有一个长的磁路，一次绕组仅一匝，通过断路器接地罩或接地外壳与一次绕组完全隔离，而CT本身的绝缘通过环形二次绕组来实现。

（1）CT的结构

CT的铁心使用低损耗、高磁导率和经定向粒化处理的冷轧硅钢片制成。铁心表面覆盖有绝缘保护层。然后绕上作为铁心绝缘的聚酯带，带有聚酯表层的磁线按正确的匝数紧绕在铁心上。如果绕制的二次绕组多于两层，则需要绕上聚酯带作为层间绝缘。然后把引线与分接头和绕组末端连接，接点处加装绝缘套来实现。最后在CT上绕上聚酯带作为外层绝缘，如图6-16所示。

（2）CT的极性与连接

图6-14 隔离开关的手动操作示意图

1—闩销 2—盖 3—开闭器 4—手柄 5—手动操作轴

CT端子的标识按照IEC-185推荐的标识系统进行，即一次端子用P1、P2等表示，二次端子用S1、S2等表示。具有相同数字下标的端子，在同一瞬间具有相同的极性，如端子P1和S1或P2和S2。

将CT引线与外部接线盒的对应端子连接起来。连接和检修时应注意下述几点：

1）使各引线绝缘，以防其与任何其他引线接触或与接地零件接触。在不干扰仪器正常工作的情况下，应使二次回路的一边接地。

2）CT运行时不得断开二次回路，否则会导致铁心持久饱和并且在二次回路上会产生危险的高电压。

3）二次端子必须接有负载或通过短路线闭合。

图6-15 快速接地开关的手动操作示意图

1—闩销 2—盖 3—开闭器 4—手柄 5—手动操作轴

2.PT

（1）PT的结构

如图6-17所示，PT的二次绕组绕在由硅钢片压制成的铁心的水平骨架上，一次绕组绕在二次绕组的外围。一次绕组是一个多层圆筒形绕线结构，层间通过塑料绝缘薄膜互相绝缘，一次绕组的高压末端与安装在盆式绝缘子上的一次接线端子相连。接地线通过套管从壳体处引出。铁心和一次绕组、二次绕组装在基座上的中心位置并用线夹箍紧。为了降低一次绕组和壳体之间产生的电场，采用了高压屏和接地屏。

二次引线通过壳体上气封的多头套管引出并进到二次接线端子盒中。只要一次绕组的中心轴保持水平，PT的方向可任意进行安装（垂直、水平或倒置）。

图6-16 CT结构示意图

1—铁心 2—绝缘保护层 3—铁心绝缘层 4—二次绕组引线 5—二次绕组（内层） 6—层间绝缘 7—二次绕组（外层） 8—外层绝缘 9—极性标志P

图6-17 气体绝缘PT结构图

1—铁心 2—二次绕组 3—一次绕组 4—一次绕组高压末端 5—盆式绝缘子 6—一次接线端 7—接地引线 8—壳体 9—高压屏 10—接地屏 11—盖板 12—线夹 13—二次引线 14—二次接线端子盒 15—接地端子 16—六氟化硫（SF₆）气体充气阀 17—安全标志、标签 18—爆破片

（2）PT运行中的注意事项

1）一次线圈的中性点在设备运行时应该接地。

2）在储存和运输过程中SF₆气体压力为0.02～0.05MPa。连接好管路以后，应按铭牌所指示的额定值要求充入SF₆气体。

3）管路连好之前，不要打开充气阀；连接好之后气阀处于常开状态。

4）除了二次接线盒的盖板、低压端子和接地端子上的螺钉和螺帽外，不要松动别的螺钉和螺帽，因为高压气体将会从壳体中泄露出来。

5）不要短接PT单元的二次线路。