重合器

重合器

1.1. 重合器的功能及特点

交流高压自动重合器简称重合器，是一种自具控制及保护功能的高压开关设备。它能够按照预定的开断和重合顺序在交流线路中自动进行开断和重合操作，并在其后自动复位和闭锁。所谓“自具”，即本身具备故障电流（包括过流及接地电流）检测、操作顺序控制和执行功能，无需附加继电保护装置和提供操作电源。该设备适合于户外和野外安装。

设有如图2–1（a）所示的放射式树枝状配电网，图2–1（b）示出了重合器与熔断器的时间电流（t–I）特性曲线配合示意图。图中，A为重合器快速动作时间–电流曲线，B、C为重合器慢速动作时间–电流特性曲线。慢速动作相对于快速动作而言，是指在同一电流下，作一定延时后再动作。通常慢速动作特性曲线有多条或一簇，图中只示意性画出B、C两条，使用时可视需要，整定在某一条。与重合器配合的熔断器t–I特性曲线带r1、r2应位于重合器瞬间动作特性曲线（即快速动作特性曲线）与延时特性曲线（即慢速动作特性曲线）之间。在图2–1（b）中，若重合器的慢速动作特性选择为B，则配合范围为I1到I2。在事故发生后，若故障电流达到重合器最小跳闸电流，重合器可按预先整定的动作顺序作多次合、分循环操作。例如“一快二慢”、“二快二慢”、“一快三慢”等。这里的“快”，即按快速动作时间–电流特性（瞬时特性）跳闸；“慢”，即按某一条慢速动作时间–电流特性（延时特性）跳闸。循环动作后，若重合失败，重合器将闭锁在分闸状态，需手动复位后才能解除闭锁。若循环动作中无论哪一次重合成功（即故障消除），则终止后续的分、合动作，经一定的时延后又恢复到预先整定的状态，为下一次的故障到来作好准备。图2–1（c）为重合器循环动作的示意图。图中时间段t3、t5、t7为重合时间（对应于慢速动作特性），t2、t4、t6为重合间隔时间。实线表示一次瞬时跳闸后三次重合不成功而闭锁在分闸状态。虚线表示第二次重合成功后，重合器终止后续的分合动作而流过正常负荷电流。t1

为故障发生后无任何有意时延的跳闸时间。设图2–1（a）中QR3整定为“一快一慢”，QR2整定为“一快二慢”，QR1整定为“一快三慢”，在相同的故障电流下，QR1，QR2，QR3同时动作或前级不先于后级而动作。又设所有熔断器都选择得当，即熔断器负荷侧故障时其熔断特性位于相邻的电源侧重合器瞬时曲线与延时曲线之间。还假定QR1、QR2、QR3的快速动作特性、最小跳闸电流、重合间隔时间都整定得相同，断路器QF的跳闸电流及动作时间比个各重合器都大，那么：

若b处发生瞬时故障，则QR1瞬时跳闸，于第一次重合后恢复全线正常供电。若f处发生瞬时故障，则QR1、QR2、QR3都瞬时跳闸，由于FU4在瞬时故障期间不会熔断，因此当各重合器第一次重合后即恢复全线正常供电。其余各处瞬时故障同样仅在电源侧各重合器瞬时跳闸一次后重合成功。所谓瞬时故障，是指分闸再重合后已消除的故障。

若发生永久性故障，设故障发生在f处，QR1、QR2、QR3先瞬时跳闸一次，然后在重合后的延时跳闸期间FU4熔断，故障被切除，故障切除后因线路电流恢复正常而所有重合器不再跳闸，保持了除f外处的各处供电。设故障发生在d处，则QR3在一次瞬时动作，一次重合并延时分闸后即闭锁在分闸状态，而此时QR1、QR2的动作情况是一次瞬时动作，二次重合，并于第二次重合时因QR3已断开而恢复供电至QR3的电源侧。设故障发生在c处，同理QR2在第二次延时跳闸后闭锁，QR1则在第三次重合成功。QF则由于跳闸时间和跳闸电流都未达到其整定值而不动作。若故障发生在b处，则QR1在第三次延时分闸后闭锁。若故障发生在e处，QR2、QR3不动作，仅QR1一次瞬时跳闸并重合后FU1熔断而将故障切除。同理，可推知其它各处故障情况下的动作情况。

图2–1 重合器的功能及特点示意图

（a）放射式配电网；

（b）重合器与熔断器t–I特性曲线配合示意图；

（c）重合器循环动作示意图。

从以上的分析可以看出，正是为了自动判断故障所在地才需要重合器多次重合。我们以后将会看到，重合器与各类分段器的配合更能体现这一点。需要指出的是，上例中各重合器的动作情况是在已设定条件下所确定的，对电子控制的重合器，若QR1、QR2、QR3

的延时曲线选择不同，最小跳闸电流选择不同，或线路中有分段器等其它装置，就会有不同的重合次数和配合动作情况。

从上例我们还可以看出，重合器的“智能”程度比断路器要高得多，而二者之间存在的诸多不同之处主要表现在以下几个方面：

（1）作用不同。对重合器强调的是识别故障所在地，而对断路器强调的是短路故障的切除。前者强调开断、重合操作顺序、复位和闭锁；而后者仅强调开断和关合。

（2）结构不同。重合器的结构由灭弧室、操作机构、控制系统和高压合闸线圈（某些早期小容量产品除外）等四部分组成；而断路器通常仅由灭弧室和操作机构两部分组成。

（3）控制方式不同。重合器是自具控制设备、检测、控制、操作自成体系，在设计上是统一考虑的，无需附加装置；而断路器与其控制系统在设计上往往是分别考虑的，其操作电源亦需另外提供。

（4）开断特性不同。重合器的开断具有反时限特性，以便与熔断器的时间–电流特性相配合。所谓双时性，即重合器的时间–电流特性有快、慢之分。而断路器所配继电保护装置虽有定时限与反时限之分，但无双时性。一般继电保护常用的速断与过流保护，也有不同的开断时延，但这种时延只与保护范围有关，一种故障电流对应一种开断时间，故与重合器同一故障电流下可对应两种开断时间的双时性是不同的。

（5）操作顺序不同。不同重合器的闭锁操作次数、分闸快慢、重合间隔等一般都不同，其典型的“四分三合”顺序如图2–1（c）所示，但依使用地点及前后配合的开关设备的不同可出现“二快二慢”、“一快二慢”等各种不同的操作情况；而断路器的循环操作顺序

常由标准统一规定，如分–0.5s–合分–180s–合分。

（6）开断能力的意义不同。同样额定开断电流的重合器和断路器，是用不同的试验条件和试验程序来考核的，前者比后者苛刻。

（7）使用地点不同。重合器既可安装于变电站内，也可安装在荒郊野外的柱上；而断路器因受操作电源和继电保护装置的，只能安装在变电站内。

1.2. 重合器的品种及典型结构

重合器按相数分有单相、三相，按控制方式分有液压（机械）、电子，按灭弧介质分有油、SF6、真空，按安装方式的不同还有柱上、地面、地下之分。由于最早的重合器是油重合器，其它各式各类的重合器都由油重合器发展而来，且绝缘和灭弧介质的不同不改变重合器的功能，因而下面主要以液压控制的油重合器为例，对实现其功能的主要组成部件予以阐述。

（一）单相及三相重合器的典型结构

1.单相重合器的典型结构

单相重合器用来保护单相线路，也可用于长期只有单相负荷的三相线路（中性点有效接地系统）。当发生单相永久性接地故障时，可仅将故障相重合器进行分闸闭锁而其余两相可依然正常运行。在单相负荷多的农村，尤其是那些采用中性点多点接地的三相四线制线路的国家（如美国）应用单相重合器较多，有其经济、灵活的一面。

在单相油重合器中，并联保护间隙用于保护串联脱扣线圈免遭雷电危害，隔板位于串

联脱扣线圈和灭弧室之间，以防线圈受到电弧的伤害。单相油重合器的液压控制、计数原理及结构与下面介绍的三相液压油重合器类似，在此不多述。

2. 三相重合器的典型结构

典型的产品有美国Cooper公司的RX型三相液压油重合器，我国已有类似结构的产品。重合器的防雨罩下有一个手动操作柄，当把手柄提起来时，它使重合器内部的合闸接触器触头闭合，使合闸线圈励磁，合上主触头。完成合闸操作后，接触器触头又打开。防雨罩下还设有不重合杆、触头位置指示器和操作计数器，若拉下不重合杆，在第一次跳闸操作后就能闭锁，而与整定的闭锁操作次数无关。熔断器的作用是防止合闸线圈短路时危及系统安全。检测故障的串联脱扣线圈与主触头串联，能承载线路的额定电流。最小动作电流为其额定电流的2倍。延时装置每相一个。当脱扣线圈铁芯连杆挂住延时臂右端的销钉，线圈铁芯的行程就受到延时机构的束缚。延时装置内充有特殊的油，右部的活塞向下运动时，活塞下面腔体内的油压升高。左侧有两个泄油通道、小电流定时阀和弹簧承载阀。小电流定时阀阀杆上有一条槽，在最小脱扣电流作用下，由这条槽提供活塞走完一定行程所需的泄油时间，即时间–电流特性的起点（与最小脱扣电流相对应）。当故障电流增大时，脱扣线圈铁芯连杆的拉力增加，活塞腔的油压也随之增加，通过小电流定时阀的油量也略有增加，同时，弹簧承载阀在压力油的作用下流过的油量随油压的增大而有较大的增加，使脱扣线圈铁芯连杆下移的时间缩短，跳闸操作相应加快，调整弹簧承载阀内弹簧的压力可以改变特性曲线的陡度。

重合器的灭弧原理及绝缘结构与通常的多油断路器差别不大，多采用自动吹弧的横吹灭弧室。美国Cooper公司的RX型三相液压油重合器为双断口桥式动触头；而英国雷诺（Reyrolle）公司的OYT型油重合器每相单断口，同样是沿袭该公司的油断路器灭弧室结构。

重合器和断路器相比的另一不同之处是自具接地故障保护。因为在有些系统中接地电流很小，除串联脱扣线圈作相间故障保护外，还必须加装的用作检测接地故障的互感器及继电器。在电子控制的SF6重合器和真空重合器中无串联脱扣线圈，相间故障及接地故障的检测都是靠来自互感器的信号。互感器、接地故障继电器、串联分闸线圈、合闸线圈与主回路间的电气接线如图2–2所示。各种重合器组件间的电气接线虽有差别，但差别不大，合闸线圈一定在主触头的电源侧、直接工作在高压状态，且属瞬时性通电，这些都是共性的。此外，有些小容量的重合器，触头关合靠储能弹簧完成，而弹簧的储能是在过流分闸的过程中，由串联线圈铁芯的运动来实现的。

图2–2 重合器各组件间的电气接线图

1—接地故障保护用电流互感器；2—灵敏电阻；3—接地故障继电器；4—串联过流分闸线圈；5—合闸线圈；6—主动触头；7—重合器合闸后立即分断合闸电路的辅助触点A。

3.真空重合器的典型结构

典型的产品有美国Cooper公司的KFE型真空重合器，该重合器堪称原美国爱迪生公司50年重合器制造技术的集大成。它具有以下优点：

（1）无需外接电源或电池提供操作及电子线路运行的能源。该能源完全从系统获取。合闸线圈的能源同油重合器一样直接取自高压线路，分闸磁铁靠脱扣电容器储能提供，而电容器储能是借助与合闸线圈相耦合的充电线圈在合闸线圈通电的过程中获得。因为分闸磁铁在合闸过程中被置于吸持位置后靠一永久磁铁操持，分闸过程只需储能电容器的放电电流在分闸磁铁中产生的磁场和永磁方向相反，使总的合成磁场瞬时近似为零，衔铁就会被所压缩的弹簧作用下释放，而使重合器的分闸弹簧解扣，因而该重合器的分闸启动只需很低的能量。分闸弹簧、合闸铁芯返回弹簧也都是在合闸过程中储能的，而电子控制器的运行能源及信号检测来自6只1000﹕1的套管式电流互感器。可见该重合器有彻底的无需外接电源就能自动工作的自具能力。

（2）将真空灭弧室置于封闭的油罐中，既免除了油灭弧室检修频繁的麻烦，又解决了真空灭弧室外绝缘不足的棘手问题。该重合器结构紧凑，与油重合器相比，体积减少21%，重量减少24%；不足之处是合闸磁铁线圈开断灭弧仍有赖于油，对油仍有一定的劣化作用。

（3）采用液压–机械–电子的混合控制与时序机构，既承袭了油重合器操作简便可靠的诸多优点，又拓宽了其慢速动作电流–时间特性的整定调节范围，使之适应性更强。

（二）液压重合器的时序控制原理

液压重合器的时序机构完成排序及定值都与机械件或液压件的配合分不开，有的液压

件多些，有的机械件多些。美国原爱迪生公司的产品，用液压泵与有关的凸轮、连杆配合达到排序调节操作的次数和完成合闸闭锁。当分闸铁芯向下移动时，带动分闸铁芯活塞也向下移动，压缩分闸铁芯复归弹簧，并迫使分闸活塞室下部的油流出。在设置为快速分闸的情况下，分闸活塞室的油顺利通过程序活塞室的上部孔道排出。

重合器分闸后，串联分闸线圈断电，线圈引力消失，由于分闸铁芯复归弹簧的复原作用，活塞上移，使活塞上部的油，流过程序活塞下部的逆止阀，排入程序活塞室，使程序活塞上升一级。每当切断故障电流时，这种泵油及提升的动作就发生一次，同时带动计数器记录一次动作。当重合器机构使主动触头分开时，合闸铁芯的闭锁释放，合闸铁芯在复位弹簧的作用下使其下部让出空间，油将流入铁芯让出的空间，油的流速由空间底部的时间定值孔调节。油的流速快慢决定了合闸铁芯上移速度的快慢，可延时1.5s～2s的重合时间。当合闸铁芯上移到其行程顶端时，合闸线圈触点又闭合，使断路器重合。至此重合器完成了一次分闸及一次重合闸动作。

若故障是瞬时的，第一次重合故障已消失，串联脱扣线圈不会动作而使重合器保持在合闸位置，第一次动作所引起的程序活塞上移的“记忆”将因程序活塞自身作用缓慢复位而自行消失。因为下部油的排出需要时间，在25oC时，程序活塞的复归时间为1～1.5min。第一次重合后，如果故障依然存在，马上又检测到过电流，立即出现又一次分闸动作，程序活塞将基本在原来的基础上如前所述再向上提升一级，随后是第二次重合动作。

如果故障在第二次重合后依然存在，且重合器是按“二快二慢”整定的，那么第三次分闸时，分闸时间将按延迟的时间–电流特性曲线动作。原因是在第一、二次动作时，程序活塞下部所泵入的油量将使活塞上升到这样一个高度，即程序活塞将堵塞其上部排油孔。所以在第三次切断故障电流时，油的排出只有通过时间定值孔排油。这也就控制了分闸铁芯运动的速度，而分闸铁芯只有到达其行程下端时，才能使保持分闸弹簧于储能状态的闭

锁释放，重合器才能分闸。油通过较小的孔道流出时将会受到油压的控制，也就是受到故障电流的控制，当有很大的故障电流时，产生的油压足以使大电流排油孔的弹簧阀门打开，油通过大电流排油孔排出。后续的分合动作重复进行，直到整定的分闸次数后将由于闭锁计数器拨动分闸闭锁机构使重合器不再重合。

当每次脱扣后，合闸铁芯在重合间隔向上运动时，使杠杆旋转，并经四连杆作用于棘爪而带动棘轮连同计数活塞作上提运动，合闸铁芯上升到行程终点时，棘爪与棘轮的啮合脱离，每分闸一次，上提约7.9mm。活塞上提时，单向球阀开启，油进入活塞室，使活塞保持在上提位置完成一次记数。棘轮杆的下端是阶梯定位架，可使合闸闭锁机构的动作杠杆在不同的跳闸次数后与之相撞，而使重合器闭锁于分闸状态。由凸轮杆、相间故障脱扣凸轮，接地故障脱扣凸轮及电子控制器在相连的顺序控制开关等组成，只要将凸轮的锁定突瓣固定在所需的次数位置即可。当重合器操作时，棘轮杆的向上运动同时带动凸轮杆作类似的上移，引起凸轮组件作钟表计数式的旋转，使顺序控制开关的滚轮沿凸轮的边缘作相对滚动。当所需的快速动作次数完成后，开关的滚轮即可使开关的接通状态改变，转为由电子控制器决定其慢速动作特性。

1.3. 重合器电子控制器

重合器的电子控制器按其电路元件的特征大致可分为“分立元件”式及“单片机”式两大类。前者往往要借助各种“附件”（如“顺序配合辅助附件”、“瞬时分闸并闭锁辅助附件”等）来完成某些特定的控制功能；而后者则可仅用一套硬件借助巧妙的软件构思及通信功能等来实现比前者更完善的控制功能。通常，电子控制器所在的箱室与重合器的灭弧及导线系统是有效隔离的，用多芯屏蔽电缆连接控制器与套管式电流互感器及操作机构。分立元件式电子控制室完成控制所借助的各种“附件”并非脱离控制器而存在，而是控制器的一个可分离部件，位于控制箱内，可按用户要求，同时供货。为使控制器能工作

于－30～＋40oC环境条件，在控制器的箱室中备有温度调节控制，以控制电路所在环境的温度和湿度。

（一）分立元件式电子控制器

图2–3所示为ME型重合器电子控制器的原理框图。与集成电路相比，其优点是价格便宜，元件耐用，维修简单；其缺点是体积大，功能少，插件多，选择范围窄，调整不便，可靠性较差。线路电流的检测靠装于重合器本体的三个套管式电流互感器。当电流互感器的电流超过最小分闸电流，电子装置的过流检测和时序电路开始启动，经过计时电路整定的时延后，分闸电路开始充电，向重合器发出分闸信号；然后，在顺序继电器控制下，延时重合电路和复位计时电路开始计时，并使控制程序进入下一个整定好多动作顺序。重合间隔时间过后，向重合器发合闸信号，并重新开始电流检测。若故障消失，顺序继电器将复位至初始状态；若故障一直存在，达整定的操作次数后，紧接分闸信号的发出，立即闭锁。闭锁后，控制装置便不再发出复位或合闸信号，除非从控制面板上进行手动合闸。

电子控制的重合器常用电磁铁或电动机作合闸动力，分闸则通过释放分闸弹簧储能来完成，而分闸弹簧则在合闸过程中储能。电磁铁可以是交流高压的，也可以是直流低压的。若为交流高压电磁铁，则能源直接取自电源高压侧；若为直流低压电磁铁或电动机操作，则能源来自直流蓄电池组。蓄电池组处于浮充电状态，以维持正常运行时电子线路的损耗。如ME型重合器的电子控制器由120V交流电源经充电器对其所用的镉镍蓄电池浮充电。

图2–3 ME型重合器电子控制器原理图

（二）单片机式电子控制器

同分立元件式电子控制器一样，单片机式电子控制器因制造厂家的不同而在设计上有很大的差异。因为单片机式的控制功能比分立元件式的智能化程度要高得多，为满足同样的控制功能，设计者在软、硬件的设置上自由度要大得多，可以用不同的机种、不同的接口及扩展电路，软件的编程更是灵活多样。其主要优点是体积小，功能强。重合器的分闸电流、重合次数、操作顺序、分闸时延、重合间隔、复位时间的整定，都可简单地在控制箱上通过微动开关予以整定，使用及其方便。这类重合器正常运行时，套管TA的检测信号经过隔离变压器变换为分别反映各相和中性点电流状态的模拟量信号，再经整流、滤波后进入微处理机。微处理机将模拟量变为数字量，并在程序控制下将这些输入量轮流与快分电流、反时限时间、接地动作值等整定值逐一比较。当输入的检测值超过整定值时，微机暂停检测，启动电路接通工作电源，进入操作状态，按整定的操作顺序发生分闸信号和重合信号。线路故障消除或重合器进入闭锁状态后，电路又自动切除工作电源，进入正常检测状态。

1.4. 重合器的时间–电流特性曲线

前已述及，重合器有一条快速（即瞬时）动作t–I（时间–电流）特性曲线，多条慢速动作t–I特性曲线。通常，液压控制重合器慢速（即延时）t–I特性曲线较电子控制重合器慢速t–I特性曲线少一些，而快速动作t–I特性曲线多半都只有一条，仅个别电子控制的重合器设计为多条（如英国PMR型重合器）。液压控制重合器动作特性曲线完全靠硬件电路（机械、液压的配合）形成，因而就那么几条，而电子控制重合器的t–I特性曲线借电路元件参数的改变或软件编程的技巧来实现，因而灵活可变的范围大。对单片微机控制的重合器，如果需要的话，利用“基本t–I特性曲线”的平移可得到多条慢速动作t–I特性曲线，甚至可覆盖整个t–I坐标平面的需用范围，也可方便地改变特性曲线的陡度。每个重合器都会给出自己的t–I特性曲线，但电流坐标标注的方法不尽相同，这是值得注意的地方。