關于快(kuài)速真空斷路器兩個(gè)應用(yòng)誤區(qū)的(de)分(fēn)析

劉景博¹  時(shí)衛東²    李品德³

（1.西安高(gāo)壓電器研究院；2. 中國電力科學研究院；3. 陝西電力科學研究院）

摘要 本文論述了(le)快(kuài)速真空斷路器和(hé)基于爆破切割技術的(de)限流器（FCL）的(de)工作特點，依據快(kuài)速真空斷路器的(de)工作特點和(hé)故障電流開斷特性，分(fēn)析了(le)快(kuài)速真空斷路器在零損耗限流裝置和(hé)母聯位置這(zhè)兩種應用(yòng)場(chǎng)合下(xià)可(kě)能存在重大(dà)安全隐患，指出在目前的(de)技術條件下(xià)在上述兩種應用(yòng)場(chǎng)合中FCL具有難以替代性。

關鍵詞  快(kuài)速真空斷路器  高(gāo)速真空斷路器  爆破切割  限流器

  零損耗限流裝置  母聯開關  應用(yòng)

The Analysis of Two mistake Applications about Fast-speed VCB

Li Pin-de¹  Shi Wei-dong²

（1. Xi’an High-Voltage Apparatus Research Institute，710048；2. EPRI China,Beijing 100107；3.Shaanxi EPRI,Xi’an 710054,China）

Abstract：The operating feature of fast-speed VCB and fault-current limiter(FCL) are elaborated in these paper. The analysis has been done on two applications of fast-speed VCB and its significant hidden safety dangers according to the operating feature and breaking-features of fast-speed VCB.The alternative device of FCL in applications of zero-lost limiting device and bus-bar connect is not existed in the present technical conditions.

Key Words：fast-speed VCB; high-speed VCB; The blasting-cutting；FCL；Zero-lost limiting device; Bus-bar connect switch；Application

 

1  概述

目前電力市場(chǎng)出現了(le)一種快(kuài)速真空斷路器，也(yě)被稱爲“高(gāo)速真空斷路器”、“高(gāo)速開關”、“高(gāo)速渦流斷路器”、“可(kě)恢複大(dà)容量高(gāo)速開關”等等，其代表産品型式試驗确認的(de)基本參數[1]：①電氣參數：額定電壓12kV，額定電流1600A，額定短時(shí)耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA，振蕩回路上進行的(de)研究性試驗标明(míng)的(de)參數可(kě)能更高(gāo)；②機械參數：開距5mm，超程2mm，分(fēn)閘時(shí)間4-6mm，合閘時(shí)間11-16mm，機械壽命10000次。這(zhè)種斷路器采用(yòng)了(le)改進的(de)永磁機構，通(tōng)過專用(yòng)的(de)控制裝置快(kuài)速識别故障電流并發出斷路器操作命令，從故障發生到故障切除的(de)總時(shí)間在30ms以内。本文之所以把這(zhè)種斷路器稱爲快(kuài)速真空斷路器，是爲了(le)與分(fēn)閘速度更快(kuài)（可(kě)小于2ms）的(de)基于電磁斥力機構的(de)真空斷路器相區(qū)别，後者已進行了(le)大(dà)量研究[2,3]，從相關資料分(fēn)析，還(hái)沒有穩定成型的(de)産品進入市場(chǎng)。

近幾年快(kuài)速真空斷路器在一些需要快(kuài)速開斷或快(kuài)速合閘的(de)場(chǎng)合得(de)到了(le)一定的(de)應用(yòng)，但在快(kuài)速開斷應用(yòng)方面出現了(le)兩個(gè)值得(de)關注的(de)誤區(qū)，出現這(zhè)些誤區(qū)的(de)根源是忽視系統或其它相關設備的(de)短時(shí)耐受電流承受極限、試圖采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器替代基于爆破切割技術的(de)限流器（FCL）以期獲得(de)可(kě)重複使用(yòng)的(de)效果，本文将著(zhe)重對(duì)此進行分(fēn)析。

2  開斷特性

2.1 快(kuài)速真空斷路器的(de)開斷特性

要正确應用(yòng)快(kuài)速真空斷路器，就要先了(le)解其開斷特性。圖1和(hé)圖2分(fēn)别爲普通(tōng)真空斷路器和(hé)快(kuài)速真空斷路器開斷短路電流的(de)波形示意圖。普通(tōng)真空斷路器自身分(fēn)閘時(shí)間一般在30ms附近，傳統繼電保護及信号回路的(de)響應時(shí)間在50ms附近，再加上分(fēn)閘後的(de)燃弧時(shí)間将近10ms，所以其故障最快(kuài)切除時(shí)間接近90ms。

圖1  普通(tōng)真空斷路器開斷31.5kA短路電流波形示意圖

Fig 1  The Waveforms of  Normal VCB breaking 31.5kA fault-current

              （a）                        （b）

圖2  快(kuài)速真空斷路器開斷40kA短路電流的(de)典型波形

Fig 2  The typical Waveforms of fast-speed VCB breaking 40kA fault-current

如前所述,快(kuài)速真空斷路器分(fēn)閘時(shí)間縮減到4-6ms，專用(yòng)智能識别裝置故障響應時(shí)間一般不大(dà)于6ms，并可(kě)将燃弧時(shí)間縮短到2ms以内，所以采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器後故障最快(kuài)切除時(shí)間可(kě)以控制到30ms以内。在這(zhè)裏，總結一下(xià)快(kuài)速真空斷路器的(de)開斷特性：（1）故障最快(kuài)切除時(shí)間可(kě)以縮短到30ms以内，明(míng)顯優于普通(tōng)斷路器；（2）與普通(tōng)斷路器一樣，故障電流隻能在電流自然過零點開斷；（3）開斷過程不具備限流特性；（4）快(kuài)速真空斷路器一般爲分(fēn)相操作，可(kě)以采用(yòng)智能識别将各相燃弧時(shí)間控制在2ms以内，并以此提高(gāo)斷路器的(de)開斷能力；（5）與普通(tōng)斷路器一樣，快(kuài)速真空斷路器是可(kě)以重複使用(yòng)的(de)，具體效果有待觀察。

2.2  FCL的(de)開斷特性

基于爆破切割技術的(de)限流器（FCL）的(de)主導電回路由爆破式高(gāo)速隔離器和(hé)特種限流熔斷器構成，一旦其專用(yòng)控制器檢測到故障電流信号即瞬間觸發爆破式高(gāo)速隔離器動作，故障電流在1ms時(shí)間内即可(kě)轉移到特種限流熔斷器中，并在大(dà)約5ms時(shí)間内完成限流開斷，波形示意圖如圖3所示，在這(zhè)裏，總結一下(xià)FCL的(de)開斷特性：（1）故障電流切除時(shí)間小于10ms；（2）開斷過程具有良好的(de)限流特性；（3）不需要故障電流有自然過零點即可(kě)開斷；（4）主要開斷部件不能重複使用(yòng)。

圖3  FCL開斷短路電流的(de)典型波形

Fig 3  The typical Waveforms of FCL breaking fault-current

3  應用(yòng)誤區(qū)之一：采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器替代FCL構成零損耗深度限流裝置

若電力系統某個(gè)結點短路電流過大(dà)，傳統方法就是串聯限流電抗器以增加回路阻抗減小短路電流，但這(zhè)個(gè)限流電抗器有功損耗很大(dà)。所謂零損耗深度限流裝置就是采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器與限流電抗器并聯構成電流主回路，正常情況下(xià)限流電抗器被快(kuài)速真空斷路器旁路呈現出零損耗通(tōng)流狀态，出線端一旦存在超出測控單元設定值的(de)短路電流時(shí)，測控單元向快(kuài)速真空斷路器發出分(fēn)閘命令，随著(zhe)斷路器的(de)開斷，電流将從斷路器支路轉移到限流電抗器支路從而起到限流作用(yòng)。短路故障消失後，測控單元控制斷路器自動合閘，恢複到零損耗通(tōng)流狀态[4]。采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器旨在消除正常通(tōng)流狀态下(xià)限流電抗器的(de)巨大(dà)損耗和(hé)可(kě)觀的(de)電壓降落，達到節能降耗、提高(gāo)電壓質量、無損限流的(de)目的(de)，但需要認真分(fēn)析的(de)是：這(zhè)種用(yòng)法能否真正安全可(kě)靠的(de)達到上述目的(de)？

圖4  零損耗限流裝置應用(yòng)示意圖

Fig 4  The schematic diagram of zero-lost fault-current limit device

圖5  通(tōng)過零損耗限流裝置的(de)短路電流的(de)波形示意圖

Fig 5  The schematic waveforms through zero-lost fault-current limit device

如圖4所示，發電機出口短路電流過大(dà)，超出普通(tōng)斷路器VCB2的(de)開斷能力或系統其它電力設備的(de)承受能力，采用(yòng)零損耗限流裝置試圖限制發電機出口的(de)短路電流并消除電抗器損耗，短路電流最終将由VCB2開斷。圖5是故障電流通(tōng)過零損耗限流裝置處理(lǐ)後的(de)波形：t₀時(shí)刻短路故障發生，t₁時(shí)刻故障電流開始向限流電抗器轉移，t₃時(shí)刻故障電流被VCB2開斷。值得(de)注意的(de)是，并不是斷路器觸頭一打開故障電流就可(kě)以轉移到電抗器支路，這(zhè)是因爲斷路器觸頭打開後斷口起弧，而電弧壓降很低（大(dà)約隻有100V），電抗器支路的(de)阻抗爲歐姆級，所以隻有斷路器在故障電流自然過零時(shí)刻的(de)開斷點附近，故障電流才能順利轉移。由于電流由快(kuài)速真空斷路器VCB1轉移到限流電抗器中需要将近30ms時(shí)間，在轉移前故障電流不受限制，顯然此時(shí)流過故障點的(de)總電流Iz必然會大(dà)大(dà)超過了(le)與串抗匹配的(de)斷路器VCB2的(de)承受能力，即超過了(le)VCB2的(de)額定峰值耐受電流及額定短時(shí)耐受電流極限值。雖然在30ms内電流可(kě)以完全轉移到限流電抗器使故障電流回複到VCB2及系統可(kě)以接受的(de)安全範圍，但這(zhè)已經無濟于事，VCB2或系統其它設備已經遭遇了(le)超量值短路電流熱(rè)效應和(hé)力效應的(de)沖擊，尤其是力效應與電流峰值的(de)平方成正比，這(zhè)個(gè)電動力将瞬間破壞VCB2或相應設備的(de)機械結構甚至造成電氣絕緣失效，給用(yòng)戶電力系統帶來(lái)重大(dà)的(de)安全隐患。另外，若系統失去電抗器限流時(shí)的(de)短路電流大(dà)到一定程度，快(kuài)速真空斷路器VCB1自身的(de)額定峰值電流耐受能力是否滿足要求也(yě)需根據實際應用(yòng)情況進行充分(fēn)評估。舉個(gè)具體的(de)例子，假設圖4中發電機出口短路電流爲60kA、峰值電流水(shuǐ)平2.5×60kA=150kA，經過限流電抗器後短路電流爲30kA、峰值電流水(shuǐ)平2.5×30kA=75kA，斷路器VCB1、VCB2的(de)額定短時(shí)耐受電流爲40kA、額定峰值耐受電流爲2.5×40kA=100kA。那麽在故障發生後30ms内，故障電流=VCB1中的(de)電流=VCB2中的(de)電流，此電流沒有轉移到限流電抗器中所以沒有受到限制，此時(shí)電路中的(de)峰值電流将是150kA，超過VCB1、VCB2的(de)極限耐受能力100kA，電動力将是斷路器極限耐受能力的(de)(150kA/100kA)² =2.25倍，是限流電抗器限定的(de)電動力水(shuǐ)平的(de)(150kA/75kA)² =4倍。很明(míng)顯，電流轉移前，VCB1、VCB2、發電機等都将面臨超額峰值電流電動力的(de)威脅，這(zhè)個(gè)電動力将數倍于設備的(de)極限耐受水(shuǐ)平，而這(zhè)個(gè)電動力将在瞬間産生破壞效果，這(zhè)種破壞力與故障電流限定後持續時(shí)間沒有密切關聯。

若将上述快(kuài)速真空斷路器更換爲FCL，則可(kě)消除上述隐憂。圖6是采用(yòng)FCL前、後主回路故障電流示意圖，圖中的(de)虛線是限流電抗器被旁路後的(de)預期故障電流，實線爲主回路中實際出現的(de)故障電流，顯然此故障電流等同于限流電抗器沒有被旁路時(shí)的(de)水(shuǐ)平，對(duì)于發電機、VCB1、VCB2等而言是全程安全的(de)。

圖6  将快(kuài)速開關更換爲FCL後主回路短路電流的(de)波形對(duì)比示意圖

Fig 6 The comparison waveforms of fault current in main loop replacing fast-speed VCB with FCL

4  應用(yòng)誤區(qū)之二：采用(yòng)快(kuài)速真空斷路器替代FCL用(yòng)作大(dà)容量變電站母聯開關

如圖7所示，若兩段10kV母線能并列運行（即VCB1閉合），則帶來(lái)的(de)好處是：優化(huà)負荷分(fēn)配，降低變壓器負載損耗，提高(gāo)電壓質量及供電可(kě)靠性。但假若兩台110kV變壓器分(fēn)别可(kě)向10kV側故障點提供20kA短路電流，母聯開關VCB1及饋線開關VCB2爲普通(tōng)斷路器（額定短時(shí)耐受電流31.5kA，額定峰值耐受電流80kA），那麽正常運行時(shí)VCB1必須斷開處于熱(rè)備用(yòng)狀态，若VCB1閉合則饋線發生短路時(shí)故障電流穩态值将達到40kA，此電流饋線斷路器VCB2将無法安全承受，更談不上安全開斷。

将VCB1更換爲快(kuài)速真空斷路器，正常運行時(shí)VCB1處于閉合狀态，饋線故障時(shí)VCB2能否安全運行呢(ne)？回到圖7的(de)波形圖，若母聯采用(yòng)VCB1，不管VCB1是普通(tōng)斷路器還(hái)是快(kuài)速真空斷路器，在饋線故障後30ms以内故障電流的(de)大(dà)半波曲線爲虛線表示的(de)i= i₁+i₂，顯然其峰值達到了(le)100kA，超過了(le)饋線斷路器VCB2額定峰值耐受電流80kA的(de)極限值，這(zhè)時(shí)雖然VCB2還(hái)隻是連接在電路中不會立即執行開斷行爲，但其在100kA峰值電流作用(yòng)下(xià)由于電動力效應而導緻結構損壞也(yě)是情理(lǐ)之中的(de)事，事故隐患已經明(míng)顯呈現。

圖7  母聯位置采用(yòng)VCB1及FCL時(shí)故障點短路電流的(de)波形示意圖

Fig 7  The schematic waveforms of fault current when using VCB1 and FCL in bus-bar link

若采用(yòng)FCL取代VCB1[5]，則情況則大(dà)不相同，圖中實線i₂顯示的(de)故障電流即爲通(tōng)過FCL的(de)電流，這(zhè)時(shí)通(tōng)過故障點或流過饋線開關VCB2的(de)電流曲線如圖實線i=i₁+i₂所示，顯然此電流沒有超過單台變壓器提供的(de)短路電流，對(duì)于系統和(hé)VCB2而言是安全的(de)。

 

5  結語

（1）快(kuài)速真空斷路器可(kě)以在30ms内切除故障，但由于其開斷過程不具備限流特性，所以在實際應用(yòng)中應避免走入誤區(qū)。

（2）快(kuài)速真空斷路器在零損耗深度限流裝置和(hé)母聯位置兩種應用(yòng)中，片面強調其可(kě)重複使用(yòng)的(de)特性而忽視了(le)其開斷過程不限流的(de)特性，導緻系統及相關設備面臨超過其極限承受能力（額定峰值耐受電流）的(de)電動力的(de)沖擊，爲系統及設備的(de)安全運行埋下(xià)了(le)重大(dà)事故隐患。

（3）在目前的(de)技術條件下(xià)，在零損耗限流裝置和(hé)母聯位置兩種應用(yòng)中，基于爆破切割技術的(de)FCL仍然難以替代。

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