快速真空断路器在电力系统中的应用

1

　电工电气 (2016　No.5)

现状与展望

快速真空断路器在电力系统中的应用作者简介：艾绍贵(1960-　)，男，高级工程师，本科，从事电力系统故障限流及串联补偿研究工作； 马奎(1982-　)，男，高级工程师，硕士，从事电力设备运维及故障诊断工作。

快速真空断路器在电力系统中的应用

艾绍贵1，马奎1,2，吴旭涛3，孙丽琼2

(1　国网宁夏电力公司，宁夏　银川　750001；2　西安交通大学，陕西　西安　710049；

3　国网宁夏电力公司电力科学研究院，宁夏　银川　750001)

摘 要：介绍了涡流驱动型快速真空断路器的原理，分析了目前配网消弧消谐、故障选线及触电防护、电网短路电流限制、串联补偿及变压器直流偏磁抑制等技术的现状和存在的问题。根据快速真空断路器特点，提出了解决相关技术问题的方法，阐述了相关装置的结构、试验及应用情况，并对快速真空断路器在电力系统中的应用进行了展望。

关键词：快速真空断路器；触电防护；短路电流限制；串联补偿；直流偏磁

中图分类号：TM561.2 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2016)05-0001-05

Abstract:　Introduction　was　made　to　the　principle　of　eddy　current　forced　fast　vacuum　circuit　breaker.　Analysis　was　made　to　the　technolo-gies　used　and　problems　existing　including　arc　and　resonance　elimination,　fault　line　selection　and　electric　shock　protection,　grid　short-circuit　current　limitation,　series　compensation　and　transformer　direct　current　magnetic　bias　suppression　etc　technologies　in　distribution　network　at　present.　According　to　the　characteristic　of　fast　vacuum　circuit　breaker,　the　solution　method　of　those　problems　was　proposed.　This　paper　ex-pounded　the　structure,　experiment　and　application　of　the　relevant　device.　The　further　application　of　the　circuit　breaker　is　prospected.

Key　words:　fast　vacuum　circuit　breaker;　electric　shock　protection;　short-circuit　current　limitation;　series　compensation;　DC　magnetic　bias

AI　Shao-gui 1,　MA　Kui 1,　2,　WU　Xu-tao 3,　SUN　Li-qiong 2

（1　State　Grid　Ningxia　Electric　Power　Company,　Yinchuan　750001,　China ;　

2　Xi’an　Jiaotong　University,　Xi ,

an　710049,　China ;

3　Electric　Power　Research　Institute　of　State　Grid　Ningxia　Electric　Power　Company,　Yinchuan　750001,　China ）

Application　of　Fast　Vacuum　Circuit　Breaker　in　Electric　System

涡流驱动型快速真空断路器，以其优异的动作时间和开断性能受到了广泛关注，尤其是分(合)闸时间较之普通断路器提高了近一个数量级[1-2]。利用该型断路器分(合)闸时间极短的特点，可在实质性危害发生前，按照预订策略进行相关元件、设备的快速接入和断开，从而有效减轻危害程度，大幅降低系统过电压水平，并使装置的小型化、低造价和高可靠性成为可能。为此，开展了快速真空断路器在配电网单相接地事故预防、电网短路限流、串联补偿及直流偏磁隔离等方面的应用研究，并进行了大范围推广，取得了良好的社会经济效益。本文对相关研究背景、原理及应用进行了论述，并对快速真空断路器的应用前景进行了展望。

1 涡流驱动型快速真空断路器原理

涡流驱动型快速真空断路器是一种直动式快速永磁真空断路器[3]，工作原理如图1所示。断路器驱动机构主要包括合/分闸线圈、涡流盘、拉杆、合/分闸保持永磁铁等。操作时，合/分闸线圈磁通在涡流盘中感应出反向磁场形成斥力，通过同轴拉杆直接传递到断路器动触头，完成合/分闸动作，作用力传递直接、稳定，断路器动作迅速且时间分散性小。采用储能电容对合/分闸线圈充电，驱动力强度与电容器储能成正比，从而使断路器具有了极强的开断能力。西安高压电器研究院的型式试验表明，该断路器可在5ms 之内分闸，12ms 之内合闸，动作分散度小于±0.2ms；其最大开断电流可

2

电工电气 (2016　No.5)快速真空断路器在电力系统中的应用

达80kA，并可在该电流下连续分断操作100次。

快速真空断路器优越的开断能力，主要基于短路电流快速识别、过零点检测及相控技术。短路故障快速识别技术是利用电流瞬时值和电流变化率作为判据，实现短路电流有效值的快速预测。利用短路故障快速识别技术开发的大容量智能高速开关测控单元，可在短路故障发生后0.3～0.4ms 内对短路电流有效值作出预测并发出动作指令。以短路故障快速识别为基础，增加短路电流过零点预测功能，可在短路故障发生后2～3ms 内完成短路电流有效值识别和过零点预测，考虑断路器固有分闸时间，按照预先设定的提前量分相发出分闸指令，即可实现真正意义上的“过零开断”。

2 配电网单相接地事故预防方面的应用

2.1　现状分析

国内10～35kV 配电网通常为中性点非有效接地系统，即系统中性点不接地或经消弧线圈接地。当系统发生单相接地时，系统电容电流经接地点流入大地，一般采用消弧线圈对该电容电流进行补偿，从而使残余电流大为减小，促使电弧熄灭，以减少弧光接地过电压的作用时间。然而研究表明，接地残流电弧远不是在电流第一次过零点时就能熄灭，有时电弧可存在几秒钟之久。同时随着配电网中电力电缆和固体绝缘设备的广泛应用，消弧线圈已越来越难以胜任补偿接地电容电流的作用。2.2　装置原理介绍

利用快速真空断路器研发的配网消弧消谐及触电保护装置工作原理如图2所示。在10～35kV 母线三相上分别安装快速真空断路器，断路器一端接母线，另一端直接接地。正常运行时三相快速真空断路器均处于分闸状态。当线路发生单相接地时，非接地相电压抬升至线电压，接地相电压降至接近0，装置根据母线三相电压变化情况(幅值、变化率)对接地相作出判断，并向接地相快速真空断路器发

出合闸信号，将接地相母线金属性接地，从而使线路弧光接地转化为母线金属性接地，线路接地点对地电位降至0，为电弧熄灭或触电人员脱困创造条件。此外通过判断断路器动作前后各出线零序电流方向的变化情况，还可实现对故障线路的选线，原理如图2所示。由于该方法仅需比较合闸前后出线自身零序电流的变化情况，而不需在出线之间作横向比较，受电流互感器精度、谐波干扰等的影响很小，因此较之于传统的小电流故障选线更准确可靠[4]。系统出线越多，电容电流越大，合闸前后故障线路零序电流的变化越明显，选线越可靠。

2.3　应用情况

配网消弧消谐及触电保护装置研发成功后在宁夏电网开展了挂网应用，并通过人工单相接地试验进行了性能试验。消弧消谐及故障选线试验在石嘴山电网110kV 河滨变10kV　115河苹线出线杆塔线路侧进行。试验时通过在接地回路中串联放电间隙模拟弧光接地故障，接地相随机进行选择。总计进行了18次金属接地和10次弧光接地模拟试验，结果显示，在28次不同类型、不同相别接地试验中，无论是金属接地还是弧光接地，装置均能正确动作，并且正确显示故障线路，选相及选线正确率100%。

触电防护性能验证试验在宁东电网110kV 红墩子变10kV　511红园线出线杆塔线路侧进行。试验时通过在接地回路中串联活猪模拟人体触电。所记录波形如图3所示，可见发生触电后，保护装置在大约5ms 后将触电相母线进行了接地，将接地点电流成功转移。在触电瞬间，猪有明显的尖叫、抖动乃至蹦跳等反应，随后有发抖、呼吸急促等表

图1　VFC系列涡流驱动快速真空断路器工作原理

N

N

图2　保护装置原理及动作前后电容电流流向示意图