快速真空断路器在电力系统中的应用

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　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
3
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快速真空断路器在电力系统中的应用征，但很快恢复平静，生命体征正常，说明装置动作正确，而且能够起到保护作用。

3 电网短路限流及节能方面的应用
3.1　现状分析
随着电网的跨越式发展，断路器遮断容量与系统短路电流间的矛盾日渐突出，严重威胁到电网的安全运行，必须采取措施加以限制。

目前系统短路电流限制措施主要包括安装限流电抗器、采用高阻抗变压器以及改变系统运行方式等三种类型[5-7]，存在运行损耗大或导致系统运行灵活性和供电可靠性降低的缺点和不足。

国内外近年来着重对超导限流、磁控电抗器限流及串联谐振型限流[8-14]等新型限流技术开展了研究，并有少量示范应用，但上述限流装备普遍存在体积庞大、价格昂贵、损耗偏高、维护复杂、限流效果和运行可靠性差等问题，因此难以大面积推广应用。

3.2　装置原理介绍
根据快速真空断路器的特点，提出了快速真空断路器与限流电抗器并联的限流方案。

正常运行时快速真空断路器合闸将限流电抗器短接，不产生功率和电压损失，一旦线路发生短路故障，快速真空断路器在20ms 以内，分相在过零点开断，限流电抗器投入，把短路电流限制在系统断路器可以接受的水平。

基于该方案研制的330kV“户外高压可
重复节能限流装置”原理如图4所示。

图中，L 1、L 2为限流电抗器；K 1、K 2为快速真空断路器；KM 1、KM 2为真空接触器；C 1为分压电容；C 2为高压耦合电容；CT 为特种线路电流互感器。

发生短路故障，快速真空断路器在短路电流的第一个过零点精确相控断开，使限流电抗器在20ms 内串入330kV 输电
线路中限制短路电流，当监测到线路由短路电流减低到负荷电流，储能电容完成充电，快速真空断路器自动合闸。

由于10kV 快速真空断路器受断口稳态恢复电压耐受能力的限制，并联一个电抗器，电抗值不能过大，这样难以满足限流深度的需要，为此装置采用模块化结构，2个真空断路器和2个限流电抗器作为一组模块单元。

采用模块结构还可使装置更加紧凑，并可根据限流需要增减单元的数量，实现对短路电流任意深度的限制。

3.3　应用情况
基于快速真空断路器的户外高压可重复节能限流装置在宁夏宁安变承受了两次330kV 安迎I 线人工单相接地试验考核。

第一次试验，装置动作后将3.6Ω限流电抗器串接入线路，约30kA 短路电流被限制到17.9kA，限流深度达到40%；在第二次试验，装置动作后将1.2Ω限流电抗器串接入线路，约31.5kA 短路电流被限制到26.3kA，短路电流减少，限流深度达到16.5%，效果显著。

第一次试验短路电流实测波形与仿真波形对比如图5所示，实测波形与仿真波形基本一致。

实测波形在约11.5ms 的第一个过零点后斜率发生明显改变，仿真波形与此一致，证明装置此时已投入限流。

由于该技术优异的限流性能和突出的节能作用，户外高压可重复节能限流装置入选2014年国家发改委国家重点节能技术推广目录。

图4　330kV户外高压可重复节能限流装置原理图
+20
-20U a /k V +20-20U b /k V +20-20U c /k V +8-8I d /A +10-10I o /A
-40
-20
204060
80
100
t /ms
图3　保护装置性能验证试验波形
A 相母线电压
B 相母线电压
C 相母线电压接地点电流装置接地电流-30-101030-50
0.04
0.03
0.020.01
I /k A
t /s
a)深度限流试验时实测短路点电流波形
4
电工电气 (2016　No.5)
4 串联补偿方面的应用
4.1　现状分析
我国10kV 和35kV 农网以及西北、内蒙古和东北的大部地区的110kV 高压电网，由于人口密度都比较小，电力负荷比较分散且波动大，长距离输电的情况比较普遍，由此带来的负荷末端的电压质量问题严重，尤其是重负载启停时造成的电压波动问题特别突出。

目前解决这一问题，多采用并联补偿措施，效果极为有限。

相比较而言，串联补偿方式能够自动跟踪负荷变化，无需复杂的控制技术，能够有效解决重载启停造成的电压波动问题，同时在解决长距离输电末端负荷电压质量问题方面较之调节主变分接头、并联补偿等方式有显著优势。

采用常规的串联补偿装置效果虽好，却因技术复杂、价格昂贵、体积庞大，得不到广泛的推广应用。

因此，研制开发运行控制简单、价格低廉、体积小、安装方便且适合于10～110kV 电网的快速真空断路器型串联补偿装置，具有非常重要的现实意义。

4.2　快速真空断路器型串联补偿装置的技术原理
根据快速真空断路器特点，提出了采用快速真空断路器代替常规串补装置可控火花间隙和旁路开关，用带高压熔断器的高能高压氧化锌组代替常规氧化锌组件的技术方案，装置原理如图6所示，其中，C 为串联补偿电容；FR 为氧化锌组件；RF 为放电线圈；KF 为快速真空断路器；PT 为采样电压互感器；CT 为电流互感器。

串联电容用以补偿线路电感压降，提高电压质量；氧化锌组件用以限制串联补偿电容两端的电压，防止线路短路时电容器击穿；放电开关在装置退出运行时快速释放串联电容储存的电荷；放电线圈能够限制串联电容放电冲击电流，防止放电开关触头熔焊；旁路开关用以使装置退出运行。

与常规串补装置相比，该方案利用快速真空断路器，结合短路故障快速识别技术，当线路发生短路时，15m s 左右将串联补偿电容快速短接，大幅度缩短了氧化锌组的工作时间，从而显著减少氧化锌组件所需的能容量，同时由于在每个并联的氧化锌支路上还串有高压熔断器，可将发生故障的氧化锌支路及时切除，从而大幅提高了氧化锌组的可靠性。

根据该原理分别制造了110kV 高压型和10kV 中压型串补装置。

其中110kV 高压型串补装置采用分相设计，10kV 中压串补采用了三相一体设计。

与传统串联补偿装置相比，新型串补装置体积显著缩小(是传统的1/10到1/5)，造价大幅降低(是其他解决方案的1/10到1/3)，结构简单并且运行可靠性高。

4.3　快速真空断路器型串联补偿装置应用情况
110kV 快速真空断路器型串联补偿装置在宁夏电网110kV 新海线投入运行后进行了人工单相短路试验。

表1是负荷电流为115A 时投入串补装置前后110kV 母线电压变化情况。

图7为串补装置投运过程中110kV　母线电压及#2主变110kV 侧电流趋势。

表1表明串补装置投入后，变电站母线电压明显得到提升；还反映出线路负荷电流越大，补偿效果越好。

b)仿真得到的深度限流试验时短路点电流波形
400-20-40
-60
0.510.520.530.55
0.48I /k A
t /s
200.540.500.49图5　深度限流试验时实测波形与仿真波形对比
不接入限流电抗器
接入3.6Ω限流电抗器
相别投运前相电压/kV 投运后相电压/kV 母线电压提升幅值/kV 母线电压提升率/%A 62.66064.931 2.271 3.62B 61.08362.954 1.871 3.06C
60.629
62.927
2.298
3.79
表1 不同负荷电流时投入串补装置前后
110kV母线电压变化情况
快速真空断路器在电力系统中的应用
图6　快速真空断路器型串联补偿装置原理图
5
　电工电气 (2016　No.5)
10kV 快速真空断路器型串联补偿装置在固原电网10kV 中河线投运后进行了人工三相短路试验。

在线路电流47.1A、功率因数0.939时，补偿后受端变电站母线电压提高0.170kV，三相瞬时短路试验装置动作正确。

目前快速真空断路器型串联补偿装置也因其突出的补偿性能和优异的经济效益入选了2014年国家发改委国家重点节能技术推广目录。

5 直流偏磁抑制方面的应用
5.1　现状分析
直流工程在单极大地运行方式运行时，可能会引起直流接地极附近交流变压器出现直流偏磁现象，导致铁心严重饱和，励磁电流高度畸变，产生大量谐波，从而使变压器振动及噪音加剧，产生局部过热，破坏绝缘，降低使用寿命。

目前对变压器直流偏磁的治理通常采用电阻法、反极性法及电容法[15-16]。

其中，电阻法难以彻底地消除直流电流从中性点流入，反极性法需建造另外一个独立的接地极，工程投资以及维护费用较大，且不能完全抵消中性点直流电流的流入。

电容法是消除直流偏磁较为常用的方法，此方法需在电容器上并联电流旁路保护装置，用于抑制故障过程中电容器两端的暂态电压。

目前主要以晶闸管固态开关并联普通断路器作为旁路保护装置，其缺点是经济性及稳定性较差，抗干扰能力弱，承受短路电流能力差。

5.2　装置原理介绍
快速真空断路器型直流偏磁抑制装置以传统
电容隔离法为基础，应用基于动态均能技术的氧化锌阀组和快速旁路断路器作为电容器旁路保护装置，其原理图如图8所示，C 为隔直电容；L 为限流电感；FR 为氧化锌组件；KF 为快速真空断路器；K 1、K 2为隔离开关。

系统正常运行时，快速真空断路器处于合闸位置，变压器中性点直接接地。

中性点直流电流超过阈值时，旁路快速真空断路器迅速打开，变压器中性点通过电容器接地。

直流电流小于阈值
时，快速真空断路器自动合闸，变压器中性点直接接地。

由于采用的氧化锌阀组保护比低，因此电容器电容量可足够大，实际实施中电容器容抗可降低至0.1Ω以下。

5.3　快速真空断路器型直流偏磁抑制装置应用情况
安装于宁东供电局甜水河330kV 变电站#2主变的快速真空断路器型直流偏磁抑制装置，进行了直流抑制功能试验及短路电流冲击试验。

试验采用0～20A 直流电流源模拟变压器中性点接地回路中的直流电流；采用0～100V 直流电压源模拟抑直工况下电容器上的充电电压。

结果显示经光纤通信至后台各种信息传输正确，装置工作逻辑符合设计要求。

直流抑制工况下的短路电流冲击试验使用电流发生器对处于“隔直”工作状态的装置进行放电，结果表明在电流峰值为60kA 时，氧化锌电压为591V，满足实际要求。

目前快速真空断路器型直流偏磁抑制装置已在天中直流送端电网得到大量应用。

6 结语
利用快速真空断路器的优异性能，可开展限流
快速真空断路器在电力系统中的应用
图7　串补装置投运前后母线电压及主变电流趋势图
a)110kV母线电压
t /s
b)2号主变110kV侧电流
A 相电压
B 相电压
C 相电压
(下转第18页)
图8　快速真空断路器型直流偏磁抑制装置原理图
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电工电气 (2016　No.5)关；对于相同Z 0和N 成对的单元电机，电机的槽数相同极数不同，但c 和N 相同，所以具有相同的绕组系数。

12槽10极和12槽14极具有相同的绕组系数和绕组排列方式，而12槽8极和12槽16极具有相同的绕组系数和绕组排列方式。

(2)由于四种电机槽数不同，气隙磁场的幅值和平均值也略有差别，气隙磁场的平均值和幅值的大小随着极数的增加呈略微增加的趋势。

(3)在四种极槽配合的电机中10极和14极的齿槽转矩远小于8极和16极的电机，其中以14极电机的齿槽转矩最小。

(4)四种极槽配合的电机，电机极数越大，铁心损耗越小。

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修稿日期：2016-03-10
极槽配合对分数槽外转子无刷直流电机性能影响研究
(上接第5页)
电抗器与变压器一体化设计，解决新能源低电压穿越、高压电网晃电造成的敏感负载损失等方面的研究。

同时可通过多断口串联研发高电压大容量快速真空断路器，多断口并联研发大额定电流、大开断容量的发电机出口断路器。

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收稿日期：2016-02-13。