快速开关及成套装置在电力系统中的应用

10
75
29
42
18
17
13
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
需求分析 随着配网快速机械开关技术的快速发展，分闸时 间可以小于5ms、合闸时间可以小于10ms； 采用快速机械开关构成机械式电源快速切换开关， 可以在20ms内完成电源切换，对于大多数电源敏 感负载，相当于电源不间断切换。 快速开关型电源不间断切换装置与固态切换开关 相比，构成简单，成本低，可靠性高，维护费用 低，更适合推广应用。
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
需求分析 关键重要负荷用户，如中央政府各部门、
航天及军事部门、医院、石化、钢铁及煤矿等 大型工企，为提高供电可靠性和电能质量，采 用双电源供电方式，为实现不间断供电，通常 采用快速切换装置从故障电源切换到无故障电 源。
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
外网电源1 T1
外网电源2
d2
外网电源1
T2
T1
外网电源2 T2
PT1
控
制
LK1
器
PT2 LK2
PT1
控
制
LK1
器
PT2 LK2
隔离时间 ≤20ms
Ⅱ母线
C1
C3 d1
M
BPQ
分列运行
C2 Ⅰ母线 Ⅱ母线
非
敏
感
设
M
备
BPQ
B
C1
C2
C3
d1
非
敏
感
M
设
备
并列运行
Ⅰ母线
M
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
额定频率
Hz
50
3
最低可触发电压 kV
10
4
触发时延
s <200
5
额定短路电流
kA 31.5
6 额定短路电流峰值 kA
80
额定短路电流通流时
7 间
ms
15
B
3、快速开关成套装置
无损故障限流器 电源不间断切换装置
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
需求分析
1.电力系统短路水平不断提高，发达地区电网 短路水平直逼最大允许水平
短路电流峰值降83.4kA，有效值 32.74kA
不加装限流电抗器
加装限流电抗器
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
技术方案研究 快速断路器投切限流电抗型
爆炸式熔断器投切限流电抗型
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
快速断路器投切限流电抗型
L 快速开关
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
技术方案研究
电源侧短路快速切换功能---d2点发生短路
外网电源1 T1
外网电源2
d2
外网电源1
T2
T1
外网电源2
PT1
控
制
LK1
器
PT2 LK2
PT1
控
PT2
制
LK1
器
Ⅱ母线
BPQ
C1
先
C3 d1 后
M
分列运行
C1
C2
C2
Ⅱ母线 Ⅰ母线
C3 d1
非
敏
感
设
M
备
M
BPQ
B
非 敏 感 设 备
并列运行
只使用快速开 关，切换时间
避雷器电流逐渐上升， 最大值22.9kA 不影响限流熔断器动作 电流峰值，加快了限流 熔断器电流下降速率， 有利于限流熔断器开断。
避雷器电流与限流熔断器电流波形
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切限流电抗器型-----运维问题 采用的爆炸式开关和限流熔断器，每次动作之后都 需要停电更换，停电时间长，运行成本高； 采用的爆炸物---炸药，其采购、使用、存贮、运输 均受到国家严格管控，不利于电网的推广应用。
B
2、快速开关
ABB混合型快速开关原理及结构
技术特点：触发间隙导通后，快速机械开关关合载流，可有效降低触 发间隙通流和绝缘恢复要求。
B
2、快速开关
1）12kV快速真空断路器
序号
项目名称
单位 参数值
1
额定电压
kV
2
额定频率
Hz
3
额定电流
A
4 额定短路开断电流 kA
5 额定短路关合电流 kA
6
机械操作次数
需求分析
纯电力电子固态切换开关
纯电力电子固态切换开关通流损耗大、发热 严重，需要专门的冷却设备，运行维护费用 高，不利于大面积推广。
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
需求分析
混合式固态切换开关拓扑图
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
需求分析 某固态切换开关中电力电子阀绝缘水平
局部放电测试电
利用上述技术开发快速开关动作时间远短于常规机械开关， 技术性能好、可控性强，不仅能替代常规机械开关，甚至替代 电力电子开关做投切使用，还能作为核心器件形成成套装置， 例如选相开关、故障电流限制器、电源快速切换装置、快速旁 路装置、直流断路器等，解决电网快速控制和保护难题。
B
2、快速开关
➢ 快速机械开关 ➢ 大容量触发间隙 ➢ 混合型（快速机械开关+触发间隙）
需求分析
现阶段主要的电源切换装置
备用电源自动投入装置
固态切换开关
纯电力电子固态切换开关 电力电子+断路器固态切换开关
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
需求分析
备自投装置采用传统机械开关， 切换时间长达1s，在两路电源的 相位差较大时易引发较大的冲击 电流，对负荷造成严重损害
备自投装置
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
雷电冲击 操作冲击 短时（1 min）工
压
耐受电压 耐受电压 频耐受电压
（有效值）
系统标称
阀端对地
电压
和
阀端对
阀端对
阀端间
阀端间
阀端间
处于成本考不虑同，相电阀力电子阀技术参地数低，运行可靠性低地。例如，某混
合式固态切换开关，端间绝缘水平低于机械开关断口，需要采取过电压防
护措施。混合式固间态切换开关整体切换时间受机械开关分合闸时间限制。
避雷器参数： 参考电压6kV
避雷器伏安性曲线
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切限流电抗型-----过电压抑制
(a)未装避雷器
（b）加装避雷器
限流电抗器两端电压波形
加装避雷器后最大过电压由17.39kV降为9.75kV，抑制效果显著
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切限流电抗器型-----过电压抑制 避雷器分流对限流熔断器熔断的影响
技术方案研究 需要3大切换功能
负荷侧短路快速隔离功能 电源侧短路快速切换功能 电源电压缺陷和失电快速切换
快速机械开关分闸时间：3ms，合闸时间10ms； 快速混合开关分闸时间：3ms,合闸时间0.1ms
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
技术方案研究
负荷侧短路快速隔离功能------d1点发生短路
序
项目名称
单位 参数值
号
1
额定电压
kV 40.5
2
额定频率
Hz
50
3
最低可触发电压 kV
5
4
触发时延
s <200
5
额定短路电流
kA 31.5
6 额定短路电流峰值 kA
80
额定短路电流通流时
7 间
ms
15
B
2、快速开关
6）40.5kV SF6触发间隙
序
项目名称
单位 参数值
号
1
额定电压
kV 40.5
2
次
7
分闸时间
ms
8
合闸时间
ms
12 50 1250 25 63
5000 ≤3 ≤10
B
2、快速开关
2）40.5kV快速真空断路器
序号
项目名称
1
额定电压
2
额定频率
3
额定电流
4 额定短路开断电流
5 额定短路关合电流
6
机械操作次数
7
分闸时间
8
合闸时间
单位
kV Hz A kA kA 次 ms ms
参数值
40.5 50 1600 31.5 80 3000 ≤5 ≤15
序号
项目名称
1
额定电压
2
额定频率
3
最低可触发电压
4
触发时延
5
额定短路电流
6
额定短路电流峰值
7 额定短路电流通流时间
8 额定短路电流通流次数
9
短路通流触发寿命
单位 kV Hz kV s kA kA ms 次 次
参数值 12 50 0.5
<200 25 63 10 20 200
B
2、快速开关
5）40.5kV真空触发间隙
d2
外网电源1 T1
PT1 LK1
外网电源2 T2
控
PT2
制
器
LK2
对于大容量、多敏感 负载的企业和电网用 户，电源不间断切换 装置应用拓扑图
Ⅱ母线
C1
C3 d1
M
BPQ
C2
图中C1、C2、C3均为
Ⅰ母线 快速开关，运行更加
灵活，成本低、可靠
非
敏
感
设
M
备B
性高。
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
2.目前主要限流措施为加装限流电抗器，虽然 可有效抑制短路电流，但长时运行造成很大无 功和有功损耗，严重影响电网经济性能
无损故 障限流
器
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
需求分析
串抗率12%
典型变电站接线
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
仿真分析
Biblioteka Baidu
短路电流峰值168.2kA，有效值 63kA
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切电抗器型
假设在A相电压零点发生三相短路，当短路电流达到3倍额定电流时爆炸式 开断器收到信号
产生2倍过电压 电压波形
短路电流峰值89.351kA，有效值35.44kA 短路电流波形
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切限流电抗器型-----过电压抑制 过电压抑制方法--------并联避雷器
B
2、快速开关
技术特点：电磁机构，无脱扣机构，动作快，分散性小，零部件少
B
2、快速开关
1
1
4
7
4
4
2
2
2
3
3
5
5
1
6
6
（a）
（b）
1—法兰；2—绝缘外壳；
3—屏蔽罩；4—阳极；
5—阴极；6—触发极
真空触发间隙
3 5
6 （c）
SF6触发间隙
技术特点：电脉冲触发，导通时间数us，可用作快速合闸开关； 低工作系数、大通流能力、快速绝缘恢复。
T2
≤30ms
使用快速开关 并联触发间隙
LK2
≤22ms
Ⅰ母线
M
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
技术方案研究
电源电压缺陷和失电快速切换
控制器实时检测两段母线电压、两路进线电流以及两段母 线电压之间的相角差。 当备用电源电压或与工作电源电压之间的相角差不满足快 速切换条件时闭锁切换。 当工作电源电压缺陷（超过130%额定值或低于75%额定 值时）启动切换程序。 当工作电源失电时，母线电压降低到高度敏感设备正常运 行所需的最低电压后启动切换程序。
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切电抗器型-----运维问题解决方案
限流电抗器
限流熔断器 高速开关
高速开关代替爆炸开关
高速开关+限流熔断器投切电抗器型
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
小结
快速断路器投切电抗器型结构简单，但无法限制首半波短路电 流峰值及有效值； 爆炸式熔断器型能够有效限制全过程短路电流 爆炸式熔断器型限流过程产生的过电压可采用避雷器进行抑制； 爆炸式熔断器型限流器存在的停电更换，炸药管控等运维问题 可采用高速开关+限流熔断器投切电抗器型无损故障限流器。
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
技术方案研究
主电源
备用电源
CB1
CB2
负载
单负载电源不停电切换装置应用拓扑
✓ 对于单一敏感负 载，电源不间断 切换装置应用拓 扑如图所示，
✓ 图中CB1、CB2 均为快速开关， 该方案电源配置 及切换成本较高。
B
3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置
技术方案研究
该限流器结构简单、容易实现，
在对短路电流首半波不敏感的场 合具有较高的应用价值。
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
爆炸式熔断器投切限流电抗型
限流 电抗器 限流 熔断器 爆炸 式开断 器
B
正常运行时，爆炸 式开断器载流，损耗极 小；
当短路故障发生时， 爆炸式开断器先快速断 开，将电流转移至并联 的限流熔断器支路，限 流熔断器再快速开断将 短路电流转移至限流电 抗器支路。
B
1、概述
目前电网中开关设备大多采用弹簧操动机构，传动部件多、 结构复杂、动作时间较长，如采用弹簧机构真空断路器，10kV 产品分闸时间30ms-50ms，合闸时间60ms-70ms；35kV产品分 闸时间50ms-60ms，合闸时间70ms-80ms，且分散性较大。
B
1、概述
电磁领域：随着永磁及新型电磁斥力技术发展，采用其原 理研制的快速断路器日益成熟，分闸时间3ms-5ms,合闸时间 10ms-15ms,开合性能更好，适应未来电网发展大方向；脉冲功 率领域：随着大容量触发间隙技术发展，通流容量可达上千库 仑，工作系数低，适合作为超高速合闸开关。
B
2、快速开关
3）40.5kV快速SF6负荷开关
序 项目名称
号
1
额定电压
2
额定频率
3
额定电流
4
额定开断电流
5 额定短路关合电流
6
机械操作次数
7
分闸时间
8
合闸时间
单位
kV Hz A kA kA 次 ms ms
参数值
40.5 50 1600 2 80 3000 ≤7 ≤8
B
2、快速开关
4）12kV真空触发间隙
快速开关及其成套装置 在电力系统中的应用
B
1
目录
B
1、概述
随着电力系统的发展，风能、光伏等新能源大规模接入 电网，主网架面临不稳定风险日益加大，同时用户侧对电能质 量要求越来越高，因此确保电网减小故障发生率及故障发生时 缩短故障持续时间，提高电网稳定性，是电网研究的方向之一。
B
1、概述
各电压等级开关作为电网关键控制和保护设备，如提高其 分、合闸速度，可提升开断与关合性能同时，能缩短电网故障 持续时间，加快恢复供电，显著提高电网稳定性，具有极大经 济和社会价值。
快速断路器投切限流电抗型 假设在A相电压零点发生三相短路，快速断路器4ms分闸
最大短路电流幅值149.6kA，稳态有效值31.8kA
B
3、快速开关成套装置之无损故障限流器
快速断路器投切限流电抗型
存在问题
无法限制短路电流首半波的峰值 和有效值，但能有效限制其后短 路电流的峰值和有效值。
优点与适 用场合