三種大容量高速開關(guān)的比較

范玉潔，楊 琪

（山東冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟南 250101）

三種大容量高速開關(guān)的比較

范玉潔，楊 琪

（山東冶金設(shè)計院股份有限公司，山東濟南 250101）

介紹了三種大容量高速開關(guān)，一是爆炸式可恢復(fù)大容量高速開關(guān)柜，二是快速渦流驅(qū)動開關(guān)，三是快速永磁斷路器。比較了各開關(guān)的技術(shù)性能與特點。

大容量；高速；開關(guān)

前言

大容量高速開關(guān)主要應(yīng)用于小型發(fā)電機組的出口，采取大容量高速開關(guān)柜與電抗器并聯(lián)的方式，發(fā)電機組正常運行時通過大容量高速開關(guān)柜上網(wǎng)，當(dāng)出現(xiàn)內(nèi)外部短路等大電流故障時，大容量高速開關(guān)可切除故障，發(fā)電機組瞬間切換至電抗器，通過電抗器上網(wǎng)，由于電抗器阻值較大，能在一定時間內(nèi)起到限制大電流的作用，當(dāng)外部短路故障切除后，發(fā)電機組仍然能夠繼續(xù)正常運行，起到保護發(fā)電機組的作用。目前主要有三種大容量開關(guān)，一是爆炸式可恢復(fù)大容量高速開關(guān)，二是快速渦流驅(qū)動開關(guān)，三是快速永磁斷路器，現(xiàn)就三種大容量開關(guān)進行比較。

1 爆炸式可恢復(fù)大容量高速開關(guān)

1.1 主要配置

1.1.1 橋體：簡稱“FS”，其冷態(tài)直流電阻值的范圍為5～20uΩ，在正常情況下，主回路中的電流從FS上流過。在主回路出線故障的情況下，F(xiàn)S在脈沖電流的作用下，在不大于150us的時間內(nèi)斷開。橋體開斷后無氣流和煙霧噴出，對柜內(nèi)絕緣無損壞。

1.1.2 熔斷器：簡稱“FU”，其冷態(tài)直流電阻值的范圍為5～20 mΩ，在正常情況下，主回路中電流從FU上流過的不超過1%。在主回路出線故障的情況下，F(xiàn)S開斷后，短路電流進入FU，在不大于0.5 ms的時間內(nèi)FU熔斷，并產(chǎn)生足夠的弧壓。

分斷時間：（a）截流時間≤1 ms；（b）電流衰減為0 時，時間≤3 ms。

1.1.3 非線性電阻：簡稱“FR”，其冷態(tài)直流電阻值為無窮大，在正常情況下，主回路中電流不從FR上流過。在主回路出線故障的情況下，在FU熔斷過程中，線路上可能會產(chǎn)生瞬時過電壓，此時FR對其進行限壓。當(dāng)系統(tǒng)能量較大，F(xiàn)U不能可靠完全吸收時，F(xiàn)U的弧壓使FR導(dǎo)通，進行吸能和限壓。并把開斷時的過電壓限制在允許范圍內(nèi)（2.5倍額定相電壓以下）。

1.1.4 測控單元（設(shè)置在高速開關(guān)柜上）

根據(jù)采樣電流互感器的信號，對數(shù)據(jù)進行分析計算，當(dāng)電流增長率d i/d t和電流I滿足整定值時，則ZK向MB發(fā)出動作脈沖信號。每套大容量高速開關(guān)裝置上設(shè)置一套由三個相同獨立工作的測控部件構(gòu)成的測控單元，當(dāng)電流幅值和電流變化率超過整定值時，以“表決方式”判斷，發(fā)出分斷信號。

測控單元提供兩對無源常開接點信號（微機報警信號、熔斷器動作信號和橋體動作信號），供用戶使用。

測控單元內(nèi)的處理器使用進口軍用級芯片，以保證其強大的抗干擾性和高速動作性能。

1.2 大容量高速開關(guān)柜（HDF）技術(shù)性能

當(dāng)HDF在保護范圍內(nèi)發(fā)生短路，同時短路電流達到HDF裝置的整定動作值時，HDF在3 ms內(nèi)迅速開斷，將限流電抗器串入回路，使電抗器起到限制短路電流的作用，故障線路出線開關(guān)能夠順利切除故障。正常運行時解決電抗器能耗、電磁干擾及電壓波動等問題。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時，HDF裝置的主回路在0.15 ms之內(nèi)快速斷開，并產(chǎn)生足夠的弧壓，使限壓吸能元件迅速投入，在3 ms內(nèi)將短路電流衰減為零。

HDF在開斷過程中無危害性過電壓。裝置內(nèi)配置過電壓保護裝置，需將開斷過電壓限制在2.5倍的額定相電壓以內(nèi)。

當(dāng)HDF裝置動作時，裝置控制器發(fā)出報警并輸出繼電器無源接點信號，以便用戶能及時處理。

HDF裝置控制器中板件出現(xiàn)故障時，裝置控制器發(fā)出報警并輸出繼電器無源接點信號，以便用戶及時了解裝置的運行狀態(tài)。

2 快速渦流驅(qū)動開關(guān)

高速渦流驅(qū)動開關(guān)基本上都是基于電磁斥力機構(gòu)的高速開關(guān)，機構(gòu)如圖1。

圖1 快速渦流驅(qū)動開關(guān)示意結(jié)構(gòu)圖

此種機構(gòu)的斷路器分閘時間可以縮短到 1 ms左右，觸頭運動時間縮短到 2 ms以內(nèi)，觸頭運動平均速度 6～10 m/s。電磁斥力機構(gòu)可以實現(xiàn)開關(guān)的快速分閘或合閘。

但問題也隨之而來，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）真空滅弧室包括波紋管、觸頭、密封環(huán)節(jié)等不能承受因動作速度大幅度提高而帶來的巨大沖擊力 ，喪失了基本的機械穩(wěn)定性；

（2）操作力的傳動環(huán)節(jié)包括絕緣拉桿及緩沖環(huán)節(jié)無法滿足高速運動對強度的要求；

（3）手動分閘操作下，無法達到固有的分閘速度。

3 快速永磁斷路器

永磁+彈簧復(fù)合快速斷路器特點：

基于改進型永磁操動機構(gòu)的快速真空斷路器，傳統(tǒng)斷路器經(jīng)受了市場環(huán)境的考驗，壽命，分斷能力等可靠性得到檢驗。傳統(tǒng)永磁機構(gòu)機械參數(shù)方面遠遠達不到快速分閘或合閘的要求。要使傳統(tǒng)永磁真空斷路器變?yōu)榭焖僬婵諗嗦菲鳎诓桓淖兛煽啃缘耐瑫r，提高了分閘時間和速度：

（1）永磁+彈簧復(fù)合機構(gòu)。

（2）觸頭壓力大，接觸電阻小，溫升極小。

（3）分閘時間（5～15 ms）可調(diào)，一般在10 ms左右。

（4）具有機械手動分閘功能，在失電的情況下可以手動分合閘。

（5）結(jié)構(gòu)統(tǒng)一化，標(biāo)配中置柜。

（6）零部件標(biāo)準(zhǔn)化，維護保養(yǎng)成本低。

由于系統(tǒng)短路故障往往伴有巨大的非周期分量，那么電弧會持續(xù)燃燒直至電流自然過零時才會熄滅開斷。有賴于滅弧室的滅弧能力。在時間常數(shù)T＜20內(nèi)還是安全可靠的。

在電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，會產(chǎn)生數(shù)值很大的短路電流。如果不加以限制，要保持電氣設(shè)備的動態(tài)穩(wěn)定和熱穩(wěn)定是非常困難的。因此，為了滿足某些斷路器遮斷容量的要求，常在出線斷路器處串聯(lián)電抗器，增大短路阻抗，限制短路電流。

快速斷路器和限流電抗器并聯(lián)，正常運行時可使電抗器處于零損耗，不發(fā)熱，無壓降，使用壽命長的特點。

為了使開關(guān)的可靠性提高，分閘速度5～15 ms可調(diào)。

測控單元的測量計算出短路電流到發(fā)出命令時間在 1～2 ms。

因此裝置能在系統(tǒng)發(fā)生短路的20 ms內(nèi)將短路電流開斷，電抗器投入，限制短路電流。

電氣設(shè)備都能承受20 ms的短路電流沖擊的，常規(guī)斷路器的動作時間50ms以上，微機保護計算發(fā)出命令20～40 ms。因此20 ms內(nèi)將電抗器投入限制短路電流和在15 ms內(nèi)投入限制短路電流沒有區(qū)別。

A Comparison of Three Large Capacity High Speed Sw itches

FAN Yujie，YANG Qi
（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250101,China）

This paper mainly introduces three types of large capacity high speed switches,one of which is an explosion recoverable large capacity high speed switch cabinet,the second is a fast eddy current drive switch and the third is a fast permanent magnet circuit breaker.The technical performance and characteristics of the switches are compared.

large capacity,high speed,switch

TM564.1

B

1006-6764(2018)01-0012-02

2017－08－29

范玉潔（1989－），女，2010年畢業(yè)于濟南大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，工程師，現(xiàn)從事電氣設(shè)計工作。