快速开关及成套装置在电力系统中的应用课件

快速开关及其成套装置

在电力系统中的应用1B目录2B1、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。3B1、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。4B1、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。5B1、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。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。6B2、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）7B2、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8B2、快速开关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。9B2、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。10B2、快速开关序号项目名称单位参数值1额定电压kV122额定频率Hz503额定电流A12504额定短路开断电流kA255额定短路关合电流kA636机械操作次数次50007分闸时间ms≤38合闸时间ms≤101）12kV快速真空断路器11B2、快速开关2）40.5kV快速真空断路器序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503额定电流A16004额定短路开断电流kA31.55额定短路关合电流kA806机械操作次数次30007分闸时间ms≤58合闸时间ms≤1512B2、快速开关3）40.5kV快速SF6负荷开关序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503额定电流A16004额定开断电流kA25额定短路关合电流kA806机械操作次数次30007分闸时间ms≤78合闸时间ms≤813B2、快速开关4）12kV真空触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV122额定频率Hz503最低可触发电压kV0.54触发时延s<2005额定短路电流kA256额定短路电流峰值kA637额定短路电流通流时间ms108额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次20014B2、快速开关5）40.5kV真空触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503最低可触发电压kV54触发时延s<2005额定短路电流kA31.56额定短路电流峰值kA807额定短路电流通流时间ms158额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次20015B2、快速开关6）40.5kVSF6触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503最低可触发电压kV104触发时延s<2005额定短路电流kA31.56额定短路电流峰值kA807额定短路电流通流时间ms158额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次20016B3、快速开关成套装置无损故障限流器电源不间断切换装置17B1.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3、快速开关成套装置之无损故障限流器需求分析18B典型变电站接线串抗率12%3、快速开关成套装置之无损故障限流器需求分析19B短路电流峰值168.2kA，有效值63kA

不加装限流电抗器短路电流峰值降83.4kA，有效值32.74kA加装限流电抗器3、快速开关成套装置之无损故障限流器仿真分析20B

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3、快速开关成套装置之无损故障限流器技术方案研究21B快速断路器投切限流电抗型

3、快速开关成套装置之无损故障限流器22B

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快速断路器投切限流电抗型3、快速开关成套装置之无损故障限流器23B快速断路器投切限流电抗型

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。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。存在问题优点与适用场合3、快速开关成套装置之无损故障限流器24B爆炸式熔断器投切限流电抗型

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。3、快速开关成套装置之无损故障限流器25B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短路电流波形短路电流峰值89.351kA，有效值35.44kA电压波形产生2倍过电压3、快速开关成套装置之无损故障限流器26B爆炸式熔断器投切限流电抗器型-----过电压抑制

避雷器伏安性曲线避雷器参数：参考电压6kV过电压抑制方法--------并联避雷器3、快速开关成套装置之无损故障限流器27B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3、快速开关成套装置之无损故障限流器28B爆炸式熔断器投切限流电抗器型-----过电压抑制

避雷器电流与限流熔断器电流波形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。避雷器分流对限流熔断器熔断的影响3、快速开关成套装置之无损故障限流器29B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。3、快速开关成套装置之无损故障限流器30B爆炸式熔断器投切电抗器型-----运维问题解决方案

高速开关+限流熔断器投切电抗器型高速开关代替爆炸开关3、快速开关成套装置之无损故障限流器31B

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。3、快速开关成套装置之无损故障限流器小结32B

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。3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析33B

备用电源自动投入装置固态切换开关现阶段主要的电源切换装置纯电力电子固态切换开关电力电子+断路器固态切换开关3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析34B

备自投装置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3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析35B

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。3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析36B

混合式固态切换开关拓扑图3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析37B

系统标称电压雷电冲击耐受电压操作冲击耐受电压短时（1min）工频耐受电压局部放电测试电压（有效值）阀端对地和不同相阀间阀端间阀端对地阀端间阀端对地阀端间10752942181713某固态切换开关中电力电子阀绝缘水平

处于成本考虑，电力电子阀技术参数低，运行可靠性低。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。混合式固态切换开关整体切换时间受机械开关分合闸时间限制。3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析38B

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。3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置需求分析39B

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。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40B

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图中C1、C2、C3均为快速开关，运行更加灵活，成本低、可靠性高。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41B

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需要3大切换功能技术方案研究3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置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0.1ms42B负荷侧短路快速隔离功能------d1点发生短路分列运行并列运行隔离时间≤20ms3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置技术方案研究43B

电源侧短路快速切换功能---d2点发生短路分列运行并列运行只使用快速开关，切换时间≤30ms使用快速开关并联触发间隙≤22ms3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置技术方案研究44B

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。电源电压缺陷和失电快速切换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45B

电源电压缺陷和失电快速切换---工作电源失电分列运行并列运行只使用快速开关，切换时间≤25ms使用快速开关并联触发间隙≤17ms3、快速开关成套装置之电源不间断切换装置技术方案研究46B

表112kV电源不间断切换装置技术指标序号项目技术指标快速机械开关快速混合开关1检测时间（ms）≤2≤22分闸时间（ms）≤3≤33合闸时间（ms）≤10≤0.14负荷侧短路隔离时间（ms）≤20≤205电源电压缺陷切换时间（ms）≤25≤176电源侧短路切换时间（ms）≤30≤227额定短路开断能力（kA）25258额定峰值耐受电流（kA）63633、快速开关成套装置之电源不间断切换装置技术方案研究47B

电源不间断切换装置需要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，给出了对每项功能的分列运行与并列运行方式的切