真空断路器教材

真空断路器基于快速开关与短路故障快速识别的快速控制技术对于企业电网关键技术及开发应用1技术关键之一：快速开关●快速涡流驱动机构的结构原理绝缘子★快速真空接触器●快速真空断路器的开发★快速真空断路器★开关式消弧装置●快速真空断路器的验证★策划生产基地●快速开关的批量生产★聘请德国专家★产品批量生产●短路故障快速识别技术关键之二：快速识别●大量的应用实践●短路故障的过零开断配网低电压治理与节能方案●重负荷长距离输电的电压质量治理★线路压降对末端电压的影响

RX12★长线路重负载时末端电压不合格

案例1：94km的110kV线路，末端35kV母线电压72.86%

案例3：89km的35kV线路，末端10kV母线电压84.61%

案例4：25km的10kV线路，末端10kV母线电压79.0%

案例2：76km的110kV线路，末端35kV母线电压82.86%★长线路轻载或空载末端电压翘尾RX12

b/2b/2★长线路重负载低电压治理方案分析▲并联补偿

▲调分接头

▲普通串补

★技术复杂、可靠性差

★造价较高、性价比低

★响应速度慢、不能解决电压波动

★最多只能提高10%★动作寿命低、维护工作量大

★不能解决电压波动

★补偿电容器必须承受短路冲击

★结构庞大、造价昂贵

★技术复杂、可靠性差

★开关式中高压新型串补装置▲技术关键

★快速开关

★快速识别

★氧化锌阀片的动态均能

▲构成原理

▲应用效果

综合指标线路电压末端电压偏差补后电压偏差节省投资幅度案例1220kV/76km-31.82%-6.35%46.67%案例2110kV/95km-15.35%-5.58%78%案例3110kV/76km17.14%-8.51%78%案例435kV/km末端电压84.61%末端电压95.3%54%案例510kV/25km末端电压79.0%末端电压93.0%60%▲新型串补装置的节能效果

线路电压

线路电流网损

电压等级工程投资降低网损经济效益回收年线220kV1600万元788.6万kWh394.3万元4.058年110kV260万元87.37万kWh43.68万元5.952年●限流电抗器电能损耗与电压降治理★限流电抗器的电能损耗▲发热损耗▲无功损耗▲综合损耗电抗器参数综合损耗年电能损耗年经济损失10kV、4000A、13.5%383.88kW307.1万kWh153.6万元10kV、2500A、10.0%217.13kW173.7万kWh68.8万元35kV、1500A、2.5%273.25kW218.6万kWh109.3万元★限流电抗器对电压质量的影响

★限流电抗器的漏磁场问题▲恶化电磁环境

▲附加发热损耗

★限流电抗器节能控制装置关键技术的开发应用成果●2013年获得两项“国际领先”的科研成果●2013年被国家电网列入“新技术推广目录”●2014年被列入国家重点节能技术推广目录●2014年“成套快切”获评“国际领先水平”●2015年获国家电网公司“科技成果一等奖”电缆电网消弧选线方案2■线路电缆化导致的接地处理难题★电缆线路接地电弧熄灭后故障仍然存在①固体绝缘—绝大多数为永久性故障②高频电流破坏了电弧自熄的条件③消弧线圈不能再创造电弧熄灭条件●线路电缆化导致传统接地处理方法失效▲稳态电流Ic增大25～50倍▲高频电流增大至少十几倍甚至数十倍▲高频电流作用的时间大大延长增大数千倍很快形成相间短路★故障发展迅速—人工选线失灵▲高电压导致两相异地短路事故很快形成两相异地短路高幅值弧光接地过电压连锁跳闸事故连锁跳闸事故★消弧线圈补偿作用失效▲补偿后的阻性电流超过了自熄电流线路电缆化接地电弧不能自熄▲补偿后的残流过大电弧不能自熄▲消弧线圈不能补偿高频电流□高频电流增大至少十几倍甚至数十倍□高频电流作用的时间大大延长ω■电缆电网接地故障处理的瓶颈①快速有效控制接地故障的发展▲尽快有效熄灭接地电弧▲尽快限制过电压到安全水平▲要能维持运行至少2小时②快速准确地选出故障线路★以跳闸为目的加速故障发展的选线▲中性点采用小电阻接地方式□以牺牲供电可靠性为代价□只能在少数城区电网尝试□我国权威专家给予的评价▲消弧线圈并联中值电阻接地方式□正常时经消弧线圈接地□发生单相接地时投入中阻□选出故障线路后必须跳闸▲消弧线圈结合“触点消弧”的脉冲选线□正常时消弧线圈不投□发生单相接地先投入触点消弧□消弧线圈调谐后退出触点消弧□永久故障时启动“脉冲选线”▲加大脱谐度的残流增量选线□正常时经消弧线圈接地□发生单相接地时拉大脱谐度□选出故障线路后必须跳闸▲基波稳态量分析原理□比相法、比幅法、群体比相比幅法□功率方向法、有功分量法□时序鉴别法、导纳法★不加速也不控制故障发展的选线▲各种暂态量分析原理□首半波法□小波法□能量法□暂态分量法▲外加微小信号法□行波法□外加高频信号法▲谐波稳态量分析原理①非故障相铁磁元件发生饱和原理描述②饱和后的铁磁元件输出谐波电流③谐波电流以3次和5次谐波为主④故障线路谐波电流最大方向相反⑤采用比相、比幅或功率法选线■线路电缆化导致的接地处理难题★固体绝缘—电弧熄灭后绝缘不能恢复●传统设法熄灭接地电弧的做法失效★高频电流破坏了电弧自熄的条件★消弧线圈不能重新创造电弧熄灭的条件▲稳态电流Ic增大25～50倍▲高频电流增大至少十几倍甚至数十倍▲高频电流作用的时间大大延长增大数千倍很快形成相间短路★大电弧很快破坏相间绝缘●故障发展迅速—人工选线失灵很快形成两相异地短路高幅值弧光接地过电压连锁跳闸事故连锁跳闸事故★高电压导致两相异地短路事故★补偿后的阻性电流超过了自熄电流线路电缆化接地电弧不能自熄●消弧线圈补偿效果失效★补偿后的残流电弧不能自熄●小电阻接地方式实施困难①供电可靠性的要求②瞬态电压、瞬态电流对设备的影响③对通讯的影响④对继电保护的要求⑤本地的运行经验■降低电缆电网接地跳闸率的瓶颈①快速有效控制接地故障的发展▲尽快有效熄灭接地电弧▲尽快限制过电压到安全水平▲要能维持运行至少2小时②快速准确地选出故障线路★以跳闸为目的加速故障发展的选线▲中性点采用小电阻接地方式▲消弧线圈并联中值电阻方式▲人为拉大消弧线圈的脱谐度▲基波稳态量分析原理□比相法、比幅法、群体比相比幅法□功率方向法、有功分量法□时序鉴别法、导纳法★不加速也不控制故障发展的选线▲各种暂态量分析原理□首半波法□小波法□能量法□暂态分量法▲外加微小信号法□行波法□外加高频信号法▲谐波稳态量分析原理①非故障相铁磁元件发生饱和原理描述②饱和后的铁磁元件输出谐波电流③谐波电流以3次和5次谐波为主④故障线路谐波电流最大方向相反⑤采用比相、比幅或功率法选线●早期“熔丝式”消弧选线装置★功能配置的不合理问题★上下级配合不协调问题★限流熔断器开断安全性★城网供电时的动作程序■开关式配网消弧选线装置●开关式消弧选线装置的构成★自脱离免维护过电压保护器BOD★电压互感器YH及熔断器RD★隔离开关GN★分相控制的快速接地开关JZ★微机综合控制器★接地电流互感器LH★导体式强阻尼抑制器DR●开关式消弧选线装置的原理★“消弧”原理★“选线”原理▲微机二次消谐装置的效果▲不饱PT和抗饱和PT的采用▲一次消谐器的选型与设计★“消谐”原理过电压饱和深度饱和严重过载烧PT、爆保险电感下降铁磁谐振分频谐振基频、高频谐振●装置的功能特点★功能强大接地保护、自动选线、综合消谐、越限报警运行监测、缺相报警、事件记忆、数据远传★适应性强电缆电网、混合电网、企业电网、成交配网★动作迅速在20ms之内将故障相直接接地控制故障发展★准确率高利用电弧熄灭前后线路零序电流的变化选线★维护简单动作后30s自动复位、两相异地短路快速开断●装置的现场实施★外形参考尺寸1000×1450×2260★方案的实施方案1：利用扩建空间装设开关式消弧选线装置方案2：开关式消弧选线装置替换电压互感器柜方案3：取消消弧线圈安装开关式消弧选线装置方案4：电压互感器柜改成开关式消弧选线装置●装置的应用业绩■中压配网的中性点接地方式●建国初期中性点接地方式★选择的原则电弧的最小熄灭电流有效值★标准的规定①3～10kV供配电系统：30A②35kV配电网：10A③发电机回路：5A★实施的效果基本满足当初负荷对可靠性的要求●DL/T620对架空电网接地方式的调整★长放电间隙①3～6kV架空电网：30A②10kV架空电网：20A③35kV架空电网：10A★短放电间隙①3～6kV架空电网：10A②10kV架空电网：10A③35kV架空电网:10A●DL/T620对发电机接地方式的细化★带接地运行①出口电压为6kV：4A②出口电压为10kV：3A③出口电压为13.8～25.75kV：2A★不带接地运行①高阻接地：10A④出口电压为18～20kV：1A运行电压↑→自熄电流↓●中性点接地方式调整的规律★与运行电压的关系★与电弧长度的关系电弧长度↓→自熄电流↓●电缆电网的中性点接地方式★DL/T620推荐的选择方法①第3.1.2条第c款：3～10kV电缆电网30A②第3.1.4条：3～35kV电缆电网：

可以采用小电阻接地方式★DL/T620推荐的电缆电网接地方式前后不符运行电压↑→自熄电流↓电弧长度↓→自熄电流↓★DL/T620推荐的接地方式不适合企业电网①供电可靠性的要求②瞬态电压、瞬态电流对设备的影响③对通讯的影响④对继电保护的要求⑤本地的运行经验●2003年全国电气中心组会议的共识★小电阻接地方式仅限于国外总包工程★国内或国外可控工程采用非有效接地①电缆电网接地故障跳闸率过高问题②电缆电网过电压防护及避雷器爆炸问题③烧PT爆保险问题●电缆电网运行中的问题①消弧消谐柜的实际效果不尽人意②小电流选线装置准确率太低③过电压保护器行业的混乱现象●经过十几年的尝试效果不佳●个别商家的炒作与误导▲消弧柜与消弧线圈构成接地管理系统★构成与原理★消弧柜★消线圈★接地变及综合控制系统★发生接地时先将接地变直接接地10ms★实现脉冲选线判断故障支路和类型★完成选线后启动消弧柜和消弧线圈★消弧线圈稳定后退出消弧柜★故障消除后退出消弧线圈★误导与质疑①所谓“脉选”对故障点的加速破坏②消弧线圈的作用及其必要性③整套装置性价比是否合理●中性点经非线性电阻接地UCiUgU1mA100Au1mAACBUBUCUA▲正常运行漏电流很小▲金属接地1mA左右▲弧光接地超过100A▲弧光接地维持0.3s短路电流超标治理方案3电网的短路电流超标问题●母线短路容量越来越大★单机容量增加★电源并列运行★系统扩建●断路器的开断能力问题★大型发电机出口厂用分支无保护★系统增容后原有断路器的开断能力问题★31.5kA以上断路器的造价问题★高压超高压电网短路电流超过63kA●110kV及以上大型变压器事故问题▲统计数据★1995～2000年超过400台次，2000～2005年近300台次★2004年国家电网的统计数据★近年西北、西南、内蒙地区时有发生▲冲击倍数★一般为6～7倍★个别接近5倍▲解决对策★在变压器出口实施限流措施★限制到额定电流的4倍左右●有损耗限流措施▲限流电抗器的电能损耗、电磁干扰和

低压问题★电抗器的总损耗目前的短路电流限制措施★电抗器的经济损失○10kV/4.0kA/13.5%/30kW----307.1万kWh，153.6万元○35kV/1.5kA/2.5%----218.6万kWh，109.3万元○10kV/2.5kA/10%/45kW----173.7万kWh，68.8万元○10kV/1.5kA/10%/30kW----83.5万kWh，41.7万元▲高阻抗变压器★与限流电抗器相比只解决了漏磁场问题★电能损耗和电压波动问题依然存在▲系统解列运行★对负荷的供电可靠性问题★变压器的经济运行问题★不同区域的供用电的平衡问题★孤网运行电压和频率质量问题●节能型限流措施▲LC串联谐振型限流器★正常时串联电容器与限流电抗器运行在工频谐振点附近★短路时迅速短接串联电容器由限流电抗器限制短路电流▲直流偏磁限流电抗器★正常时通入偏磁电流使电抗器工作在饱和的低阻抗状态★短路时迅速撤出直流偏磁使限流电抗器工作在不饱和的高阻抗状态●无损耗限流措施▲电弧驱动式限流器★正常时主触头闭合，短路时靠触头间的电弧电阻限流★存在运行寿命、可靠性及维护工作量问题▲电子开关式限流器★正常时电子开关将电抗器短接，短路时将电抗器串入★存在结构复杂、可靠性差的问题▲超导型限流器★参数低、满足不了电网需要★体积庞大、造价昂贵、技术复杂、可靠性差大容量快速开关FSR的开发与应用●工作原理★正常时FSR将电抗器短接，处于零损耗状态★短路时FSR在1ms左右使电抗器投入限流●应用实践★2001年开始应用至今已运行上万台年★2009年35kV户外式零损耗限流装置投运●效果评价★结构简单便于实施★造价低廉性价比高★维护量大推广受限无损耗深度限流装置的开发实践●装置的组成与结构●装置的现场图片●装置的现场图片▲用于主变压器出口★有效防止变压器损坏事故★大幅度降低母线短路容量●装置的典型应用方案▲用于母联断路器回路★有效降低并列运行时的短路电流★大幅度降低系统扩建时的投资▲用于自备机组出口★解决短路电流超标★解决动热稳定问题▲用于发电厂厂用分支★厂用分支断路器选型的难题★避免对厂用变等设备的巨大冲击连续供电技术与应用4tt0/0Ut1/20t2/60t3/70Ue暂降发生故障保护出口开关跳闸故障切除故障系统关联系统正常系统电压暂降的形成与后果●电压暂降的形成●电压暂降（晃电）的后果★变频器停止供电▲时间常数43.5ms

▲放电时间16.16ms

20ms★变频器停止供电的后果①企业重要生产设备停运④厂用高压变频器低电压穿越失败②电动机转速波动导致次品③精密加工行业造成断丝等废品★控制类设备无压释放▲20～

30ms后交流接触器释放▲30～

40ms后交流电磁阀释放▲20～

30ms后低电压保护动作连跳主机停生产线设备停运★对电动机的冲击▲电动机承受两次大电流冲击▲电压恢复时电动机群对系统的冲击反馈电流启动电流现行措施与效果★现行措施①光纤纵差保护②缩短时限级差★实施效果①对非敏感负荷②对敏感负荷●快速隔离故障区域●双电源快速切换“装置”★现行措施▲判断时间：2～12ms▲分闸时间：40～60ms▲合闸时间：40～60ms▲燃弧时间：10～20mstt0故障开始t1分闸指令t4主开关分t2无压释放停止供电t3电磁阀关t6故障隔离t5合闸指令t7电源切换012ms20ms30ms52～72ms1281022～42ms1062～82ms0～1062～92ms40～60ms102～152ms★双电源切换实施效果①对非敏感负荷200～300ms②对敏感负荷不能连续供电③同期捕捉困难④系统配合●高压变频器的低电压穿越★现行措施①加大储能电容量②直流母线电压续航③电动机动能回收★低电压穿越实施效果①设备造价②运行维护③电机出力用作连续供电的产品开发★构成●基于快速控制的无扰动快切装置执行部件快速开关控制部件快速识别结构特点成套供货★指标15ms之内并行切换变频、控制30ms之内串行切换电动机★切换装置的试验考核①区内短路：只切不投②区外短路：快速切换③电源开路：快速切换▲区内故障—“单相短路”★切换的实录波形故障开始跳闸指令故障切除▲区外故障—“两相短路”故障开始跳闸指令故障隔离合闸指令切换成功▲电源开路—“断电”故障开始跳闸指令合闸指令切换成功★装置构成●基于快速开关的母线电压保持装置★工作原理★主要功能快速恢复电压自动恢复运行常规综保功能★产品种类①阻开式②阻抗式③直开式用在总站用在改造直供支线连续供电的整体解决方案●外网故障时的无扰动快切方案★外网短路导致的电压暂降★进线短路导致的电源失电★进线开路导致的电源失电★中压变频器的无扰动切换▲切换方式并行切换▲切换时间＜15ms▲适应故障类型凹陷、短路、开路▲切换方式串行切换▲切换时间＜15ms▲适应设备各类设备★低压配变的整体切换★中压大型电机的无扰动切换▲切换方式串行切换▲切换时间＜30ms▲适应故障类型凹陷、短路、开路●内网故障关联系统的快速自愈★高阻抗隔离▲任一条支路故障只影响1/10▲90%的区域20ms之内恢复电压★限流装置的分区隔离原理①正常时快速换流器闭合③按残压设计深度限流器②短路时串入深度限流器★重要敏感设备的无扰动快切方案①中压变频设备采用中压成套快切②低压重要辅机采用低压成套快切③重要中压电机采用中压成套快切★非敏感重要负荷的普通快切方案▲热力负荷▲短时断续工作制的负荷▲不至于造成停产允许再启动的电机▲动作总降6、10kV主进线与母联开关★防止生产设备损坏的备自投方案▲检定无压后投入备用电源▲适于35kV及以上电压等级▲适于自备机组和保安电力●具有双电源供电的外网晃电应用案例连续供电技术的应用案例中压变频设备控制器D①重要敏感设备—30ms内快速切换②重要生产设备—500ms内切换③非敏感重要设备—1000ms内切换④其他重要设备—数秒内切换Ⅰ级快切Ⅱ级快切备自投非重要回路的高阻抗快切隔离直供负荷支路直开式：101、102，

204、205。开闭所的进线阻开式：103、104、105，201、202、203。101102204205103104201202105203●具有双电源供电的内网晃电应用案例重要辅机①高阻抗快速隔离

—直配负荷采用直开式、

其他支路采用阻开式②重要敏感负荷

—重要辅机、重要变频

特殊电机③非敏感重要负荷

—热力设备、短时工作

允许500ms电压暂降④非敏感重要负荷

—热力设备、短时工作

允许1000ms电压暂降●具有单电源供电的内网晃电应用案例控制器C1C2AVTVTVAV重要敏感负荷母线K1短路点总电流110kV电压1