关于快速真空断路器两个应用误区的分析

刘景博¹  时卫东²    李品德³

（1.西安高压电器研究院；2. 中国电力科学研究院；3. 陕西电力科学研究院）

摘要 本文论述了快速真空断路器和基于爆破切割技术的限流器（FCL）的工作特点，依据快速真空断路器的工作特点和故障电流开断特性，分析了快速真空断路器在零损耗限流装置和母联位置这两种应用场合下可能存在重大安全隐患，指出在目前的技术条件下在上述两种应用场合中FCL具有难以替代性。

关键词  快速真空断路器  高速真空断路器  爆破切割  限流器

  零损耗限流装置  母联开关  应用

The Analysis of Two mistake Applications about Fast-speed VCB

Li Pin-de¹  Shi Wei-dong²

（1. Xi’an High-Voltage Apparatus Research Institute，710048；2. EPRI China,Beijing 100107；3.Shaanxi EPRI,Xi’an 710054,China）

Abstract：The operating feature of fast-speed VCB and fault-current limiter(FCL) are elaborated in these paper. The analysis has been done on two applications of fast-speed VCB and its significant hidden safety dangers according to the operating feature and breaking-features of fast-speed VCB.The alternative device of FCL in applications of zero-lost limiting device and bus-bar connect is not existed in the present technical conditions.

Key Words：fast-speed VCB; high-speed VCB; The blasting-cutting；FCL；Zero-lost limiting device; Bus-bar connect switch；Application

 

1  概述

目前电力市场出现了一种快速真空断路器，也被称为“高速真空断路器”、“高速开关”、“高速涡流断路器”、“可恢复大容量高速开关”等等，其代表产品型式试验确认的基本参数[1]：①电气参数：额定电压12kV，额定电流1600A，额定短时耐受电流40kA，额定峰值耐受电流100kA，振荡回路上进行的研究性试验标明的参数可能更高；②机械参数：开距5mm，超程2mm，分闸时间4-6mm，合闸时间11-16mm，机械寿命10000次。这种断路器采用了改进的永磁机构，通过专用的控制装置快速识别故障电流并发出断路器操作命令，从故障发生到故障切除的总时间在30ms以内。本文之所以把这种断路器称为快速真空断路器，是为了与分闸速度更快（可小于2ms）的基于电磁斥力机构的真空断路器相区别，后者已进行了大量研究[2,3]，从相关资料分析，还没有稳定成型的产品进入市场。

近几年快速真空断路器在一些需要快速开断或快速合闸的场合得到了一定的应用，但在快速开断应用方面出现了两个值得关注的误区，出现这些误区的根源是忽视系统或其它相关设备的短时耐受电流承受极限、试图采用快速真空断路器替代基于爆破切割技术的限流器（FCL）以期获得可重复使用的效果，本文将着重对此进行分析。

2  开断特性

2.1 快速真空断路器的开断特性

要正确应用快速真空断路器，就要先了解其开断特性。图1和图2分别为普通真空断路器和快速真空断路器开断短路电流的波形示意图。普通真空断路器自身分闸时间一般在30ms附近，传统继电保护及信号回路的响应时间在50ms附近，再加上分闸后的燃弧时间将近10ms，所以其故障最快切除时间接近90ms。

图1  普通真空断路器开断31.5kA短路电流波形示意图

Fig 1  The Waveforms of  Normal VCB breaking 31.5kA fault-current

              （a）                        （b）

图2  快速真空断路器开断40kA短路电流的典型波形

Fig 2  The typical Waveforms of fast-speed VCB breaking 40kA fault-current

如前所述,快速真空断路器分闸时间缩减到4-6ms，专用智能识别装置故障响应时间一般不大于6ms，并可将燃弧时间缩短到2ms以内，所以采用快速真空断路器后故障最快切除时间可以控制到30ms以内。在这里，总结一下快速真空断路器的开断特性：（1）故障最快切除时间可以缩短到30ms以内，明显优于普通断路器；（2）与普通断路器一样，故障电流只能在电流自然过零点开断；（3）开断过程不具备限流特性；（4）快速真空断路器一般为分相操作，可以采用智能识别将各相燃弧时间控制在2ms以内，并以此提高断路器的开断能力；（5）与普通断路器一样，快速真空断路器是可以重复使用的，具体效果有待观察。

2.2  FCL的开断特性

基于爆破切割技术的限流器（FCL）的主导电回路由爆破式高速隔离器和特种限流熔断器构成，一旦其专用控制器检测到故障电流信号即瞬间触发爆破式高速隔离器动作，故障电流在1ms时间内即可转移到特种限流熔断器中，并在大约5ms时间内完成限流开断，波形示意图如图3所示，在这里，总结一下FCL的开断特性：（1）故障电流切除时间小于10ms；（2）开断过程具有良好的限流特性；（3）不需要故障电流有自然过零点即可开断；（4）主要开断部件不能重复使用。

图3  FCL开断短路电流的典型波形

Fig 3  The typical Waveforms of FCL breaking fault-current

3  应用误区之一：采用快速真空断路器替代FCL构成零损耗深度限流装置

若电力系统某个结点短路电流过大，传统方法就是串联限流电抗器以增加回路阻抗减小短路电流，但这个限流电抗器有功损耗很大。所谓零损耗深度限流装置就是采用快速真空断路器与限流电抗器并联构成电流主回路，正常情况下限流电抗器被快速真空断路器旁路呈现出零损耗通流状态，出线端一旦存在超出测控单元设定值的短路电流时，测控单元向快速真空断路器发出分闸命令，随着断路器的开断，电流将从断路器支路转移到限流电抗器支路从而起到限流作用。短路故障消失后，测控单元控制断路器自动合闸，恢复到零损耗通流状态[4]。采用快速真空断路器旨在消除正常通流状态下限流电抗器的巨大损耗和可观的电压降落，达到节能降耗、提高电压质量、无损限流的目的，但需要认真分析的是：这种用法能否真正安全可靠的达到上述目的？

图4  零损耗限流装置应用示意图

Fig 4  The schematic diagram of zero-lost fault-current limit device

图5  通过零损耗限流装置的短路电流的波形示意图

Fig 5  The schematic waveforms through zero-lost fault-current limit device

如图4所示，发电机出口短路电流过大，超出普通断路器VCB2的开断能力或系统其它电力设备的承受能力，采用零损耗限流装置试图限制发电机出口的短路电流并消除电抗器损耗，短路电流最终将由VCB2开断。图5是故障电流通过零损耗限流装置处理后的波形：t₀时刻短路故障发生，t₁时刻故障电流开始向限流电抗器转移，t₃时刻故障电流被VCB2开断。值得注意的是，并不是断路器触头一打开故障电流就可以转移到电抗器支路，这是因为断路器触头打开后断口起弧，而电弧压降很低（大约只有100V），电抗器支路的阻抗为欧姆级，所以只有断路器在故障电流自然过零时刻的开断点附近，故障电流才能顺利转移。由于电流由快速真空断路器VCB1转移到限流电抗器中需要将近30ms时间，在转移前故障电流不受限制，显然此时流过故障点的总电流Iz必然会大大超过了与串抗匹配的断路器VCB2的承受能力，即超过了VCB2的额定峰值耐受电流及额定短时耐受电流极限值。虽然在30ms内电流可以完全转移到限流电抗器使故障电流回复到VCB2及系统可以接受的安全范围，但这已经无济于事，VCB2或系统其它设备已经遭遇了超量值短路电流热效应和力效应的冲击，尤其是力效应与电流峰值的平方成正比，这个电动力将瞬间破坏VCB2或相应设备的机械结构甚至造成电气绝缘失效，给用户电力系统带来重大的安全隐患。另外，若系统失去电抗器限流时的短路电流大到一定程度，快速真空断路器VCB1自身的额定峰值电流耐受能力是否满足要求也需根据实际应用情况进行充分评估。举个具体的例子，假设图4中发电机出口短路电流为60kA、峰值电流水平2.5×60kA=150kA，经过限流电抗器后短路电流为30kA、峰值电流水平2.5×30kA=75kA，断路器VCB1、VCB2的额定短时耐受电流为40kA、额定峰值耐受电流为2.5×40kA=100kA。那么在故障发生后30ms内，故障电流=VCB1中的电流=VCB2中的电流，此电流没有转移到限流电抗器中所以没有受到限制，此时电路中的峰值电流将是150kA，超过VCB1、VCB2的极限耐受能力100kA，电动力将是断路器极限耐受能力的(150kA/100kA)² =2.25倍，是限流电抗器限定的电动力水平的(150kA/75kA)² =4倍。很明显，电流转移前，VCB1、VCB2、发电机等都将面临超额峰值电流电动力的威胁，这个电动力将数倍于设备的极限耐受水平，而这个电动力将在瞬间产生破坏效果，这种破坏力与故障电流限定后持续时间没有密切关联。

若将上述快速真空断路器更换为FCL，则可消除上述隐忧。图6是采用FCL前、后主回路故障电流示意图，图中的虚线是限流电抗器被旁路后的预期故障电流，实线为主回路中实际出现的故障电流，显然此故障电流等同于限流电抗器没有被旁路时的水平，对于发电机、VCB1、VCB2等而言是全程安全的。

图6  将快速开关更换为FCL后主回路短路电流的波形对比示意图

Fig 6 The comparison waveforms of fault current in main loop replacing fast-speed VCB with FCL

4  应用误区之二：采用快速真空断路器替代FCL用作大容量变电站母联开关

如图7所示，若两段10kV母线能并列运行（即VCB1闭合），则带来的好处是：优化负荷分配，降低变压器负载损耗，提高电压质量及供电可靠性。但假若两台110kV变压器分别可向10kV侧故障点提供20kA短路电流，母联开关VCB1及馈线开关VCB2为普通断路器（额定短时耐受电流31.5kA，额定峰值耐受电流80kA），那么正常运行时VCB1必须断开处于热备用状态，若VCB1闭合则馈线发生短路时故障电流稳态值将达到40kA，此电流馈线断路器VCB2将无法安全承受，更谈不上安全开断。

将VCB1更换为快速真空断路器，正常运行时VCB1处于闭合状态，馈线故障时VCB2能否安全运行呢？回到图7的波形图，若母联采用VCB1，不管VCB1是普通断路器还是快速真空断路器，在馈线故障后30ms以内故障电流的大半波曲线为虚线表示的i= i₁+i₂，显然其峰值达到了100kA，超过了馈线断路器VCB2额定峰值耐受电流80kA的极限值，这时虽然VCB2还只是连接在电路中不会立即执行开断行为，但其在100kA峰值电流作用下由于电动力效应而导致结构损坏也是情理之中的事，事故隐患已经明显呈现。

图7  母联位置采用VCB1及FCL时故障点短路电流的波形示意图

Fig 7  The schematic waveforms of fault current when using VCB1 and FCL in bus-bar link

若采用FCL取代VCB1[5]，则情况则大不相同，图中实线i₂显示的故障电流即为通过FCL的电流，这时通过故障点或流过馈线开关VCB2的电流曲线如图实线i=i₁+i₂所示，显然此电流没有超过单台变压器提供的短路电流，对于系统和VCB2而言是安全的。

 

5  结语

（1）快速真空断路器可以在30ms内切除故障，但由于其开断过程不具备限流特性，所以在实际应用中应避免走入误区。

（2）快速真空断路器在零损耗深度限流装置和母联位置两种应用中，片面强调其可重复使用的特性而忽视了其开断过程不限流的特性，导致系统及相关设备面临超过其极限承受能力（额定峰值耐受电流）的电动力的冲击，为系统及设备的安全运行埋下了重大事故隐患。

（3）在目前的技术条件下，在零损耗限流装置和母联位置两种应用中，基于爆破切割技术的FCL仍然难以替代。

参考文献

 [1] 李品德，李梦菲，陈刚，基于快速真空断路器的深度限流装置的风险评价[J]，高压电器，2013，49（7）：80-84。

    Li Pin-de,Li Meng-fei,Chen Gan，Risk Assessment of Deep Short-circuit Limiting Device with Zero-lost Based on Fast-speed Vacuum Circuit Breaker[J],High Voltage Apparatus, 2013，49（7）：80-84。

[2] 王子健，何俊佳,等，基于电磁斥力机构的10kV快速真空开关[J]，电工技术学报，2009，24（11）：68-75。

Wang Zijian，HeJunjia，et al.10kV high speed vacuum switch with electromagnetic repulsion mechanism[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009, 24（11）：68-75.

[3] 史宗谦，贾申利,等，真空直流断路器高速操动机构的研究[J]，高压电器，2010，46（3）：18-22。

    Shi Zongqian,Jia Shenli,Investigations on high-speed actuator of vacuum DC circuit breaker[J],High Voltage Apparatus, 2010，46（3）：18-22.

[4] 程艳兵，王志鹏,等，零损耗深度限流装置的优化与应用[J]，铜业工程，2012,116(4)：41-44。

    Cheng Yanbing,Wang Zhipeng,et al.Optimization and Application of zero loss Depth limiting device[J],Copper Engineering, 2012,116(4)：41-44.

 [5] 林立轩，李品德，超高速开关装置在大容量配电变电站的应用研究[J]，高压电器，2007，43（3）：207-211。

 

    Lin Lixuan,Li Pin-de，Study on Application of Super-High-Speed Switchgear in Large-Capacity Distribution Substation[J]，High Voltage Apparatus, 2007，43（3）：207-211。