基于渦流斥力技術(shù)通用型快速斷路器在電壓暫降治理中的應(yīng)用

劉占波，樊銀濤，常海莎

（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北唐山，063700）

1 電網(wǎng)故障及電壓凹陷相關(guān)特性

1.1 電壓暫降定義、電網(wǎng)故障分類及特征

根據(jù)GB/T30137-2013規(guī)定：電壓均方根值低于額定電壓的90%以下，且電壓快速下降，幅值范圍在0.1-0.9Pu，持續(xù)時間0.01s-60s，為電壓暫降。一相或多項電壓均方根值低于額定電壓的10%以下，且電壓快速下降，幅值范圍在持續(xù)時間0.01s-60s，為短時中斷。

電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)某條支路發(fā)生短路故障，在綜保裝置和斷路器切除該故障支路前，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)暫降，所帶負(fù)荷將一直處于低電壓工況。故障切除后，系統(tǒng)電壓開始恢復(fù)，這個母線電壓從驟降直至恢復(fù)到額定電壓的短暫低電壓過程為“晃電”現(xiàn)象。晃電發(fā)生的時間大約在100ms，微機(jī)綜合保護(hù)判斷故障的時間20ms-30ms，斷路器固有動作時間33ms-45ms，電弧過零時間16ms左右。

1.2 設(shè)備對電壓暫降的承受能力

1.2.1 控制類設(shè)備對電壓暫降的承受能力

繼電器廣泛用于電力系統(tǒng)的控制，在高低壓的機(jī)柜中幾乎隨處可見，其中大多是電磁繼電器。其基本原理是利用線圈通過電流時產(chǎn)生的電磁力吸合觸點(diǎn)，電流消失時觸點(diǎn)反彈。當(dāng)繼電器的控制電壓因電壓暫降產(chǎn)生跌落時，繼電器由吸合狀態(tài)變?yōu)獒尫牛?dāng)電壓恢復(fù)時，該繼電器不一定自動合上，其結(jié)果仍是造成生產(chǎn)流程的中斷。低壓控制主回路中常用的交流接觸器的原理與繼電器大致相同，石化行業(yè)內(nèi)常用的電磁閥也類似于繼電器的動作原理。

一般繼電器線圈電壓低于額定電壓的50%時間超過1～2個周波就會釋放，因此對于有電壓暫降發(fā)生的場合，特別是控制敏感型負(fù)載的繼電器，必須考慮保證繼電器不能長久欠壓。為了避免此類事故的發(fā)生，業(yè)內(nèi)有些方案把繼電器用永磁鐵維持，使得該繼電器不依賴外電壓繼續(xù)吸合。雖然一定程度上對電壓的短時間電壓暫降起了防護(hù)作用，但此舉無疑更改了繼電器原設(shè)計的作用，留下了其他事故隱患。

1.2.2 電動機(jī)對電壓暫降的承受能力

工業(yè)中所用的電動機(jī)大多是異步電動機(jī)。異步電機(jī)運(yùn)行時必須輸入感性無功功率，也就是說其勵磁電流必須從系統(tǒng)供給，以維持旋轉(zhuǎn)磁場。當(dāng)系統(tǒng)短路引起的晃電發(fā)生后，系統(tǒng)不再給異步電動機(jī)提供勵磁電流，此時異步電動機(jī)變成異步發(fā)電機(jī)，原有的磁場在旋轉(zhuǎn)中切割定子，產(chǎn)生的定子電壓對外部短路點(diǎn)提供短路電流。從定子側(cè)看，此時電機(jī)等效出一個短路時間常數(shù)，該常數(shù)對3MW以下的電機(jī)而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場能量即可消耗完畢。

電壓暫降結(jié)束后，系統(tǒng)電壓恢復(fù)時加到電機(jī)定子上的電壓將重新建立異步機(jī)內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場，此時電網(wǎng)對異步機(jī)產(chǎn)生的電流將是一個6-7倍于其額定電流的沖擊電流，即數(shù)字上等于其啟動電流，沖擊時間也約為100ms左右，即磁場建立和磁場衰減的時間。該沖擊電流可能會造成電機(jī)的微機(jī)保護(hù)動作，如果是大量電機(jī)一起啟動，過大的沖擊電流會造成線路主開關(guān)過流跳閘，嚴(yán)重情況下會因電機(jī)群瞬間吸收過多無功而使電網(wǎng)電壓長時間過低。

2 通用型快速開關(guān)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于快速渦流斥力技術(shù)的真空斷路器主要由真空滅弧室、絕緣拉桿、分閘線圈、合閘線圈、渦流盤、分閘儲能電容、合閘儲能電容、分合閘放電控制開關(guān)和充電電源等主要部件組成。

圖1 快速開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

快速開關(guān)正常工作時，通過充電電源很快完成對分閘儲能電容和合閘儲能電容的充電。需要分閘時分閘放電控制開關(guān)導(dǎo)通，分閘儲能電容向分閘線圈放電，產(chǎn)生強(qiáng)度很高的脈沖電流，伴隨脈沖電流的脈沖磁場穿過渦流盤時在渦流盤中感應(yīng)出渦流，并產(chǎn)生渦流磁場。脈沖磁場對渦流磁場的排斥力推動渦流盤向下運(yùn)動，同時通過絕緣拉桿帶動動觸頭完成分閘動作。合閘過程相反，合閘線圈的脈沖磁場推動渦流盤向上運(yùn)動，帶動動觸頭完成合閘。由于機(jī)構(gòu)大大簡化，運(yùn)動部分的質(zhì)量大大減輕，為提高斷路器的動作速度創(chuàng)造了條件。另一方面，采用電容儲能，加大了驅(qū)動力，提高了分合閘速度。快速斷路器的合閘時間可以做到10ms左右，分閘時間可以控制在5ms內(nèi)，開斷能力不小于40kA。

3 通用型快速開關(guān)在電壓暫降治理的應(yīng)用分析

3.1 通用型快速開關(guān)與控制器組成直開式母線殘壓保護(hù)裝置

直開式母線殘壓保持裝置由通用型快速開關(guān)、電流互感器、微機(jī)綜合控制器及其附件構(gòu)成。快速開關(guān)是母線殘壓保持裝置的重要執(zhí)行部件，設(shè)置有快速過流微機(jī)綜合控制器是母線殘壓保持裝置的核心控制部件。正常運(yùn)行時微機(jī)綜合控制器通過電流互感器實時監(jiān)測工作電流，一旦超過快速過流保護(hù)整定值，在2ms左右就可判斷為短路故障發(fā)生，并在5ms左右控制快速開關(guān)分閘。直開式母線殘壓保持裝置，可以取代總降變電站或開閉所直接向負(fù)荷供電的出線柜，用以快速切除故障，防止電壓暫降導(dǎo)致非故障區(qū)域敏感設(shè)備的停車故障。

3.2 通用型快速開關(guān)與控制器組成阻開式母線殘壓保護(hù)裝置

阻開式母線殘壓保持裝置主要由后備開關(guān)、通用型快速開關(guān)、限流阻抗、電流互感器、微機(jī)綜合控制器及其附件構(gòu)成。正常運(yùn)行時快速開關(guān)和后備開關(guān)均處于合閘位置，向下一級開閉所正常供電，當(dāng)微機(jī)綜合控制器檢測到工作電流超過快速過流保護(hù)的整定值時，立即判斷為近區(qū)短路，在5ms左右控制快速斷路器分閘，短路電流在第一次過零點(diǎn)被強(qiáng)迫轉(zhuǎn)移到限流阻抗直路，隨著短路電流被限制，非故障區(qū)域的母線電壓迅速恢復(fù)到額定值90%以上。當(dāng)故障支路被切除之后，流經(jīng)母線殘壓保持裝置的電流恢復(fù)到正常水平，微機(jī)綜合控制器立即控制快速開關(guān)合閘，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。阻開式母線殘壓保持裝置，適合于新建或擴(kuò)建工程，可取代總降變電站向開閉所供電的出線柜，用以快速隔離故障點(diǎn)，防止電壓暫降導(dǎo)致非故障區(qū)域敏感設(shè)備的停運(yùn)事故，同時保證繼電保護(hù)有選擇性地動作。

3.3 通用型快速開關(guān)對傳統(tǒng)開關(guān)的改造應(yīng)用

對于已經(jīng)投運(yùn)多年、停電改造困難的系統(tǒng)，可通過將通用快速開關(guān)的二次接口重新設(shè)計與現(xiàn)場一致，在系統(tǒng)不停電情況下，直接更換斷路器即可。方便了改造，節(jié)省了改造停電費(fèi)用和經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié)語

本文通過對電壓暫降的根本原因進(jìn)行分析，提出基于渦流斥力技術(shù)通用型快速斷路器在電壓暫降中的相關(guān)應(yīng)用，實現(xiàn)20ms內(nèi)快速隔離故障點(diǎn)，迅速恢復(fù)上一級母線電壓，保障非故障支路的敏感設(shè)備連續(xù)可靠運(yùn)行，避免電壓暫降導(dǎo)致的電氣設(shè)備大范圍停運(yùn)，進(jìn)而給大中型連續(xù)型企業(yè)挽回重大的經(jīng)濟(jì)損失。