創(chuàng)新、誠信、務實、高效
關于快速真空斷路器兩個應用誤區(qū)的分析
劉景博1 時衛(wèi)東2 李品德3
（1.西安高壓電器研究院；2. 中國電力科學研究院；3. 陜西電力科學研究院）
摘要 本文論述了快速真空斷路器和基于爆破切割技術的限流器（FCL）的工作特點，依據(jù)快速真空斷路器的工作特點和故障電流開斷特性，分析了快速真空斷路器在零損耗限流裝置和母聯(lián)位置這兩種應用場合下可能存在重大安全隱患，指出在目前的技術條件下在上述兩種應用場合中FCL具有難以替代性。
關鍵詞 快速真空斷路器 高速真空斷路器 爆破切割 限流器
零損耗限流裝置 母聯(lián)開關 應用
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
目前電力市場出現(xiàn)了一種快速真空斷路器，也被稱為“高速真空斷路器”、“高速開關”、“高速渦流斷路器”、“可恢復大容量高速開關”等等，其代表產品型式試驗確認的基本參數(shù)[1]：①電氣參數(shù)：額定電壓12kV，額定電流1600A，額定短時耐受電流40kA，額定峰值耐受電流100kA，振蕩回路上進行的研究性試驗標明的參數(shù)可能更高；②機械參數(shù)：開距5mm，超程2mm，分閘時間4-6mm，合閘時間11-16mm，機械壽命10000次。這種斷路器采用了改進的永磁機構，通過專用的控制裝置快速識別故障電流并發(fā)出斷路器操作命令，從故障發(fā)生到故障切除的總時間在30ms以內。本文之所以把這種斷路器稱為快速真空斷路器，是為了與分閘速度更快（可小于2ms）的基于電磁斥力機構的真空斷路器相區(qū)別，后者已進行了大量研究[2,3]，從相關資料分析，還沒有穩(wěn)定成型的產品進入市場。
近幾年快速真空斷路器在一些需要快速開斷或快速合閘的場合得到了一定的應用，但在快速開斷應用方面出現(xiàn)了兩個值得關注的誤區(qū)，出現(xiàn)這些誤區(qū)的根源是忽視系統(tǒng)或其它相關設備的短時耐受電流承受極限、試圖采用快速真空斷路器替代基于爆破切割技術的限流器（FCL）以期獲得可重復使用的效果，本文將著重對此進行分析。
2 開斷特性
2.1 快速真空斷路器的開斷特性
要正確應用快速真空斷路器，就要先了解其開斷特性。圖1和圖2分別為普通真空斷路器和快速真空斷路器開斷短路電流的波形示意圖。普通真空斷路器自身分閘時間一般在30ms附近，傳統(tǒng)繼電保護及信號回路的響應時間在50ms附近，再加上分閘后的燃弧時間將近10ms，所以其故障最快切除時間接近90ms。
圖1 普通真空斷路器開斷31.5kA短路電流波形示意圖
Fig 1 The Waveforms of Normal VCB breaking 31.5kA fault-current
（a） （b）
圖2 快速真空斷路器開斷40kA短路電流的典型波形
Fig 2 The typical Waveforms of fast-speed VCB breaking 40kA fault-current
如前所述,快速真空斷路器分閘時間縮減到4-6ms，專用智能識別裝置故障響應時間一般不大于6ms，并可將燃弧時間縮短到2ms以內，所以采用快速真空斷路器后故障最快切除時間可以控制到30ms以內。在這里，總結一下快速真空斷路器的開斷特性：（1）故障最快切除時間可以縮短到30ms以內，明顯優(yōu)于普通斷路器；（2）與普通斷路器一樣，故障電流只能在電流自然過零點開斷；（3）開斷過程不具備限流特性；（4）快速真空斷路器一般為分相操作，可以采用智能識別將各相燃弧時間控制在2ms以內，并以此提高斷路器的開斷能力；（5）與普通斷路器一樣，快速真空斷路器是可以重復使用的，具體效果有待觀察。
2.2 FCL的開斷特性
基于爆破切割技術的限流器（FCL）的主導電回路由爆破式高速隔離器和特種限流熔斷器構成，一旦其專用控制器檢測到故障電流信號即瞬間觸發(fā)爆破式高速隔離器動作，故障電流在1ms時間內即可轉移到特種限流熔斷器中，并在大約5ms時間內完成限流開斷，波形示意圖如圖3所示，在這里，總結一下FCL的開斷特性：（1）故障電流切除時間小于10ms；（2）開斷過程具有良好的限流特性；（3）不需要故障電流有自然過零點即可開斷；（4）主要開斷部件不能重復使用。
圖3 FCL開斷短路電流的典型波形
Fig 3 The typical Waveforms of FCL breaking fault-current
3 應用誤區(qū)之一：采用快速真空斷路器替代FCL構成零損耗深度限流裝置
若電力系統(tǒng)某個結點短路電流過大，傳統(tǒng)方法就是串聯(lián)限流電抗器以增加回路阻抗減小短路電流，但這個限流電抗器有功損耗很大。所謂零損耗深度限流裝置就是采用快速真空斷路器與限流電抗器并聯(lián)構成電流主回路，正常情況下限流電抗器被快速真空斷路器旁路呈現(xiàn)出零損耗通流狀態(tài)，出線端一旦存在超出測控單元設定值的短路電流時，測控單元向快速真空斷路器發(fā)出分閘命令，隨著斷路器的開斷，電流將從斷路器支路轉移到限流電抗器支路從而起到限流作用。短路故障消失后，測控單元控制斷路器自動合閘，恢復到零損耗通流狀態(tài)[4]。采用快速真空斷路器旨在消除正常通流狀態(tài)下限流電抗器的巨大損耗和可觀的電壓降落，達到節(jié)能降耗、提高電壓質量、無損限流的目的，但需要認真分析的是：這種用法能否真正安全可靠的達到上述目的？
圖4 零損耗限流裝置應用示意圖
Fig 4 The schematic diagram of zero-lost fault-current limit device
圖5 通過零損耗限流裝置的短路電流的波形示意圖
Fig 5 The schematic waveforms through zero-lost fault-current limit device
如圖4所示，發(fā)電機出口短路電流過大，超出普通斷路器VCB2的開斷能力或系統(tǒng)其它電力設備的承受能力，采用零損耗限流裝置試圖限制發(fā)電機出口的短路電流并消除電抗器損耗，短路電流最終將由VCB2開斷。圖5是故障電流通過零損耗限流裝置處理后的波形：t0時刻短路故障發(fā)生，t1時刻故障電流開始向限流電抗器轉移，t3時刻故障電流被VCB2開斷。值得注意的是，并不是斷路器觸頭一打開故障電流就可以轉移到電抗器支路，這是因為斷路器觸頭打開后斷口起弧，而電弧壓降很低（大約只有100V），電抗器支路的阻抗為歐姆級，所以只有斷路器在故障電流自然過零時刻的開斷點附近，故障電流才能順利轉移。由于電流由快速真空斷路器VCB1轉移到限流電抗器中需要將近30ms時間，在轉移前故障電流不受限制，顯然此時流過故障點的總電流Iz必然會大大超過了與串抗匹配的斷路器VCB2的承受能力，即超過了VCB2的額定峰值耐受電流及額定短時耐受電流極限值。雖然在30ms內電流可以完全轉移到限流電抗器使故障電流回復到VCB2及系統(tǒng)可以接受的安全范圍，但這已經無濟于事，VCB2或系統(tǒng)其它設備已經遭遇了超量值短路電流熱效應和力效應的沖擊，尤其是力效應與電流峰值的平方成正比，這個電動力將瞬間破壞VCB2或相應設備的機械結構甚至造成電氣絕緣失效，給用戶電力系統(tǒng)帶來重大的安全隱患。另外，若系統(tǒng)失去電抗器限流時的短路電流大到一定程度，快速真空斷路器VCB1自身的額定峰值電流耐受能力是否滿足要求也需根據(jù)實際應用情況進行充分評估。舉個具體的例子，假設圖4中發(fā)電機出口短路電流為60kA、峰值電流水平2.5×60kA=150kA，經過限流電抗器后短路電流為30kA、峰值電流水平2.5×30kA=75kA，斷路器VCB1、VCB2的額定短時耐受電流為40kA、額定峰值耐受電流為2.5×40kA=100kA。那么在故障發(fā)生后30ms內，故障電流=VCB1中的電流=VCB2中的電流，此電流沒有轉移到限流電抗器中所以沒有受到限制，此時電路中的峰值電流將是150kA，超過VCB1、VCB2的極限耐受能力100kA，電動力將是斷路器極限耐受能力的(150kA/100kA)2 =2.25倍，是限流電抗器限定的電動力水平的(150kA/75kA)2 =4倍。很明顯，電流轉移前，VCB1、VCB2、發(fā)電機等都將面臨超額峰值電流電動力的威脅，這個電動力將數(shù)倍于設備的極限耐受水平，而這個電動力將在瞬間產生破壞效果，這種破壞力與故障電流限定后持續(xù)時間沒有密切關聯(lián)。
若將上述快速真空斷路器更換為FCL，則可消除上述隱憂。圖6是采用FCL前、后主回路故障電流示意圖，圖中的虛線是限流電抗器被旁路后的預期故障電流，實線為主回路中實際出現(xiàn)的故障電流，顯然此故障電流等同于限流電抗器沒有被旁路時的水平，對于發(fā)電機、VCB1、VCB2等而言是全程安全的。
圖6 將快速開關更換為FCL后主回路短路電流的波形對比示意圖
Fig 6 The comparison waveforms of fault current in main loop replacing fast-speed VCB with FCL
4 應用誤區(qū)之二：采用快速真空斷路器替代FCL用作大容量變電站母聯(lián)開關
如圖7所示，若兩段10kV母線能并列運行（即VCB1閉合），則帶來的好處是：優(yōu)化負荷分配，降低變壓器負載損耗，提高電壓質量及供電可靠性。但假若兩臺110kV變壓器分別可向10kV側故障點提供20kA短路電流，母聯(lián)開關VCB1及饋線開關VCB2為普通斷路器（額定短時耐受電流31.5kA，額定峰值耐受電流80kA），那么正常運行時VCB1必須斷開處于熱備用狀態(tài)，若VCB1閉合則饋線發(fā)生短路時故障電流穩(wěn)態(tài)值將達到40kA，此電流饋線斷路器VCB2將無法安全承受，更談不上安全開斷。
將VCB1更換為快速真空斷路器，正常運行時VCB1處于閉合狀態(tài)，饋線故障時VCB2能否安全運行呢？回到圖7的波形圖，若母聯(lián)采用VCB1，不管VCB1是普通斷路器還是快速真空斷路器，在饋線故障后30ms以內故障電流的大半波曲線為虛線表示的i= i1+i2，顯然其峰值達到了100kA，超過了饋線斷路器VCB2額定峰值耐受電流80kA的極限值，這時雖然VCB2還只是連接在電路中不會立即執(zhí)行開斷行為，但其在100kA峰值電流作用下由于電動力效應而導致結構損壞也是情理之中的事，事故隱患已經明顯呈現(xiàn)。
圖7 母聯(lián)位置采用VCB1及FCL時故障點短路電流的波形示意圖
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]，則情況則大不相同，圖中實線i2顯示的故障電流即為通過FCL的電流，這時通過故障點或流過饋線開關VCB2的電流曲線如圖實線i=i1+i2所示，顯然此電流沒有超過單臺變壓器提供的短路電流，對于系統(tǒng)和VCB2而言是安全的。
5 結語
（1）快速真空斷路器可以在30ms內切除故障，但由于其開斷過程不具備限流特性，所以在實際應用中應避免走入誤區(qū)。
（2）快速真空斷路器在零損耗深度限流裝置和母聯(lián)位置兩種應用中，片面強調其可重復使用的特性而忽視了其開斷過程不限流的特性，導致系統(tǒng)及相關設備面臨超過其極限承受能力（額定峰值耐受電流）的電動力的沖擊，為系統(tǒng)及設備的安全運行埋下了重大事故隱患。
（3）在目前的技術條件下，在零損耗限流裝置和母聯(lián)位置兩種應用中，基于爆破切割技術的FCL仍然難以替代。
參考文獻
[1] 李品德，李夢菲，陳剛，基于快速真空斷路器的深度限流裝置的風險評價[J]，高壓電器，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，基于電磁斥力機構的10kV快速真空開關[J]，電工技術學報，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] 史宗謙，賈申利,等，真空直流斷路器高速操動機構的研究[J]，高壓電器，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] 程艷兵，王志鵬,等，零損耗深度限流裝置的優(yōu)化與應用[J]，銅業(yè)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] 林立軒，李品德，超高速開關裝置在大容量配電變電站的應用研究[J]，高壓電器，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。
