三种大容量高速开关的比较

范玉洁，杨 琪

（山东冶金设计院股份有限公司，山东济南 250101）

三种大容量高速开关的比较

范玉洁，杨 琪

（山东冶金设计院股份有限公司，山东济南 250101）

介绍了三种大容量高速开关，一是爆炸式可恢复大容量高速开关柜，二是快速涡流驱动开关，三是快速永磁断路器。比较了各开关的技术性能与特点。

大容量；高速；开关

前言

大容量高速开关主要应用于小型发电机组的出口，采取大容量高速开关柜与电抗器并联的方式，发电机组正常运行时通过大容量高速开关柜上网，当出现内外部短路等大电流故障时，大容量高速开关可切除故障，发电机组瞬间切换至电抗器，通过电抗器上网，由于电抗器阻值较大，能在一定时间内起到限制大电流的作用，当外部短路故障切除后，发电机组仍然能够继续正常运行，起到保护发电机组的作用。目前主要有三种大容量开关，一是爆炸式可恢复大容量高速开关，二是快速涡流驱动开关，三是快速永磁断路器，现就三种大容量开关进行比较。

1 爆炸式可恢复大容量高速开关

1.1 主要配置

1.1.1 桥体：简称“FS”，其冷态直流电阻值的范围为5～20uΩ，在正常情况下，主回路中的电流从FS上流过。在主回路出线故障的情况下，FS在脉冲电流的作用下，在不大于150us的时间内断开。桥体开断后无气流和烟雾喷出，对柜内绝缘无损坏。

1.1.2 熔断器：简称“FU”，其冷态直流电阻值的范围为5～20 mΩ，在正常情况下，主回路中电流从FU上流过的不超过1%。在主回路出线故障的情况下，FS开断后，短路电流进入FU，在不大于0.5 ms的时间内FU熔断，并产生足够的弧压。

分断时间：（a）截流时间≤1 ms；（b）电流衰减为0 时，时间≤3 ms。

1.1.3 非线性电阻：简称“FR”，其冷态直流电阻值为无穷大，在正常情况下，主回路中电流不从FR上流过。在主回路出线故障的情况下，在FU熔断过程中，线路上可能会产生瞬时过电压，此时FR对其进行限压。当系统能量较大，FU不能可靠完全吸收时，FU的弧压使FR导通，进行吸能和限压。并把开断时的过电压限制在允许范围内（2.5倍额定相电压以下）。

1.1.4 测控单元（设置在高速开关柜上）

根据采样电流互感器的信号，对数据进行分析计算，当电流增长率d i/d t和电流I满足整定值时，则ZK向MB发出动作脉冲信号。每套大容量高速开关装置上设置一套由三个相同独立工作的测控部件构成的测控单元，当电流幅值和电流变化率超过整定值时，以“表决方式”判断，发出分断信号。

测控单元提供两对无源常开接点信号（微机报警信号、熔断器动作信号和桥体动作信号），供用户使用。

测控单元内的处理器使用进口军用级芯片，以保证其强大的抗干扰性和高速动作性能。

1.2 大容量高速开关柜（HDF）技术性能

当HDF在保护范围内发生短路，同时短路电流达到HDF装置的整定动作值时，HDF在3 ms内迅速开断，将限流电抗器串入回路，使电抗器起到限制短路电流的作用，故障线路出线开关能够顺利切除故障。正常运行时解决电抗器能耗、电磁干扰及电压波动等问题。

当系统发生短路时，HDF装置的主回路在0.15 ms之内快速断开，并产生足够的弧压，使限压吸能元件迅速投入，在3 ms内将短路电流衰减为零。

HDF在开断过程中无危害性过电压。装置内配置过电压保护装置，需将开断过电压限制在2.5倍的额定相电压以内。

当HDF装置动作时，装置控制器发出报警并输出继电器无源接点信号，以便用户能及时处理。

HDF装置控制器中板件出现故障时，装置控制器发出报警并输出继电器无源接点信号，以便用户及时了解装置的运行状态。

2 快速涡流驱动开关

高速涡流驱动开关基本上都是基于电磁斥力机构的高速开关，机构如图1。

图1 快速涡流驱动开关示意结构图

此种机构的断路器分闸时间可以缩短到 1 ms左右，触头运动时间缩短到 2 ms以内，触头运动平均速度 6～10 m/s。电磁斥力机构可以实现开关的快速分闸或合闸。

但问题也随之而来，主要体现在以下几个方面：

（1）真空灭弧室包括波纹管、触头、密封环节等不能承受因动作速度大幅度提高而带来的巨大冲击力 ，丧失了基本的机械稳定性；

（2）操作力的传动环节包括绝缘拉杆及缓冲环节无法满足高速运动对强度的要求；

（3）手动分闸操作下，无法达到固有的分闸速度。

3 快速永磁断路器

永磁+弹簧复合快速断路器特点：

基于改进型永磁操动机构的快速真空断路器，传统断路器经受了市场环境的考验，寿命，分断能力等可靠性得到检验。传统永磁机构机械参数方面远远达不到快速分闸或合闸的要求。要使传统永磁真空断路器变为快速真空断路器，在不改变可靠性的同时，提高了分闸时间和速度：

（1）永磁+弹簧复合机构。

（2）触头压力大，接触电阻小，温升极小。

（3）分闸时间（5～15 ms）可调，一般在10 ms左右。

（4）具有机械手动分闸功能，在失电的情况下可以手动分合闸。

（5）结构统一化，标配中置柜。

（6）零部件标准化，维护保养成本低。

由于系统短路故障往往伴有巨大的非周期分量，那么电弧会持续燃烧直至电流自然过零时才会熄灭开断。有赖于灭弧室的灭弧能力。在时间常数T＜20内还是安全可靠的。

在电力系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。如果不加以限制，要保持电气设备的动态稳定和热稳定是非常困难的。因此，为了满足某些断路器遮断容量的要求，常在出线断路器处串联电抗器，增大短路阻抗，限制短路电流。

快速断路器和限流电抗器并联，正常运行时可使电抗器处于零损耗，不发热，无压降，使用寿命长的特点。

为了使开关的可靠性提高，分闸速度5～15 ms可调。

测控单元的测量计算出短路电流到发出命令时间在 1～2 ms。

因此装置能在系统发生短路的20 ms内将短路电流开断，电抗器投入，限制短路电流。

电气设备都能承受20 ms的短路电流冲击的，常规断路器的动作时间50ms以上，微机保护计算发出命令20～40 ms。因此20 ms内将电抗器投入限制短路电流和在15 ms内投入限制短路电流没有区别。

A Comparison of Three Large Capacity High Speed Sw itches

FAN Yujie，YANG Qi
（Shandong Province Metallurgical Engineering Co.,Ltd.,Jinan,Shandong 250101,China）

This paper mainly introduces three types of large capacity high speed switches,one of which is an explosion recoverable large capacity high speed switch cabinet,the second is a fast eddy current drive switch and the third is a fast permanent magnet circuit breaker.The technical performance and characteristics of the switches are compared.

large capacity,high speed,switch

TM564.1

B

1006-6764(2018)01-0012-02

2017－08－29

范玉洁（1989－），女，2010年毕业于济南大学电气工程及其自动化专业，学士学位，工程师，现从事电气设计工作。