基于涡流斥力技术通用型快速断路器在电压暂降治理中的应用

刘占波，樊银涛，常海莎

（河北钢铁集团矿业有限公司，河北唐山，063700）

1 电网故障及电压凹陷相关特性

1.1 电压暂降定义、电网故障分类及特征

根据GB/T30137-2013规定：电压均方根值低于额定电压的90%以下，且电压快速下降，幅值范围在0.1-0.9Pu，持续时间0.01s-60s，为电压暂降。一相或多项电压均方根值低于额定电压的10%以下，且电压快速下降，幅值范围在持续时间0.01s-60s，为短时中断。

电网系统内某条支路发生短路故障，在综保装置和断路器切除该故障支路前，导致系统电压出现暂降，所带负荷将一直处于低电压工况。故障切除后，系统电压开始恢复，这个母线电压从骤降直至恢复到额定电压的短暂低电压过程为“晃电”现象。晃电发生的时间大约在100ms，微机综合保护判断故障的时间20ms-30ms，断路器固有动作时间33ms-45ms，电弧过零时间16ms左右。

1.2 设备对电压暂降的承受能力

1.2.1 控制类设备对电压暂降的承受能力

继电器广泛用于电力系统的控制，在高低压的机柜中几乎随处可见，其中大多是电磁继电器。其基本原理是利用线圈通过电流时产生的电磁力吸合触点，电流消失时触点反弹。当继电器的控制电压因电压暂降产生跌落时，继电器由吸合状态变为释放，当电压恢复时，该继电器不一定自动合上，其结果仍是造成生产流程的中断。低压控制主回路中常用的交流接触器的原理与继电器大致相同，石化行业内常用的电磁阀也类似于继电器的动作原理。

一般继电器线圈电压低于额定电压的50%时间超过1～2个周波就会释放，因此对于有电压暂降发生的场合，特别是控制敏感型负载的继电器，必须考虑保证继电器不能长久欠压。为了避免此类事故的发生，业内有些方案把继电器用永磁铁维持，使得该继电器不依赖外电压继续吸合。虽然一定程度上对电压的短时间电压暂降起了防护作用，但此举无疑更改了继电器原设计的作用，留下了其他事故隐患。

1.2.2 电动机对电压暂降的承受能力

工业中所用的电动机大多是异步电动机。异步电机运行时必须输入感性无功功率，也就是说其励磁电流必须从系统供给，以维持旋转磁场。当系统短路引起的晃电发生后，系统不再给异步电动机提供励磁电流，此时异步电动机变成异步发电机，原有的磁场在旋转中切割定子，产生的定子电压对外部短路点提供短路电流。从定子侧看，此时电机等效出一个短路时间常数，该常数对3MW以下的电机而言一般为30ms左右，则100ms左右原有系统提供的磁场能量即可消耗完毕。

电压暂降结束后，系统电压恢复时加到电机定子上的电压将重新建立异步机内部的旋转磁场，此时电网对异步机产生的电流将是一个6-7倍于其额定电流的冲击电流，即数字上等于其启动电流，冲击时间也约为100ms左右，即磁场建立和磁场衰减的时间。该冲击电流可能会造成电机的微机保护动作，如果是大量电机一起启动，过大的冲击电流会造成线路主开关过流跳闸，严重情况下会因电机群瞬间吸收过多无功而使电网电压长时间过低。

2 通用型快速开关结构及工作原理

基于快速涡流斥力技术的真空断路器主要由真空灭弧室、绝缘拉杆、分闸线圈、合闸线圈、涡流盘、分闸储能电容、合闸储能电容、分合闸放电控制开关和充电电源等主要部件组成。

图1 快速开关结构示意图

快速开关正常工作时，通过充电电源很快完成对分闸储能电容和合闸储能电容的充电。需要分闸时分闸放电控制开关导通，分闸储能电容向分闸线圈放电，产生强度很高的脉冲电流，伴随脉冲电流的脉冲磁场穿过涡流盘时在涡流盘中感应出涡流，并产生涡流磁场。脉冲磁场对涡流磁场的排斥力推动涡流盘向下运动，同时通过绝缘拉杆带动动触头完成分闸动作。合闸过程相反，合闸线圈的脉冲磁场推动涡流盘向上运动，带动动触头完成合闸。由于机构大大简化，运动部分的质量大大减轻，为提高断路器的动作速度创造了条件。另一方面，采用电容储能，加大了驱动力，提高了分合闸速度。快速断路器的合闸时间可以做到10ms左右，分闸时间可以控制在5ms内，开断能力不小于40kA。

3 通用型快速开关在电压暂降治理的应用分析

3.1 通用型快速开关与控制器组成直开式母线残压保护装置

直开式母线残压保持装置由通用型快速开关、电流互感器、微机综合控制器及其附件构成。快速开关是母线残压保持装置的重要执行部件，设置有快速过流微机综合控制器是母线残压保持装置的核心控制部件。正常运行时微机综合控制器通过电流互感器实时监测工作电流，一旦超过快速过流保护整定值，在2ms左右就可判断为短路故障发生，并在5ms左右控制快速开关分闸。直开式母线残压保持装置，可以取代总降变电站或开闭所直接向负荷供电的出线柜，用以快速切除故障，防止电压暂降导致非故障区域敏感设备的停车故障。

3.2 通用型快速开关与控制器组成阻开式母线残压保护装置

阻开式母线残压保持装置主要由后备开关、通用型快速开关、限流阻抗、电流互感器、微机综合控制器及其附件构成。正常运行时快速开关和后备开关均处于合闸位置，向下一级开闭所正常供电，当微机综合控制器检测到工作电流超过快速过流保护的整定值时，立即判断为近区短路，在5ms左右控制快速断路器分闸，短路电流在第一次过零点被强迫转移到限流阻抗直路，随着短路电流被限制，非故障区域的母线电压迅速恢复到额定值90%以上。当故障支路被切除之后，流经母线残压保持装置的电流恢复到正常水平，微机综合控制器立即控制快速开关合闸，系统恢复正常运行状态。阻开式母线残压保持装置，适合于新建或扩建工程，可取代总降变电站向开闭所供电的出线柜，用以快速隔离故障点，防止电压暂降导致非故障区域敏感设备的停运事故，同时保证继电保护有选择性地动作。

3.3 通用型快速开关对传统开关的改造应用

对于已经投运多年、停电改造困难的系统，可通过将通用快速开关的二次接口重新设计与现场一致，在系统不停电情况下，直接更换断路器即可。方便了改造，节省了改造停电费用和经济损失。

4 结语

本文通过对电压暂降的根本原因进行分析，提出基于涡流斥力技术通用型快速断路器在电压暂降中的相关应用，实现20ms内快速隔离故障点，迅速恢复上一级母线电压，保障非故障支路的敏感设备连续可靠运行，避免电压暂降导致的电气设备大范围停运，进而给大中型连续型企业挽回重大的经济损失。