基于快速开关的抗晃电技术应用

万新新，王 鼎

(1.安徽徽电科技股份有限公司，安徽 合肥 230093;2.安徽尚途电力保护设备有限公司，安徽 合肥 230093)

0 引言

大中型企业，特别是连续生产作业型的企业，须配备完备的供电电源，多母线、多变压器、多断路器拓扑成复杂的供电系统。电压级别多涉及到110 kV，35 kV，10(6) kV，400 V。企业内网任何一个支路出现短路都会造成整个系统的电压跌落，而且发生短路的支路电压等级越高，影响面越大。短路发生后，该支路的保护装置将动作于支路断路器跳闸，切除故障支路。

现有的微机综保控制断路器切除短路故障的时间大多需要80 ms 左右，这也是母线电压凹陷的时间。电压凹陷是指从短路发生时刻，母线电压陡降，至短路故障被切除，电压恢复正常这段过程，企业一般称为“晃电”现象，国标称为电压暂降。

1 晃电的危害性

现有的保护装置和开关设备，切除故障的时间很难满足敏感性重要负载对低电压容忍的时间，这也是某条支路短路导致其他重要支路大片停机的原因所在。一旦一条支路发生短路故障，引起母线电压迅速跌落，同一母线下其他支路重要负载因低电压而受到影响，可导致停机停产事故的发生，这给企业生产带来重大经济损失。

短路故障过程中，异步电动机在低电压期间以发电方式向短路故障点反馈输出短路电流，直到绕组内的磁场衰减完毕或短路点被切除，此过程为“一次冲击”。一般异步电动机的衰减时间常数τ为30 ms 左右，就是说只要短路故障持续3τ左右的时间，电机磁场就会衰减殆尽；当短路故障点被切除时刻，母线电压进入恢复期，所有在网的异步电动机同时重建磁场，向电网索取相当于电机群额定电流总和的5～7 倍无功电流，形成强烈的电流冲击，称为“二次冲击”。二次冲击电流在该系统变压器和线路的阻抗上会形成较大的压降，降低了电动机的机端电压，延缓了母线电压的恢复过程，造成长时间的低压过流。当造成冲击电流的电机总容量达到本系统电源容量的40 %以上时，母线电压极易停留在70 %以下，一旦这些电机处于额定负载状态，必然导致电机群失稳停转。

2 晃电事故实例分析

2.1 系统简介

某公司25 万t 精己二酸项目一次主接线如图1 所示，110 kV 侧及10 kV 侧均为单母线分列运行，1 号、2 号变压器容量40 MVA，总降站内有多路馈出线，由总降站的两段母线分别去下级开闭所，有南区、北区、综合、热电等。图1 中仅示意了热电及北区开闭所的接线情况，其他开闭所等同。

图1 一次主接线

2.2 事故过程描述及分析

2.2.1 事故过程

热电开闭所的污水变支路开关柜内因有老鼠进入，导致了两相短路故障，微机保护装置故障，并未启动支路断路器k1 动作。此过程中，总降站母线电压跌落严重，总降及热电开闭所快切装置闭锁未动作，北区、南区、综合等开闭所内的快切装置均启动失压快切功能，将故障电源切除，采用正常电源供电。快切功能虽都已经启动，可是仍然导致各开闭所内不少敏感重要负荷跳机。短路故障持续约200 ms 后，热电开闭所的进线开关k2 跳闸，切除短路故障，而短路点的开关k1 约在故障发生后的500 ms 后最终动作切除短路点。

本次事故导致热电开闭所热电Ⅱ段所有负荷全部停机以及其他开闭所内的带变频器的电动机及其他敏感负荷都停机，事故影响范围很大，直接造成该单位约千万元级的损失，并且恢复生产需要的时间较长。

2.2.2 事故分析

微机保护装置故障导致该支路断路器未及时动作，是整个事故的首要原因，但本系统配置的所有快切装置没有起作用，也是导致其他开闭所的负荷停机的重要原因。

敏感类负荷对电源的要求如下：开关电源、电磁阀、低压继电器可容忍的凹陷宽度一般为20～30 ms；无低电压穿越功能的变频设备可容忍的凹陷宽度不大于30 ms；交流接触器可容忍的凹陷宽度不大于40 ms；电动机群可容忍的凹陷宽度不大于50 ms。

为进一步分析快切装置的切换时间，调取快切装置事故及相关录波记录核实。启动方式：欠压启动；切换方式：串联；实现方式：快速切换；启动跳闸时间：59 ms；完成跳闸时间：109 ms；启动合闸时间：109 ms；完成合闸时间：169 ms；完成切换时间：169 ms。而敏感类负荷并不能忍受169 ms的切换时间而不跳闸。常规工程定义的快切装置整个切换时间=快切控制器的判断及出口时间+常规开关分闸时间+常规开关合闸时间，而这个切换时间一般均大于100 ms。

3 快速开关抗晃电技术

3.1 快速开关简介

快速开关采用电磁斥力原理[1]的“涡流驱动”技术，是一种电容器储能的涡流盘驱动的永磁保持的直动式真空断路器[2]，分闸时间小于5 ms，合闸时间小于15 ms。

斥力金属涡流盘平时非常接近线圈，当电容对线圈放电时，线圈中产生磁场，磁场穿过涡流盘，涡流盘中感应出涡流；伴随涡流出现的是感应磁场，感应磁场的方向与线圈的磁场永远相反，两个磁场之间就产生斥力，驱动涡流盘运动到另一个线圈附近，通过连杆带动开关动触头运动，完成开关合分闸动作。

3.2 快速切除技术

末端支路或单负载支路均可采用快速开关，即快速开关取代了现在常用的弹簧储能的中速真空断路器。其一次方案如图2 所示。

图2 快速切除技术一次方案

采用快速开关不影响微机综保及其他保护设备的配置。短路故障时，由快速开关配套的快速判断控制单元驱动，可实现20 ms 内切除故障支路，而微机综保起到后备保护作用。欠压、过压及过流等常规保护，仍由微机综保驱动开关分合。

3.3 深度限流维持母线电压技术

根据支路负荷电流及额定电压，可以计算负荷阻抗，假定在该支路配置一个等效阻抗，且与快速开关并联，即可实现深度限流维持母线电压。其一次方案如图3 所示。

图3 深度限流维持母线电压技术一次方案

如图3 所示，系统正常运行时，k1/k2 和k0均合闸，等效阻抗Z 不投入系统。当下级分配电室出现短路故障时，快速测控单元驱动快速开关可在20 ms 内将Z 投入系统中，将支路短路电流限制为额定电流，并将母线残压恢复到额定电压的90 %以上，将事故影响范围缩小到最小化。当短路故障被k2 切除后，快速测控单元立即给快速开关k0发出合闸命令，等效阻抗Z 退出，本支路正常运行。

系统等效模型图如图4 所示。

图4 系统等效模型

图中Z0为电源侧的总阻抗，Z1为负荷等效阻抗，k0 为快速开关。正常工作状态k0 合闸，即为额定电流，当d1 点出现短路故障，即为短路电流，此时k0 动作分闸，Z1投入系统，则快速抬升了系统侧电压，维持了系统稳定运行；短路故障解除后，此时快速测控单元检测电流约为额定电流的1/2 倍，则认为短路故障解除，命令K0 合闸，系统恢复初始运行状态。当然，在实际工程应用中考虑到继电保护的相互配合性，等效阻抗一般是小于实际负载阻抗的，抬升系统电压到90 %左右。

深度限流维持母线电压技术适用于多负载支路，常用于开闭所的进线侧或总降站的多负载馈出线侧。

3.4 双电源快速切换技术

对于电源侧故障，想实现真正有效的快切功能，维持生产供电连续性，不至于有负荷停机或跳闸，得从“快”的各个方面来保证才行。测控单元和开关必须都得“快”，快速开关的分闸时间较常规开关要快6～10 倍，合闸时间要快3～6 倍，只要测控单元判断出口+快速开关的分闸时间+快速开关的合闸时间＜最敏感负荷的低电压忍受时间，则应该是有效的快速切换。双电源快速切换技术一次方案如图5 所示。

图5 双电源快速切换技术一次方案

为达到最佳使用效果，应满足下列先决条件：存在两路正常状态下互相独立的同步电源，单路电源容量可以承载切换后的所有负荷，负载侧不应有发电机或风、光、储等其他电源。

4 快速开关抗晃电技术的应用案例

4.1 系统主接线的优化

图6为晃电事故实例主接线图(图1)的优化。图中k1，k2 表示普通开关(常规弹簧储能式真空断路器)，k0，k3 表示快速开关(涡流驱动电容储能式真空断路器)，Z 为等效负荷阻抗。

图6 优化后一次主接线

4.2 快速开关抗晃电应用分析

4.2.1 深度限流维持母线电压技术应用

当馈出线的下级站污水变回路d1 点出现短路故障，则110 kV 总降站热电馈线开关柜内k0 快速动作20 ms 内投入负荷等效阻抗Z，将该支路短路电流限制到接近额定电流水平，抬升总降站10 kV母线电压到90 %左右。总降站因该支路短路导致的电压凹陷时间缩短至敏感负荷可以忍受的范围内，有效确保非故障支路的其他负荷正常供电。短路故障最终由末端开关k2 切除，当短路故障切除后，k0 自动合闸将等效阻抗Z 退出。

4.2.2 双电源快速切换技术应用

在热电、北区、南区、综合等开闭所的进线侧配置双电源快速切换技术，即采用快切控制器和快速开关的配合，当d2 或d3 点任何一处出现短路故障，快速开关将故障电源切除，利用正常健康电源给两段母线同时供电。应用后，低电压时间大幅度缩短，电机类负荷磁场衰减极小，磁场瞬时重建，变频器、继电器等敏感类设备不至于停机或跳闸。

4.2.3 快速切除技术应用

快速切除技术一般应用于末端支路，对于本工程如果经济允许完全可以在各开闭所的馈线采用快速开关，一方面可以提升供电连续性，另一方面也可以大幅度缩小末端支路电缆的截面，降低工程造价[3-5]。当然上述深度限流维持母线电压技术和双电源快速切换技术的应用已大幅度降低了晃电事故的影响，已基本满足企业的用电连续性需求，具体是否则增设快速切除技术的设备取决于投资预算。

5 结论

总之，利用快速开关的快速切除技术可在20 ms 内切除故障支路；利用快速开关+等效阻抗的深度限流维持母线电压技术可有效确保该支路故障不至于影响上级母线的其他设备安全运行；利用快速开关的双电源快速切换技术可减小因电源侧故障影响下级负荷供电连续性；同时快速开关的应用可大幅度减小电机磁场衰减，有效降低电机的二次冲击。相信快速开关在抗晃电领域会有更广的应用。