快速开关及其成套装置在电力系统中的应用 目录 1 概述 随着电力系统的发展 风能 光伏等新能源大规模接入电网 主网架面临不稳定风险日益加大 同时用户侧对电能质量要求越来越高 因此确保电网减小故障发生率及故障发生时缩短故障持续时间 提高电网稳定性 是电网研究的方向之一 1 概述 各电压等级开关作为电网关键控制和保护设备 如提高其分 合闸速度 可提升开断与关合性能同时 能缩短电网故障持续时间 加快恢复供电 显著提高电网稳定性 具有极大经济和社会价值 1 概述 目前电网中开关设备大多采用弹簧操动机构 传动部件多 结构复杂 动作时间较长 如采用弹簧机构真空断路器 10kV产品分闸时间30ms 50ms 合闸时间60ms 70ms 35kV产品分闸时间50ms 60ms 合闸时间70ms 80ms 且分散性较大 1 概述 电磁领域 随着永磁及新型电磁斥力技术发展 采用其原理研制的快速断路器日益成熟 分闸时间3ms 5ms 合闸时间10ms 15ms 开合性能更好 适应未来电网发展大方向 脉冲功率领域 随着大容量触发间隙技术发展 通流容量可达上千库仑 工作系数低 适合作为超高速合闸开关 利用上述技术开发快速开关动作时间远短于常规机械开关 技术性能好 可控性强 不仅能替代常规机械开关 甚至替代电力电子开关做投切使用 还能作为核心器件形成成套装置 例如选相开关 故障电流限制器 电源快速切换装置 快速旁路装置 直流断路器等 解决电网快速控制和保护难题 2 快速开关 快速机械开关大容量触发间隙混合型 快速机械开关 触发间隙 2 快速开关 技术特点 电磁机构 无脱扣机构 动作快 分散性小 零部件少 2 快速开关 1 法兰 2 绝缘外壳 3 屏蔽罩 4 阳极 5 阴极 6 触发极真空触发间隙 SF6触发间隙 技术特点 电脉冲触发 导通时间数us 可用作快速合闸开关 低工作系数 大通流能力 快速绝缘恢复 2 快速开关 ABB混合型快速开关原理及结构 技术特点 触发间隙导通后 快速机械开关关合载流 可有效降低触发间隙通流和绝缘恢复要求 2 快速开关 1 12kV快速真空断路器 2 快速开关 2 40 5kV快速真空断路器 2 快速开关 3 40 5kV快速SF6负荷开关 2 快速开关 4 12kV真空触发间隙 2 快速开关 5 40 5kV真空触发间隙 2 快速开关 6 40 5kVSF6触发间隙 3 快速开关成套装置 无损故障限流器电源不间断切换装置 1 电力系统短路水平不断提高 发达地区电网短路水平直逼最大允许水平 2 目前主要限流措施为加装限流电抗器 虽然可有效抑制短路电流 但长时运行造成很大无功和有功损耗 严重影响电网经济性能 无损故障限流器 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 需求分析 典型变电站接线 串抗率12 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 需求分析 短路电流峰值168 2kA 有效值63kA 不加装限流电抗器 短路电流峰值降83 4kA 有效值32 74kA 加装限流电抗器 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 仿真分析 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 技术方案研究 快速断路器投切限流电抗型 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 假设在A相电压零点发生三相短路 快速断路器4ms分闸 最大短路电流幅值149 6kA 稳态有效值31 8kA 快速断路器投切限流电抗型 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 快速断路器投切限流电抗型 无法限制短路电流首半波的峰值和有效值 但能有效限制其后短路电流的峰值和有效值 该限流器结构简单 容易实现 在对短路电流首半波不敏感的场合具有较高的应用价值 存在问题 优点与适用场合 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切限流电抗型 正常运行时 爆炸式开断器载流 损耗极小 当短路故障发生时 爆炸式开断器先快速断开 将电流转移至并联的限流熔断器支路 限流熔断器再快速开断将短路电流转移至限流电抗器支路 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切电抗器型 假设在A相电压零点发生三相短路 当短路电流达到3倍额定电流时爆炸式开断器收到信号 短路电流波形 短路电流峰值89 351kA 有效值35 44kA 电压波形 产生2倍过电压 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切限流电抗器型 过电压抑制 避雷器伏安性曲线 避雷器参数 参考电压6kV 过电压抑制方法 并联避雷器 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切限流电抗型 过电压抑制 a 未装避雷器 b 加装避雷器限流电抗器两端电压波形 加装避雷器后最大过电压由17 39kV降为9 75kV 抑制效果显著 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切限流电抗器型 过电压抑制 避雷器电流与限流熔断器电流波形 避雷器电流逐渐上升 最大值22 9kA不影响限流熔断器动作电流峰值 加快了限流熔断器电流下降速率 有利于限流熔断器开断 避雷器分流对限流熔断器熔断的影响 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切限流电抗器型 运维问题 采用的爆炸式开关和限流熔断器 每次动作之后都需要停电更换 停电时间长 运行成本高 采用的爆炸物 炸药 其采购 使用 存贮 运输均受到国家严格管控 不利于电网的推广应用 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 爆炸式熔断器投切电抗器型 运维问题解决方案 高速开关 限流熔断器投切电抗器型 高速开关代替爆炸开关 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 快速断路器投切电抗器型结构简单 但无法限制首半波短路电流峰值及有效值 爆炸式熔断器型能够有效限制全过程短路电流爆炸式熔断器型限流过程产生的过电压可采用避雷器进行抑制 爆炸式熔断器型限流器存在的停电更换 炸药管控等运维问题可采用高速开关 限流熔断器投切电抗器型无损故障限流器 3 快速开关成套装置之无损故障限流器 小结 关键重要负荷用户 如中央政府各部门 航天及军事部门 医院 石化 钢铁及煤矿等大型工企 为提高供电可靠性和电能质量 采用双电源供电方式 为实现不间断供电 通常采用快速切换装置从故障电源切换到无故障电源 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 备用电源自动投入装置固态切换开关 现阶段主要的电源切换装置 纯电力电子固态切换开关电力电子 断路器固态切换开关 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 备自投装置 备自投装置采用传统机械开关 切换时间长达1s 在两路电源的相位差较大时易引发较大的冲击电流 对负荷造成严重损害 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 纯电力电子固态切换开关 纯电力电子固态切换开关通流损耗大 发热严重 需要专门的冷却设备 运行维护费用高 不利于大面积推广 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 混合式固态切换开关拓扑图 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 某固态切换开关中电力电子阀绝缘水平 处于成本考虑 电力电子阀技术参数低 运行可靠性低 例如 某混合式固态切换开关 端间绝缘水平低于机械开关断口 需要采取过电压防护措施 混合式固态切换开关整体切换时间受机械开关分合闸时间限制 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 随着配网快速机械开关技术的快速发展 分闸时间可以小于5ms 合闸时间可以小于10ms 采用快速机械开关构成机械式电源快速切换开关 可以在20ms内完成电源切换 对于大多数电源敏感负载 相当于电源不间断切换 快速开关型电源不间断切换装置与固态切换开关相比 构成简单 成本低 可靠性高 维护费用低 更适合推广应用 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 需求分析 单负载电源不停电切换装置应用拓扑 对于单一敏感负载 电源不间断切换装置应用拓扑如图所示 图中CB1 CB2均为快速开关 该方案电源配置及切换成本较高 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 对于大容量 多敏感负载的企业和电网用户 电源不间断切换装置应用拓扑图图中C1 C2 C3均为快速开关 运行更加灵活 成本低 可靠性高 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 负荷侧短路快速隔离功能电源侧短路快速切换功能电源电压缺陷和失电快速切换 需要3大切换功能 技术方案研究 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 快速机械开关分闸时间 3ms 合闸时间10ms 快速混合开关分闸时间 3ms 合闸时间0 1ms 负荷侧短路快速隔离功能 d1点发生短路 分列运行 并列运行 隔离时间 20ms 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 电源侧短路快速切换功能 d2点发生短路 分列运行 并列运行 只使用快速开关 切换时间 30ms使用快速开关并联触发间隙 22ms 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 控制器实时检测两段母线电压 两路进线电流以及两段母线电压之间的相角差 当备用电源电压或与工作电源电压之间的相角差不满足快速切换条件时闭锁切换 当工作电源电压缺陷 超过130 额定值或低于75 额定值时 启动切换程序 当工作电源失电时 母线电压降低到高度敏感设备正常运行所需的最低电压后启动切换程序 电源电压缺陷和失电快速切换 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 电源电压缺陷和失电快速切换 工作电源失电 分列运行 并列运行 只使用快速开关 切换时间 25ms使用快速开关并联触发间隙 17ms 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 表112kV电源不间断切换装置技术指标 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 技术方案研究 电源不间断切换装置需要3大切换功能 负荷侧短路快速隔离功能 电源侧短路快速切换功能 电源电压缺陷和失电快速切换 给出了对每项功能的分列运行与并列运行方式的切换方案 提出了电源不间断切换装置不同功能的切换时间技术指标 3 快速开关成套装置之电源不间断切换装置 小结 4 总结与展望 快速开关应包括快速机械开关 大容量触发间隙 以及快速混合开关 快速机械开关并联大容量触发间隙 三种 动作时间快 可控性强 开断性能好 成本低 不仅能够替代常规机械开关 甚至替代电力电子开关做投切使用 还能作为核心器件形成成套装置 例如选相开关 故障电流限制器 电源快速切换装置 快速旁路装置 直流断路器等 解决电网众多久难解决的快速控制和保护难题 具有显著的技术和经济优势 应用前景广阔 随着电网发展 急需采用快速开关构成投切电抗器型无损故障限流器 快速断路器投切电抗器型结构简单 但无法限制首半波短路电流 爆炸式熔断器投切电抗器型能够有效限制全过程短路电流 限流过程产生的过电压可采用避雷器进行抑制改善限流熔断器工作条件 但存在需停电更换 炸药管控等运维问题 可研究采用高速机械开关 限流熔断器投切电抗器型方案 4 总结与展望 随着用电要求的提高 急需采用快速开关构成电源不间断切换装置 具备负荷侧短路快速隔离 电源侧短路快速切换 电源电压缺陷和失电快速切换三大功能 采用快速断路器型电源不间断切换装置能够在20 30ms内完成切换 进一步缩短快速机械开关合闸时间能够有效提高切换技术性能 电源不间断切换装置入采用快速混合开关能够在17 22ms内完成切换 切换性能显著提高 4 总结与展望