基于渦流斥力技術通用型快速斷路器在電壓暫降治理中的應用

劉占波，樊銀濤，常海莎

（河北鋼鐵集團礦業(yè)有限公司，河北唐山，063700）

1 電網故障及電壓凹陷相關特性

1.1 電壓暫降定義、電網故障分類及特征

根據GB/T30137-2013規(guī)定：電壓均方根值低于額定電壓的90%以下，且電壓快速下降，幅值范圍在0.1-0.9Pu，持續(xù)時間0.01s-60s，為電壓暫降。一相或多項電壓均方根值低于額定電壓的10%以下，且電壓快速下降，幅值范圍在持續(xù)時間0.01s-60s，為短時中斷。

電網系統(tǒng)內某條支路發(fā)生短路故障，在綜保裝置和斷路器切除該故障支路前，導致系統(tǒng)電壓出現暫降，所帶負荷將一直處于低電壓工況。故障切除后，系統(tǒng)電壓開始恢復，這個母線電壓從驟降直至恢復到額定電壓的短暫低電壓過程為“晃電”現象?；坞姲l(fā)生的時間大約在100ms，微機綜合保護判斷故障的時間20ms-30ms，斷路器固有動作時間33ms-45ms，電弧過零時間16ms左右。

1.2 設備對電壓暫降的承受能力

1.2.1 控制類設備對電壓暫降的承受能力

繼電器廣泛用于電力系統(tǒng)的控制，在高低壓的機柜中幾乎隨處可見，其中大多是電磁繼電器。其基本原理是利用線圈通過電流時產生的電磁力吸合觸點，電流消失時觸點反彈。當繼電器的控制電壓因電壓暫降產生跌落時，繼電器由吸合狀態(tài)變?yōu)獒尫牛旊妷夯謴蜁r，該繼電器不一定自動合上，其結果仍是造成生產流程的中斷。低壓控制主回路中常用的交流接觸器的原理與繼電器大致相同，石化行業(yè)內常用的電磁閥也類似于繼電器的動作原理。

一般繼電器線圈電壓低于額定電壓的50%時間超過1～2個周波就會釋放，因此對于有電壓暫降發(fā)生的場合，特別是控制敏感型負載的繼電器，必須考慮保證繼電器不能長久欠壓。為了避免此類事故的發(fā)生，業(yè)內有些方案把繼電器用永磁鐵維持，使得該繼電器不依賴外電壓繼續(xù)吸合。雖然一定程度上對電壓的短時間電壓暫降起了防護作用，但此舉無疑更改了繼電器原設計的作用，留下了其他事故隱患。

1.2.2 電動機對電壓暫降的承受能力

工業(yè)中所用的電動機大多是異步電動機。異步電機運行時必須輸入感性無功功率，也就是說其勵磁電流必須從系統(tǒng)供給，以維持旋轉磁場。當系統(tǒng)短路引起的晃電發(fā)生后，系統(tǒng)不再給異步電動機提供勵磁電流，此時異步電動機變成異步發(fā)電機，原有的磁場在旋轉中切割定子，產生的定子電壓對外部短路點提供短路電流。從定子側看，此時電機等效出一個短路時間常數，該常數對3MW以下的電機而言一般為30ms左右，則100ms左右原有系統(tǒng)提供的磁場能量即可消耗完畢。

電壓暫降結束后，系統(tǒng)電壓恢復時加到電機定子上的電壓將重新建立異步機內部的旋轉磁場，此時電網對異步機產生的電流將是一個6-7倍于其額定電流的沖擊電流，即數字上等于其啟動電流，沖擊時間也約為100ms左右，即磁場建立和磁場衰減的時間。該沖擊電流可能會造成電機的微機保護動作，如果是大量電機一起啟動，過大的沖擊電流會造成線路主開關過流跳閘，嚴重情況下會因電機群瞬間吸收過多無功而使電網電壓長時間過低。

2 通用型快速開關結構及工作原理

基于快速渦流斥力技術的真空斷路器主要由真空滅弧室、絕緣拉桿、分閘線圈、合閘線圈、渦流盤、分閘儲能電容、合閘儲能電容、分合閘放電控制開關和充電電源等主要部件組成。

圖1 快速開關結構示意圖

快速開關正常工作時，通過充電電源很快完成對分閘儲能電容和合閘儲能電容的充電。需要分閘時分閘放電控制開關導通，分閘儲能電容向分閘線圈放電，產生強度很高的脈沖電流，伴隨脈沖電流的脈沖磁場穿過渦流盤時在渦流盤中感應出渦流，并產生渦流磁場。脈沖磁場對渦流磁場的排斥力推動渦流盤向下運動，同時通過絕緣拉桿帶動動觸頭完成分閘動作。合閘過程相反，合閘線圈的脈沖磁場推動渦流盤向上運動，帶動動觸頭完成合閘。由于機構大大簡化，運動部分的質量大大減輕，為提高斷路器的動作速度創(chuàng)造了條件。另一方面，采用電容儲能，加大了驅動力，提高了分合閘速度。快速斷路器的合閘時間可以做到10ms左右，分閘時間可以控制在5ms內，開斷能力不小于40kA。

3 通用型快速開關在電壓暫降治理的應用分析

3.1 通用型快速開關與控制器組成直開式母線殘壓保護裝置

直開式母線殘壓保持裝置由通用型快速開關、電流互感器、微機綜合控制器及其附件構成。快速開關是母線殘壓保持裝置的重要執(zhí)行部件，設置有快速過流微機綜合控制器是母線殘壓保持裝置的核心控制部件。正常運行時微機綜合控制器通過電流互感器實時監(jiān)測工作電流，一旦超過快速過流保護整定值，在2ms左右就可判斷為短路故障發(fā)生，并在5ms左右控制快速開關分閘。直開式母線殘壓保持裝置，可以取代總降變電站或開閉所直接向負荷供電的出線柜，用以快速切除故障，防止電壓暫降導致非故障區(qū)域敏感設備的停車故障。

3.2 通用型快速開關與控制器組成阻開式母線殘壓保護裝置

阻開式母線殘壓保持裝置主要由后備開關、通用型快速開關、限流阻抗、電流互感器、微機綜合控制器及其附件構成。正常運行時快速開關和后備開關均處于合閘位置，向下一級開閉所正常供電，當微機綜合控制器檢測到工作電流超過快速過流保護的整定值時，立即判斷為近區(qū)短路，在5ms左右控制快速斷路器分閘，短路電流在第一次過零點被強迫轉移到限流阻抗直路，隨著短路電流被限制，非故障區(qū)域的母線電壓迅速恢復到額定值90%以上。當故障支路被切除之后，流經母線殘壓保持裝置的電流恢復到正常水平，微機綜合控制器立即控制快速開關合閘，系統(tǒng)恢復正常運行狀態(tài)。阻開式母線殘壓保持裝置，適合于新建或擴建工程，可取代總降變電站向開閉所供電的出線柜，用以快速隔離故障點，防止電壓暫降導致非故障區(qū)域敏感設備的停運事故，同時保證繼電保護有選擇性地動作。

3.3 通用型快速開關對傳統(tǒng)開關的改造應用

對于已經投運多年、停電改造困難的系統(tǒng)，可通過將通用快速開關的二次接口重新設計與現場一致，在系統(tǒng)不停電情況下，直接更換斷路器即可。方便了改造，節(jié)省了改造停電費用和經濟損失。

4 結語

本文通過對電壓暫降的根本原因進行分析，提出基于渦流斥力技術通用型快速斷路器在電壓暫降中的相關應用，實現20ms內快速隔離故障點，迅速恢復上一級母線電壓，保障非故障支路的敏感設備連續(xù)可靠運行，避免電壓暫降導致的電氣設備大范圍停運，進而給大中型連續(xù)型企業(yè)挽回重大的經濟損失。