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快速开关及其成套装置在电力系统中的应用目录1、概述2、快速开关3、快速开关成套装置4、总结与展望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1236452364571123645（a）（b）（c）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、快速开关序号项目名称单位参数值1额定电压kV122额定频率Hz503额定电流A12504额定短路开断电流kA255额定短路关合电流kA636机械操作次数次50007分闸时间ms≤38合闸时间ms≤101）12kV快速真空断路器2、快速开关2）40.5kV快速真空断路器序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503额定电流A16004额定短路开断电流kA31.55额定短路关合电流kA806机械操作次数次30007分闸时间ms≤58合闸时间ms≤152、快速开关3）40.5kV快速SF6负荷开关序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503额定电流A16004额定开断电流kA25额定短路关合电流kA806机械操作次数次30007分闸时间ms≤78合闸时间ms≤82、快速开关4）12kV真空触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV122额定频率Hz503最低可触发电压kV0.54触发时延s2005额定短路电流kA256额定短路电流峰值kA637额定短路电流通流时间ms108额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次2002、快速开关5）40.5kV真空触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503最低可触发电压kV54触发时延s2005额定短路电流kA31.56额定短路电流峰值kA807额定短路电流通流时间ms158额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次2002、快速开关6）40.5kVSF6触发间隙序号项目名称单位参数值1额定电压kV40.52额定频率Hz503最低可触发电压kV104触发时延s2005额定短路电流kA31.56额定短路电流峰值kA807额定短路电流通流时间ms158额定短路电流通流次数次209短路通流触发寿命次2003、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快速断路器投切限流电抗型爆炸式熔断器投切限流电抗型3、快速开关成套装置之无损故障限流器技术方案研究快速断路器投切限流电抗型L快速开关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限流电抗器限流熔断器爆炸式开断器正常运行时，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限流电抗器高速开关+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系统标称电压雷电冲击耐受电压操作冲击耐受电压短时（1min）工频耐受电压局部放电测试电压（有效值）阀端对地和不同相阀间阀端间阀端对地阀端间阀端对地阀端间10752942181713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负载主电源备用电源CB1CB2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。控制器非敏感设备外网电源1外网电源2T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1d2Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ3、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点发生短路控制器非敏感设备外网电源1外网电源2T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ控制器非敏感设备外网电源1外网电源2T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1d2Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ分列运行并列运行隔离时间≤20ms3、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非敏感设备外网电源1外网电源2T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ先后电源侧短路快速切换功能---d2点发生短路分列运行控制器非敏感设备外网电源1外网电源2T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1d2Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ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≤22ms3、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控制器非敏感设备工作电源备用电源T1T2PT1PT2LK1LK2C1C2MMC3d1Ⅱ母线Ⅰ母线BPQ先后电源电压缺陷和失电快速切换---工作电源失电控制器非敏感设备