新型母线电压快速保护装置的技术与应用研究
发布日期：2019-09-30 来源：安徽弘立科技有限公司 作者：龙佼佼，黄鹏程，卜明, 薛国伟 浏览次数：799
新型母线电压快速保护装置的技术与应用研究
摘要:新型母线电压快速保护装置采用涡流驱动式快速断路器与智能快速控制系统相结合的方式，大大缩短了装置的检测、运算、动作总时间，提高了整体性能。在故障发生时，本装置可快速切除故障，内部核心部件立即投入，大幅度抑制短路电流，保证下级开关柜安全可靠分断。同时迅速抬升上级母线电压，也可保证同一母线上所有相邻支路负载可以不间断运行，从而彻底避免了由内网故障引起的晃电现象，导致工矿企业停机停产的重大事故发生。
关键词: 母线保护、智能控制、涡流式、快速断路器、晃电
一、背景概述
在企业内部电网某一电压等级的供电系统中，若某一支路上的负载发生短路，与该支路相连的母线电压会迅速下降，通常母线上的电压会下降到低于额定电压的30%左右。只有当该支路断路器开断，切除短路故障，母线电压才能恢复。
母线电压从迅速下降到电压恢复这段时间就是常规高压开关柜切除短路故障的时间，业内普通高压开关柜都是采用微机综保为主要检测控制单元，以机械式断路器为主要操动单元。从故障发生到故障完全切除，开关柜完成整套动作大概需要近百毫秒。（微机综保判断故障并发出指令的时间20-30毫秒，断路器固有分闸时间40-60毫秒，灭弧室燃弧时间15-20毫秒）。因此母线电压会出现上百毫秒的凹陷时间，这种现象企业供电系统称之为“晃电”。
普通开关柜如此长的分断时间，导致企业晃电时间很长，带来的弊端也是显而易见的，首先该故障支路上级母线电压会出现上百毫秒的电压凹陷时间，因此同一母线上所有相邻支路如果带有敏感负荷就很有可能停转停机，企业中常用的敏感设备例如：例如电动机、变频器、继电器、电磁阀等。当某支路出现短路故障时，母线电压急剧下降，晃电持续时间接近于100毫秒，相当于三倍异步电机短路时间常数（异步电机短路时间常数一般在30毫秒以内）。异步电机旋转磁场的保持来自于电网的无功支持，如此长的晃电时间导致相同母线上其它支路的异步电机得不到无功支持，电机磁场完全消耗殆尽，异步电机彻底停止运行。在短路故障点切除后电压开始恢复，此时异步电机重建磁场将产生5-7倍的额定电流冲击，造成系统中继电保护误动作。电机群的重启甚至会造成整个系统崩溃，引发大面积停电事故。异步电机失电重启时的电流冲击波形如下图1所示：
图1
其次，普通开关柜上百毫秒的切断时间，也意味着破坏性极强的短路电流在故障支路中存在达上百毫秒，极大的加深了对线路线缆以及用电设备的伤害，大大减少了其使用寿命。最严重的是由于普通机械式断路器分闸速度较慢，灭弧能力有限，当线路中出现三相短路情况时，短路电流幅值很高，下级支路开关柜内普通断路器极有可能出现开断失败进而引发进线柜跳闸，导致全厂停电的重大事故发生。
二、工作原理
本装置主要由快速断路器、智能快速控制系统、微机综合保护装置、母保阻抗、电流互感器等构成，原理如下图2所示。电力系统正常运行期间，本装置内部快速断路器处于合闸位置，整个装置呈零阻抗状态，表现为无压降，无损耗，不产生漏磁场，不会对企业其他设备产生干扰。
当发生短路故障时，智能控制系统通过电流互感器实时检测系统电流，智能控制系统采用高速DSP芯片运行专用算法， 2ms内实现故障电流的精确预测并发出快速断路器的分闸指令，快速断路器接收分闸指令后，快速开断短路电流同时自动投入母保阻抗，使得整个装置呈高阻抗状态，大幅度降低了短路电流幅值，大大有利于下级开关柜开断短路故障，并将母线电压迅速抬升至额定电压的90%以上，保证了其他无故障支路设备的正常工作。
当短路故障排除后，智能控制系统通过电流互感器检测出系统短路故障消除，发出快速断路器合闸指令，快速断路器迅速完成合闸，自动切除母保阻抗，使整个装置呈现零阻抗状态，系统恢复初始状态正常运行。
图2 装置原理图
三、技术特点
1）动作速度快：目前市面上常规开关柜通用组成为普通机械断路器与微机控制系统相结合，需要100ms以上才能完全切断短路电流。如此长的晃电时间会导致系统中许多敏感负载出现停机，进而可能引发系统大面积停电事故。
本装置采用新型快速断路器与智能快速控制系统控制相结合的设计，新型快速断路器采用独特的涡流式驱动机构，能快速分断短路电流，实现分闸时间3.5ms以内，合闸时间10ms以内。智能快速控制系统采用先进的DSP算法和相控技术，可在2ms内计算出短路电流及电流过零时刻，并发出指令。以上多重技术合 并，保证了整套装置在15ms内实现短路电流完全开断，维持电压稳定，彻底杜绝了晃电的危害，保证了系统其余重要负荷安全稳定运行。
2）提高系统运行可靠性：采用独特设计的母保阻抗部件在投入系统后，可以迅速将线路中的大容量短路电流抑制到较低值，便于下级支路开关柜开断短路故障，彻底避免了支路开关柜开断大容量短路电流失败导致进线柜跳闸，引起全厂停电的重大事故发生，极大的提高了工矿企业电力系统安全运行的可靠性。
3）延长相连设备使用寿命、降低造价成本：由于普通开关柜总的开断时间超过100ms，而本装置的开断时间不超过15ms，大大延长了相连设备与线缆的使用寿命，同时根据热稳定公式，采用本装置的线路所需电缆的截面积远小于采用普通开关柜的线路电缆，节约电缆成本总投资近40%。
4）开断能力强：本装置中的快速断路器采用三相分体动作技术，利用对触头分断初始时间的合理控制，确保相控过零开断，使燃弧时间降到最低，大大增加了设备的开断能力。
5）使用寿命长：本装置采用先进的相控开断技术，开断时的燃弧量不到普通断路器的10%，触头烧灼时间短，使用寿命呈级数上升。
6）性能高可靠：本装置操动机构采用涡流驱动原理，机械部件少，结构紧凑，动作可靠；电气部件中所有器件均使用国外原厂进口产品，在强电磁干扰环境下，仍能可靠运行；
7）动作分散度低、合闸无反弹：本装置采用了直驱式高速涡流驱动技术，保证断路器的合闸分散度在0.1ms以内，同时断路器加装触头撞击缓冲模块，确保合闸无反弹。
四、应用场合
4.1 作为进线柜使用
如下图3设计方案中，采用本装置作为站内进线开关柜使用时：
图3作进线柜使用安装示意图
1）对站内保护
当任一站中某一支路负载出现短路故障时，由于本装置采用快速断路器比普通支路开关柜动作速度快，所以本装置提前分闸，快速切断短路电流，减少短路电流在线路中的时间，降低短路电流对重要设备与线缆的冲击伤害。本装置分闸后，装置内部母保阻抗部件自动投入，迅速将线路中的大容量的短路电流抑制到较低值，然后支路开关柜再分断，这样就大大有利于下级支路开关柜开断短路故障，彻底避免了支路开关柜由于开断失败，导致进线柜跳闸，引起全厂停电的重大事故发生。支路开关柜切除故障支路后，母保装置内部快速断路器会立即合闸，母保阻抗自动旁路，系统恢复正常工作。
2）对站外保护
当任一站中某一支路负载出现短路故障时，本装置自动投入运行，快速切除站内故障支路，维持该站上级母线电压稳定，从而保证与该站在同一条母线上的所有相邻站均不受影响，维持正常运行工作。
4.2 作为母联柜使用
图4作母联柜使用安装示意图
如上图4设计方案中，采用本装置（BHE）作为母联开关柜使用时,正常运行时,装置处于合闸位置，1段子母线与2段子母线并联运行。当1段子母线下侧任一支路出现短路故障时，由于本装置内采用快速断路器比普通支路开关柜动作速度快，所以本装置提前分闸，迅速切断2路馈线流向1段子母线的短路电流，随后故障支路开关柜开始分闸，此时流向故障支路的短路电流只由1路馈线提供，容量大大降低，确保故障支路开关柜能够成功开断短路故障。同时，两段母线的快速解列，也能使2段子母线电压快速恢复，保证2段子母线下侧所有重要负载能够不间断运行，不受1段子母线的故障影响。
4.3 作为馈线柜使用
如下图5设计方案中，采用本装置作为馈线开关柜时，当任一支路发生短路时，该支路的本装置快速投入运行，相对于普通馈线开关柜，本装置可以快速切断短路电流，减少了短路电流在线路中的时间，降低了短路电流对高压线缆与重要设备的冲击伤害，大大延长了高压线缆与重要设备的使用寿命。同时，本装置快速隔离故障支路也能使得母线电压迅速回升，保证相同母线上其余无故障支路的负载可以不间断运行。
图5 作馈线柜使用安装示意图
结论: 新型母线电压快速保护装置采用智能快速控制系统与涡流驱动式快速断路器相结合的方式，智能控制系统在数据检测、采集、处理、传输方面的速度均远胜于目前开关柜中的微机综保，可在2毫秒内完成整个过程；其中快速断路器采用独特的涡流驱动原理，可实现分闸时间小于3.5ms、合闸时间小于10ms，也大大优于普通开关柜中机械断路器；装置内还装有专有设计的深度阻抗元件，可以大大抑制短路电流，多重优势技术融合极大的提高了整套装置的综合性能，大大降低了内网晃电现象造成企业停机停产的风险，为工矿企业的安全生产提供了有力保障。
参考文献
[1] (俄)夏卡梁 编著，徐绳均 等译，异步化同步电机 1997（03）：6.2-7.5
[2] ［美］ 斯科特Ｄ.苏德霍夫，电磁装置的多目标优化设计 2017（12）：3.1-4.9
[3] 周爽，交流高压断路器 2015（9）：3.13
[4] 米尔萨德.卡普塔诺维克，高压断路器——理论、设计与试验方法 2015（7）：4.1-5.5
[5] ［美］J.路易斯·布莱科本，继电保护原理与应用2018（12）：1.10-1.11
[6] 润柏，周荔丹，TMS 320 F28x源码解读2010（7）：1.1-3.1
摘要:新型母线电压快速保护装置采用涡流驱动式快速断路器与智能快速控制系统相结合的方式，大大缩短了装置的检测、运算、动作总时间，提高了整体性能。在故障发生时，本装置可快速切除故障，内部核心部件立即投入，大幅度抑制短路电流，保证下级开关柜安全可靠分断。同时迅速抬升上级母线电压，也可保证同一母线上所有相邻支路负载可以不间断运行，从而彻底避免了由内网故障引起的晃电现象，导致工矿企业停机停产的重大事故发生。
关键词: 母线保护、智能控制、涡流式、快速断路器、晃电
一、背景概述
在企业内部电网某一电压等级的供电系统中，若某一支路上的负载发生短路，与该支路相连的母线电压会迅速下降，通常母线上的电压会下降到低于额定电压的30%左右。只有当该支路断路器开断，切除短路故障，母线电压才能恢复。
母线电压从迅速下降到电压恢复这段时间就是常规高压开关柜切除短路故障的时间，业内普通高压开关柜都是采用微机综保为主要检测控制单元，以机械式断路器为主要操动单元。从故障发生到故障完全切除，开关柜完成整套动作大概需要近百毫秒。（微机综保判断故障并发出指令的时间20-30毫秒，断路器固有分闸时间40-60毫秒，灭弧室燃弧时间15-20毫秒）。因此母线电压会出现上百毫秒的凹陷时间，这种现象企业供电系统称之为“晃电”。
普通开关柜如此长的分断时间，导致企业晃电时间很长，带来的弊端也是显而易见的，首先该故障支路上级母线电压会出现上百毫秒的电压凹陷时间，因此同一母线上所有相邻支路如果带有敏感负荷就很有可能停转停机，企业中常用的敏感设备例如：例如电动机、变频器、继电器、电磁阀等。当某支路出现短路故障时，母线电压急剧下降，晃电持续时间接近于100毫秒，相当于三倍异步电机短路时间常数（异步电机短路时间常数一般在30毫秒以内）。异步电机旋转磁场的保持来自于电网的无功支持，如此长的晃电时间导致相同母线上其它支路的异步电机得不到无功支持，电机磁场完全消耗殆尽，异步电机彻底停止运行。在短路故障点切除后电压开始恢复，此时异步电机重建磁场将产生5-7倍的额定电流冲击，造成系统中继电保护误动作。电机群的重启甚至会造成整个系统崩溃，引发大面积停电事故。异步电机失电重启时的电流冲击波形如下图1所示：
图1
其次，普通开关柜上百毫秒的切断时间，也意味着破坏性极强的短路电流在故障支路中存在达上百毫秒，极大的加深了对线路线缆以及用电设备的伤害，大大减少了其使用寿命。最严重的是由于普通机械式断路器分闸速度较慢，灭弧能力有限，当线路中出现三相短路情况时，短路电流幅值很高，下级支路开关柜内普通断路器极有可能出现开断失败进而引发进线柜跳闸，导致全厂停电的重大事故发生。
二、工作原理
本装置主要由快速断路器、智能快速控制系统、微机综合保护装置、母保阻抗、电流互感器等构成，原理如下图2所示。电力系统正常运行期间，本装置内部快速断路器处于合闸位置，整个装置呈零阻抗状态，表现为无压降，无损耗，不产生漏磁场，不会对企业其他设备产生干扰。
当发生短路故障时，智能控制系统通过电流互感器实时检测系统电流，智能控制系统采用高速DSP芯片运行专用算法， 2ms内实现故障电流的精确预测并发出快速断路器的分闸指令，快速断路器接收分闸指令后，快速开断短路电流同时自动投入母保阻抗，使得整个装置呈高阻抗状态，大幅度降低了短路电流幅值，大大有利于下级开关柜开断短路故障，并将母线电压迅速抬升至额定电压的90%以上，保证了其他无故障支路设备的正常工作。
当短路故障排除后，智能控制系统通过电流互感器检测出系统短路故障消除，发出快速断路器合闸指令，快速断路器迅速完成合闸，自动切除母保阻抗，使整个装置呈现零阻抗状态，系统恢复初始状态正常运行。
图2 装置原理图
三、技术特点
1）动作速度快：目前市面上常规开关柜通用组成为普通机械断路器与微机控制系统相结合，需要100ms以上才能完全切断短路电流。如此长的晃电时间会导致系统中许多敏感负载出现停机，进而可能引发系统大面积停电事故。
本装置采用新型快速断路器与智能快速控制系统控制相结合的设计，新型快速断路器采用独特的涡流式驱动机构，能快速分断短路电流，实现分闸时间3.5ms以内，合闸时间10ms以内。智能快速控制系统采用先进的DSP算法和相控技术，可在2ms内计算出短路电流及电流过零时刻，并发出指令。以上多重技术合 并，保证了整套装置在15ms内实现短路电流完全开断，维持电压稳定，彻底杜绝了晃电的危害，保证了系统其余重要负荷安全稳定运行。
2）提高系统运行可靠性：采用独特设计的母保阻抗部件在投入系统后，可以迅速将线路中的大容量短路电流抑制到较低值，便于下级支路开关柜开断短路故障，彻底避免了支路开关柜开断大容量短路电流失败导致进线柜跳闸，引起全厂停电的重大事故发生，极大的提高了工矿企业电力系统安全运行的可靠性。
3）延长相连设备使用寿命、降低造价成本：由于普通开关柜总的开断时间超过100ms，而本装置的开断时间不超过15ms，大大延长了相连设备与线缆的使用寿命，同时根据热稳定公式，采用本装置的线路所需电缆的截面积远小于采用普通开关柜的线路电缆，节约电缆成本总投资近40%。
4）开断能力强：本装置中的快速断路器采用三相分体动作技术，利用对触头分断初始时间的合理控制，确保相控过零开断，使燃弧时间降到最低，大大增加了设备的开断能力。
5）使用寿命长：本装置采用先进的相控开断技术，开断时的燃弧量不到普通断路器的10%，触头烧灼时间短，使用寿命呈级数上升。
6）性能高可靠：本装置操动机构采用涡流驱动原理，机械部件少，结构紧凑，动作可靠；电气部件中所有器件均使用国外原厂进口产品，在强电磁干扰环境下，仍能可靠运行；
7）动作分散度低、合闸无反弹：本装置采用了直驱式高速涡流驱动技术，保证断路器的合闸分散度在0.1ms以内，同时断路器加装触头撞击缓冲模块，确保合闸无反弹。
四、应用场合
4.1 作为进线柜使用
如下图3设计方案中，采用本装置作为站内进线开关柜使用时：
图3作进线柜使用安装示意图
1）对站内保护
当任一站中某一支路负载出现短路故障时，由于本装置采用快速断路器比普通支路开关柜动作速度快，所以本装置提前分闸，快速切断短路电流，减少短路电流在线路中的时间，降低短路电流对重要设备与线缆的冲击伤害。本装置分闸后，装置内部母保阻抗部件自动投入，迅速将线路中的大容量的短路电流抑制到较低值，然后支路开关柜再分断，这样就大大有利于下级支路开关柜开断短路故障，彻底避免了支路开关柜由于开断失败，导致进线柜跳闸，引起全厂停电的重大事故发生。支路开关柜切除故障支路后，母保装置内部快速断路器会立即合闸，母保阻抗自动旁路，系统恢复正常工作。
2）对站外保护
当任一站中某一支路负载出现短路故障时，本装置自动投入运行，快速切除站内故障支路，维持该站上级母线电压稳定，从而保证与该站在同一条母线上的所有相邻站均不受影响，维持正常运行工作。
4.2 作为母联柜使用
图4作母联柜使用安装示意图
如上图4设计方案中，采用本装置（BHE）作为母联开关柜使用时,正常运行时,装置处于合闸位置，1段子母线与2段子母线并联运行。当1段子母线下侧任一支路出现短路故障时，由于本装置内采用快速断路器比普通支路开关柜动作速度快，所以本装置提前分闸，迅速切断2路馈线流向1段子母线的短路电流，随后故障支路开关柜开始分闸，此时流向故障支路的短路电流只由1路馈线提供，容量大大降低，确保故障支路开关柜能够成功开断短路故障。同时，两段母线的快速解列，也能使2段子母线电压快速恢复，保证2段子母线下侧所有重要负载能够不间断运行，不受1段子母线的故障影响。
4.3 作为馈线柜使用
如下图5设计方案中，采用本装置作为馈线开关柜时，当任一支路发生短路时，该支路的本装置快速投入运行，相对于普通馈线开关柜，本装置可以快速切断短路电流，减少了短路电流在线路中的时间，降低了短路电流对高压线缆与重要设备的冲击伤害，大大延长了高压线缆与重要设备的使用寿命。同时，本装置快速隔离故障支路也能使得母线电压迅速回升，保证相同母线上其余无故障支路的负载可以不间断运行。
图5 作馈线柜使用安装示意图
结论: 新型母线电压快速保护装置采用智能快速控制系统与涡流驱动式快速断路器相结合的方式，智能控制系统在数据检测、采集、处理、传输方面的速度均远胜于目前开关柜中的微机综保，可在2毫秒内完成整个过程；其中快速断路器采用独特的涡流驱动原理，可实现分闸时间小于3.5ms、合闸时间小于10ms，也大大优于普通开关柜中机械断路器；装置内还装有专有设计的深度阻抗元件，可以大大抑制短路电流，多重优势技术融合极大的提高了整套装置的综合性能，大大降低了内网晃电现象造成企业停机停产的风险，为工矿企业的安全生产提供了有力保障。
参考文献
[1] (俄)夏卡梁 编著，徐绳均 等译，异步化同步电机 1997（03）：6.2-7.5
[2] ［美］ 斯科特Ｄ.苏德霍夫，电磁装置的多目标优化设计 2017（12）：3.1-4.9
[3] 周爽，交流高压断路器 2015（9）：3.13
[4] 米尔萨德.卡普塔诺维克，高压断路器——理论、设计与试验方法 2015（7）：4.1-5.5
[5] ［美］J.路易斯·布莱科本，继电保护原理与应用2018（12）：1.10-1.11
[6] 润柏，周荔丹，TMS 320 F28x源码解读2010（7）：1.1-3.1