摘要：涡流驱动大容量快速开关使用机电一体化的电子机械（即磁力机构）替代传统的电磁、弹簧等操动机构；用电子控制取代机械传动与联锁，实现无传动的机构，其原理新颖、正确，结构简单，动作可靠准确，属国内首创，技术处于国内领先，达到国际先进水平；其分闸时间可达≤4ms,合闸时间≤10ms；其在电子控制器的控制下可以在电网电压过零点或指定的相角点合闸，可以在电网电流过零时分闸；利用线圈励磁电流和铜盘感应涡流产生电磁力驱动实现分合闸的特点，应用一种新型励磁电路有效地抑制了合闸弹跳和分闸弹振的问题。基于涡流驱动大容量快速开关的上述先进的技术优势，又研发出快速切换装置、母线残压保持装置；零损耗深度限流装置；大容量快速开关等产品，可以有效地解决普通真空断路器无法解决的电源切换时间缓慢、电网晃电、分断电流无法满足电网要求等问题，能够可靠地保证大中型企业供电稳定，故障率下降，保证生产的连续稳定运行，创造更大的经济效益。
关键词：涡流驱动大容量快速开关；快速切换；母线残压保持；零损耗深度限流
引言
改革开放以来，随着我国国民经济持续快速增长，我国电力工业进入历史上的高速发展时期。发电装机容量、发电量持续增长，电网规模不断扩大，电网建设不断加强，输变电容量逐年增加，我国已建成世界上规模最庞大、结构最复杂的电网。与此同时，影响电力系统安全运行的不确定因素和潜在风险也随之增加。而且，电力用户对电力供应的电能质量、安全可靠性和经济性要求越来越高。所以，在此行业背景下，我国结合自身国情，提出了具有中国特色的智能电网规划：以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础)，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成统一坚强的智能电网。统一坚强智能电网的建设对开关操作的快速性、可靠性及智能化提出了更高要求。开关的全部使命，归根到底是体现在触头的分合闸动作上，而分合闸动作又是通过操动机构实现。因此，操动机构的工作性能和质量的优劣，对开关的分合闸速度、工作性能的可靠性及能否在一定程度实现智能化控制起着极为重要的作用。
传统的操作机构包括:手动操作机构、弹簧操作机构、液压操作机构、气动操作机构、电动机操作机构、电磁操动机构。采用弹簧操动机构、液压操动机构、气动操动机构的断路器结构复杂，故障率高，运行维护要求高，在可靠性难以满足开关发展的要求。采用电动机操作机构、电磁操作机构的断路器分合闸速度较低，在快速性上难以满足开关发展的要求。
为进一步提高开关的可靠性和快速性，满足当今社会对高质量、高可靠性开关产品的需求，有必要突破传统意义上的操动机构动作原理，研制新型的开关操动机构。在这种背景下，涡流驱动大容量快速开关应运而生。
1涡流驱动大容量快速开关的结构和技术特点
1.1结构简介：
涡流驱动大容量快速开关结构由真空灭弧室、分合闸励磁线圈、磁力机构、分合闸线圈
之间的铜盘组成。是基于涡流的机械效应力而研制的。通过储能电容给合闸（分闸）励磁线圈提供脉冲电流，脉冲电流在金属盘中感应出涡流，其结果使金属盘受到电磁力作用，带动传动杆运动，使真空灭弧室触头闭合（分开），完成合闸（分闸）操作。其采用机电一体化的电子机械（即磁力机构）替代传统的电磁、弹簧等操作机构，用电子控制取代机械传动与联锁，其原理新颖、正确，结构简单，动作可靠准确，属国内首创；技术处于国内领先，达到国际先进水平。
1.2技术特点：
1.2.1涡流驱动大容量快速开关的分闸时间≤4ms，比普通真空断路器提高了8-12倍；合闸时间≤10ms，比普通真空断路器提高了3-4倍；机械寿命可达10万次，比普通断路器提高3倍多;
1.2.2 此开关在电子控制器的控制下，可以实现同步操作，即在电网线路电压过零点或指定的相角点可以实现合闸，能有效消除合闸涌流和操作过电压；
图1 快速开关机构原理图
图2 磁力机构电气原理图
1.2.3 此开关可以在电网线路电流过零时实现分闸，其实际开断电流是预期电流的20%-40%，比同容量的真空断路器的电寿命提高了2.5-5倍，这大大提高了开关的可靠性。当电网线路发生故障时可以实现快速开断，实际开断电流为预期短路电流的20%-40%，比同容量的真空断路器的开断能力提高了2.5-5倍；
1.2.4 根据涡流驱动原理，即利用线圈励磁电流和铜盘感应涡流产生电磁力驱动实现分合闸的特点，为了有效地抑制合闸弹跳和分闸弹振的问题，应用一种新型励磁电路解决分合闸反弹问题。
2、涡流驱动大容量快速开关的应用
2.1 快速切换装置
基于涡流驱动大容量快速开关技术，研发生产出控制器、断路器一体化的快速切换装置，其测控时间加上开关的分合闸时间小于12ms，完全满足对敏感负载保护的要求。其中的切换控制器从电压陡降的时刻起在2ms内捕捉到电压的变化，并判断出，如果此次变化持续是否有可能造成敏感负载的停运或冲击，如有必要就发出切换指令。高速断路器在接到切换指令后10ms内就能完成分合闸的动作，把有敏感负载的支路换到备用电源上继续运行。
为了在分闸时提高断路器的短路电流开断容量，提高断路器的使用寿命，切换控制器发出的是精确分相的控制指令，使得高速断路器各相都是在电流过零前的零点几毫秒时开断，尽量减少断路器触头电弧燃烧。
该断路器合闸时，可采用分相合闸控制技术，使合闸冲击电流减至最小。另外高速断路器还有一套微机综合保护装置提供常规保护。
2.2母线残压保持装置
正常工作时，普通断路器、涡流驱动快速开关处于合闸状态；当发生短路故障d时，ZRD测控单元通过电流互感器测到短路电流，经自主研发的“短路故障快速判断技术”，发出涡流驱动快速开关分闸指令，将抬升阻抗投入线路，补偿本支路因短路而损失的阻抗，将本支路电流从短路值限制到额定电流附近，从而维持了母线的剩余电压，保障母线对其它未发生短路故障的支路连续供电。若故障点d被切除后，本支路剩余负荷恢复，电流会发生至少50%的变化，测控单元立即发出涡流驱动快速开关合闸的指令，恢复本支路的正常供电；若故障点d切除失败，测控单元在故障后200ms向普通断路器发出分闸指令，协助微机综保实施后备保护动作，并在300ms时命令涡流驱动快速开关合闸，退出抬升阻抗，完成一次保护功能操作。详见图3。
其具备抬升母线残余电压，快速隔离短路故障对电源（母线）电压的影响，保障电源（母线）对其它非故障线路连续正常供电；解决短路电流超标；保护变压器免受短路电流冲击；用于母联处可实现快速解列，使变压器的运行投入方式更加灵活等先进的功能特点。
图3
2.3深度限流装置
零损耗深度限流装置（ZLB）是为了满足电力系统对短路保护的需求而开发的一种新型短路限流保护装置，它的核心技术是涡流驱动大容量快速开关技术。它可在短路电流的初始阶段，快速投入深度限流电抗器即将短路电流限制在可靠的范围内，从而达到了保护发配电设备及供电线路的目的。
ZLB通过罗克线圈，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DCP通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。高速开关在电流接近过零点时三相分别准确分闸开断，短路电流换流进入深限流电抗器中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。测控单元向后台发出动作指示信号。
ZLB可在7～15毫秒内可将短路电流限制在原幅值50%以下，使系统所受到的短路冲击大大降低，保护系统内变压器发电机等电气设备，同时提高了短路点负载真空断路器使用寿命，保证了系统的安全运行。短路故障切除后，测控单元自动检测母线电压回升立即给高速开关发出合闸命令，深限流电抗器退出，系统即可恢复正常运行。
2.4大容量快速开关（HDF）
本装置通过专用不饱和CT，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值和电流变化率，高速DSP通过专用算法，快速精确地预测出三电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。大容量自脱离过电压保护器将开关操作过电压限制在2.5倍额定相电压以内，保证系统绝缘的安全。测控单元向后台发出动作指示信号。本装置可在7-15ms内切断短路电流，使系统所受到的短路冲击极小，大大优于一般微机综保加真空断路器的保护模式。短路故障排除后，可立即给装置发出合闸命令，系统即可恢复正常运行。具有动作速度快、开断能力强、使用寿命长、性能高可靠、动作分散度小、合闸无反弹等特点。
3、应用实例
安阳TRT大容量快速开关装置
（1）系统参数及短路计算
系统参数(用户提供)：110KV总降侧10KV系统短路容量256MVA；
TRT发电机：额定功率：
；额定电压: 
；
功率因数：
；额定电流：
；超瞬变电抗：
发电机出口电抗器型号：额定电压
、额定电流
、电抗率：
一次供电系统见图：
系统短路电流计算：系统等值标幺电抗计算结果见上图（右）标示。
短路电流计算结果：
在系统最大运行方式下：若K1点三相短路：
a、HDF动作前，电抗器被短接
流过HDF的短路电流：
HDF动作前总的短路电流：
b、HDF动作，电抗器并入
流过电抗器的短路电流：
K1点总的短路电流：
若K2点三相短路：
a、HDF动作前，电抗器被短接
流过HDF的短路电流：
K2点总的短路电流：
b、HDF切除，电抗器并入
流过电抗器的短路电流：
系统总的短路电流：
（2）短路电流计算结果分析
由上计算可知，当电抗器被HDF短接后，变电所10kV母线出线发生短路时，最大短路电流
，当HDF动作后，K1点短路，最大短路电流
，K2点短路，最大短路电流
。当线路发生短路故障，HDF快速动作，确保出线开关能可靠开断。HDF的并入从而避免了电抗器长期运行带来的损耗，节约了大量的能源且不影响系统的正常运行。
4、结束语
涡流驱动大容量快速开关技术的产业化，提高了我国大容量开关技术的整体水平，使我国的大容量开关技术进入了世界先进水平。并且徽电科技的产品装置已经获得了西安高压试验研究所的委托试验和型式试验，对我国开关行业和过电压过电流保护行业带来革命性的技术飞跃，项目技术和产品填补了我国空白，具有很大的社会效益和经济效益。目前该项技术主要用于额定电压为6～35kV、额定电流为1～6kA场合。我们相信，随着研发工作的深入和应用的广泛性，涡流驱动大容量快速开关技术将会很快应用到高压领域，将会大大提高高压输电的安全性与可靠性！
参考文献
[1]徐国政高压断路器原理和应用 清华大学出版社 2006. 12.
[2]王建华 电气工程师手册（第三版）机械工业出版社 2006.10.
[3]徽电科技股份有限公司产品说明书.
作者简介
马新华，男，大学本科，1994年毕业于太原理工大学1994年至今一直在山西国控环球工程有限公司（原山西省化工设计院）从事大中型煤化工企业的供配电设计工作，主持完成了50多项国家级和省部级大中型煤化工项目，且均开车顺利，平稳运行，获得了业内的广泛好评。
论文作者:马新华
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/24
标签：电流论文; 涡流论文; 快速论文; 电网论文; 大容量论文; 机构论文; 断路器论文; 《电力设备》2019年第5期论文;