报告
2015-10-20
电网短路电流超标治理措施的研究
技术报告
2015年10月20日
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批准审核编
写
:
: :
电网短路电流超标治理措施的研究技术报告
目
1 任务来源及研究项目背景
录
...................................................................... 4
1.1任务来源 ......................................................................................... 4 1.2研究项目背景 ................................................................................. 5 2 研究内容.................................................................................................. 6
2.1典型主变限流指标 ......................................................................... 6 2.2 限流方案的研究 ............................................................................ 7 2.3 研究方向、研究意义 .................................................................. 10 2.4 技术方案、结构原理、功能策划2.5 快速开关并联电抗器构成原理
.............................................. 10 .................................................. 18
2.6 功能策划 ...................................................................................... 19 2.7 结构安装 ...................................................................................... 20 3 项目的科学性和先进性
........................................................................ 21
.................................................. 21
...................................... 22
3.1 快速真空断路器的技术先进性
3.2 快速识别与过零开断技术的技术水平4存在的问题及改进措施
......................................................................... 24
5研究成果................................................................................................. 24
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电网短路电流超标治理措施的研究技术报告
1 任务来源及研究项目背景
1.1任务来源
随着电网规模的扩大，作为宁夏电网能源大区石嘴山，随着
750千伏沙湖变及其
220千伏配出工程的投运有效改善了石嘴山电网的网架结构，负荷接纳能力大大提升，但电网局部仍存在一定薄弱环节，尤其是未来
2~3年内，上海庙、平罗电厂、大武口热
造成短路电流水平超标等诸多
电厂扩建等规划项目的陆续实施以及新能源的陆续接入，
问题，电网安全稳定运行将面临新的考验。需要寻找一种最优的限制短路电流方法。
根据2015年石嘴山电网短路水平专项分析，针对未来
2~3年内电网局部短路电流
接近开关额定遮断容量甚至超标问题，应加强滚动校核，制定运行控制策略，确保电网的安全稳定运行。对于部分变电站未来几年内短路电流增幅明显，
超过开关额定遮断容
量，除建议区调及时调整运行方式，确保短路电流水平在合格范围内；同时考虑高压或低压侧配置限流电抗器；
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同时根据石嘴山供电公司开展的在运行的220kV、110kV变压器抗短路校核报告：
220kV变压器37台其中30台已加装限流电抗器。7台没有加装限流电抗器。具体原因：陶乐站、常胜站5台主变低压侧仅电容器无负荷出线，平西站2主变低压侧短路电流较小。110kV变压器65台，变压器厂家提供绕组可承受最大短路电流的台进行分析量化，定义变压器抗短路能力系数（变压器可承受最大短路电流变压器中低压最大短路电流）。找出需要治理短路电流的节点。
34台，对这34
/实际运行
图 1
1.2研究项目背景
根据上面的报告，石嘴山供电公司随着供电容量的逐年增加，短路电流超标现象已出现或预计三年内出现在电力系统的各个供电电压侧，急需找到一种经济、可靠、安全的限流方式。
因篇幅限制，本次报告根据电力公司校核分析，找到具有代表性的三台压器，其绕组抗短路能力不足
100%。他们分别为：红乐变
110kV变
包括高压侧、中压侧、低压侧。
1#、惠农变1#、柳园变3#
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详见表1。
表中抗短路能力评估等级为：
A类能承受120%以上短路电流冲击；B类能承受
100%~120%短路电流冲击；C类能承受80%~100%短路电流冲击；D类能承受60%~80%短路电流冲击；E类能承受60%以下短路电流冲击；
最大可承受短路电流
（kA，稳态值)
低压绕组7.20 9.74 7.13 I1
短路电流计算值（kA，稳态值）中压110kV 检修方式三相6.43 5.66 8.04
大方式单
相
低压三相线电流14.61 11.45 17.12
相电流8.44 6.61 9.88 I2
变压器信息
序号
安装变电站1 2 3
红乐变惠农变柳园变
抗短路能力系数（%）中压三中压单低压压三低压三相相安全相安全相（线电系数233.32 77.75 79.96
系数
流）85.35 147.33 72.13
（相电流）
C D D 抗短路能力
评估
间隔单元#1 #1 #3
高压绕组中压绕组
3.50 2.36 2.95
15.00 4.40 6.43
基于以上分析可以看出，红乐变绕组抗短路能力不足，柳园变
1#低压侧绕组抗短路能力不足，惠农变1#中压侧
3#中压侧、低压侧绕组抗短路能力都不足，石嘴山供电
公司争取到群创项目。由宁夏供电公司石嘴山供电公司，上海合凯电力保护设备有限公司协作，共同完成“石嘴山电网短路电流超标治理措施的研究”项目。
2 研究内容
2.1 石嘴山供电公司典型主变限流指标
按照2015年运行方式计算：
红乐变1#低压侧短路电流超标，需要进行治理；研究在低压侧进行限流。惠农变1#中压侧短路电流超标，需要进行治理；。研究在中压侧进行限流。柳园变中压和低压侧短路电流超标，需要进行治理；研究在高压侧进行限流。在确定短路电流限制时应遵循以下
3个原则：
5倍以下
①为避免主变压器损坏事故应将短路电流限制到额定电流的近年来由于低压侧出口短路，造成
110kV及以上大型变压器的损坏事故时有发生。
5～7倍下损坏
大量的事故数据表明，一些变压器是在穿越型故障电流只有额定电流的的。
②为不影响继电保护的灵敏度和选择性，限流后的短路电流应不低于额定电流的倍。将限流装置考虑在主变压器差动范围内，备保护的影响，即1.3×1.5=1.95。
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2
则限流后短路电流的减少只需要考虑对后
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③治理后短路的电流小于变压器可承受的最大短路电流。并使之达到能力。
2.2 限流方案的研究
目前国内外采用的限流方案有如下几种：1）常规采用限流电抗器
国内外习惯上采用限流电抗器来限制短路电流。10kV常规电抗器为例计算损耗。
XKK-10-2000-8%电抗器的电能损耗有功损耗功率查电抗器参数表得到三相无功损耗QK =3
2
A类抗短路
但电抗器运行损耗大、下面以二组
PK=12.196×3=36.588kW XL%=3
103
20000.08=2771.28kVar
UN3
2
IN
年总的损耗= βΔＰ∑T= β（ΔP= PK+ 0.1QK）T 以下计算按照：负荷率
β=0.7，年运行T=8000小时，每kWH按照0.5元。
61.49万
每年损耗电能达到1229767KWH, 电抗器每年电能损耗折合人民币XKK-10-4000-6%电抗器的电能损耗有功损耗功率查电抗器参数表得到三相无功损耗QK =3
2
PK=15.416X3=46.248kW XL%=3
103
40000.06=4156.92kVar
UN3
2
IN
年总的损耗= βΔＰ∑T= β（ΔP= PK+ 0.1QK）T 以下计算按照：负荷率
β=0.7，年运行T=8000小时，每kWH按照0.5元。
90.54万
每年损耗电能达到1810805KWH, 电抗器每年电能损耗折合人民币
而且，由于限流电抗器串联在主回路中，这必将加大线路电压降，甚至影响系统的暂态稳定和动态稳定性。
另外，限流电抗器多为空心电抗器，正常运行时产生的漏磁场不仅会恶化周围设备的电磁环境，导致通讯系统异常或继电保护不正常动作，属构架或金属壳体的附加涡流发热损耗。
2）高阻抗变压器
也有采用高阻抗变压器来限制短路电流的，与串联限流电抗器相比没有什么大的区别，同样存在电能损耗和电压降落的问题。
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而且漏磁场还将造成附近金
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3）限流电抗器与电容器串联谐振型
近年由限流电抗器与电容器串联构成的串联谐振型限流方案也完成了挂网试验。
正
常运行时电容器抵消了限流电抗器的感抗，不会产生无功损耗。一旦线路发生短路故障，则通过放电间隙、电子开关和旁路开关将补偿电容短接，由限流电抗器限制短路电流。但当流过负荷电流时仍然会在限流电抗器的电阻上产生有功损耗。
尽管这种有功损耗比
起未加补偿电容前要小得多，但仍然不可忽视。更重要的是，这种限流方案技术复杂、体积庞大、造价高（运行在杭州瓶和变电站的一套而且运行可靠性并不理想。
4）直流偏磁绕组的电抗器
带有铁芯的具有直流偏磁绕组的电抗器也在研制过程中。
正常运行时电抗器受直流
500kV串联谐振限流器造价1亿元），
偏磁的影响工作在低阻抗区，一旦发生短路立即撤出偏磁直流，电抗器进入高阻抗区限制短路电流。与串联谐振限流方案相比，尽管取消了电子开关，但又增加了整流设备和控制设备，同样存在技术复杂、体积庞大、造价高以及有功损耗等问题。而且这种直流偏磁式限流电抗器，若用于高压电网还有很多技术问题有待于进一步研究解决。
5）超导限流
超导限流方案是近年来国内外比较热门的课题。正常运行时超导体限流器工作在临界参数（电流、温度或磁通）以下的超导状态，一旦发生短路时超导体立即进入失超状态，呈现高阻抗限制短路电流。这种超导限流方案尽管目前成为国内外的热门话题，但由于参数低、技术复杂、不成熟等原因还远远没有达到实用阶段。我国首套超导限流器参数为10kV、1.5kA，于2005年在湖南娄底于完成了挂网试验，但因体积、成本等综合因素又于2006年年底退出运行了。
我国另一套35kV、1.2kA、90MVA饱和铁芯超导限流器曾于
2009年完成挂网试验并
运行至今，这也是目前世界上电压等级最高、容量最大的超导限流器。
总之，超导限流器不仅技术指标远远不能适应高压电网的需要，而且体积庞大、技术复杂，可靠性有待于进一步考验。更重要的是造价昂贵（一套
10kV、1.5kA的超导限
2400万元），这样
流器造价高达1700万元，一套35kV、1.2kA的超导限流器造价高达的经济负担也是电力企业难以承受的。
6）FSR大容量高速开关并联电抗器
部分国内用户采用FSR大容量高速开关并联电抗器的做法，
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FSR采用雷管式桥体开
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断。一次与电抗器并列。短路电流流过时桥体开断。FSR不能自动复位，动作后需要更
2天。
换桥体。不但需要更换备品费用，每次还需要停电检修至少
7）快速开关并联电抗器
同时随着机械快速开关技术的发展，
分闸时间已经可以做到5mS，合闸时间可以做
到10mS,考虑将快速开关和电抗器并联，利用测控装置，正常运行电抗器被快速开关短接，系统无损坏运行，在系统发生短路时，快速开关分闸，短路电流换流进入电抗器中，限制短路电流。短路故障切除后，测控单元自动检测电流恢复，立即给快速开关发出合闸命令系统恢复正常运行。
另外实际运行中，母线或电源之间解列运行来限制短路电流，这是一种无奈的选择。但本次抗短路能力不足的三台主变本身已经是解列运行。
各种限制短路电流方案的比较
普通电抗
器
高阻抗变压器
电抗器与电容器串联谐
振
装置投资运行成本（损耗）综合成本（投资+运行）技术门槛
低
低
技术不成熟
技术不成
熟
运行可靠
性
综合上述比较，普通电抗器、高阻抗变压器运行成本高（运行损耗大）电容器串联谐振、直流偏磁、超导限流技术尚不成熟；而快速开关并联电抗器综合指标为最佳选择。
；电抗器与
高
高
低
低
技术不成
熟低
低
高
中
中
高
高
高
高
高
高
低
低高
高高
高低
高低
高低
低高
直流偏磁
超导限流
FSR并联电抗器
快速开关并联电抗
器低低
FSR并联电抗器运行可靠性低；
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2.3 研究方向、研究意义①研究方向
根据上节分析情况，确定研究方向为快速真空开关并联电抗器构成无损耗限流。本思路是，正常运行时快速真空断路器将限流电抗器短接，一旦线路发生短路故障、快速真空断路器快速分闸，串入限流电抗器。
本研究报告应用于高压电网，用以限制母线短路电流和流过主变压器的穿越性短路电流。②研究意义
本研究报告的完成，为石嘴山供电公司主变压器抗短路电流不足提供了解决方案，创造了条件。本研究报告探索了一条低成本、占地少、高可靠的解决方案。2.4 技术方案、结构原理、功能策划
2.4.1红乐变1#限抗参数计算及各种限流方案比较
石嘴山电网红乐变技术方案：关注主变压器安全，兼顾断路器开断安全性电抗器参数的设计
红乐1#主变容量：63MVA,容量比1:1:0.5
变比：110/38.5/10.5
阻抗：I-II 10.45%；II-III 6.35%；I-III 18.62%
最大可承受短路电流
（kA，稳态值)
低压绕组7.20 I1
短路电流计算值（kA，稳态值）中压110kV 检修方式三相6.43
大方式单
相
低压三相线电流14.61
相电流8.44 I2
基
变压器信息
序号
安装变电站1
红乐变
抗短路能力系数（%）中压三中压单低压压三低压三相相安全相安全相（线电系数233.32
系数
流）85.35
（相电流）
C 抗短路能力
评估
间隔单元#1
高压绕组中压绕组
3.50 15.00
从上面石嘴山供电公司软件计算表格可以看出，红乐变1#抗短路能力评估不足，
变压器抗短路能力一般，存在短路损坏隐患，需要低压侧增加电抗值限制短路电流。系统增加电抗器的计算
现设计SHK-ZLB，主变低压侧串联ZLB电抗器之后短路时，低压侧限后电流为变压器最大可承受短路电流
I1的0.83倍考虑（使之限后达到
A类标准,即1/1.2=0.83）；
即I限后=7.2*0.83=6.0KA 同时考虑I限后≤5×In=8.66kA
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变低压侧短路时线电流由8.44KA限流到6.0KA
设原10.5kV系统限前总阻抗为XK2，限后总阻抗为XK3XK2=
10.58.44
3
=0.7183Ω
XK3=
10.56
3
=1.0104Ω
电抗器阻抗XZLB= XK3 -XK2 =0.2921Ω设计电抗器：额定电压UN=10.5kV 额定电流IN=2000A
3
XZLBUN
IN
计算电抗率X%=
=
30.29212000
10500
=9.6%
红乐变1#限抗装置参数10.5-2000/40-0.2921Ω红乐变电站各种限流方案运行损耗和造价比较
考虑到直流偏磁、超导限流技术尚处于试验阶段，且投资费用巨大，不予比较；FSR并联电抗器运行可靠性低也不予比较。高阻抗变压器与普通电抗器限流处于一个类型，限流程度相同损耗相同，因此按照一种类型考虑。
故本次运行损耗和造价比较仅需比较：普通电抗器、电抗器与电容器串联谐振、快速开关并联电抗器三种方案
由上节限抗计算可知，如达到限流效果，红乐
1#限抗参数如下：
红乐变1#限抗装置参数10.5-2000/40-0.2921Ω-9.6%。限前电流8.44KA，限后电流6.0KA
1）普通电抗器：根据红乐变限抗参数，对于普通电抗器型号设备造价：经询价1套三相：38.6万元运行损耗：XKK-10.5-2000-10%电抗器的电能损耗有功损耗功率查电抗器参数表得到三相无功损耗QK =3
UN3
IN
PK=13.7×3=41.1kW XL%=3
10.53
20000.10=3637kVar
XKK-10.5-2000-10%
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年总的损耗= βΔＰ∑T= β（ΔP= PK+ 0.1QK）T 以下计算按照：负荷率
β=0.7，年运行T=8000小时，每kWH按照0.5元。
22
每年损耗电能达到1586816KWH, 年运行损耗折合人民币
79.34万。
2）电抗器与电容器串联谐振
设备造价：电抗器1套三相38.6万
电容器造价按照45元/kvar
电容器电压Un=0.2912X8.44=2.46kV；考虑可靠系数1.2倍
Un=2.46X1.2=2.95kV Qc=
U
=29793kvar XC
三相电容造价预算：29793X45X3=402万测控电子设备及电子开关旁路开关设备预算总价460万年运行损耗折合人民币接近零
3）快速开关并联电抗器
设备造价：电抗器1套三相38.6万
快速开关1套三相60万测控电子设备10万设备预算总价110万年运行损耗折合人民币零
红乐站1#主变限流三种方案预算及损耗比较表格如下：
普通电抗器
电抗器与电容器串联
谐振
装置投资每年运行成本（损耗）
38.6万79.34万
460万接近0
110万0
快速开关并联电抗器20万
2
n
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2.4.2惠农变1#限抗参数计算及各种限流方案比较
石嘴山电网惠农变1#技术方案：关注主变压器安全，兼顾断路器开断安全性电抗器参数的设计
惠农1#主变容量：40MVA,容量比1:1:1
变比：110/38.5/10.5
阻抗：I-II 10.1%；II-III 6.65%；I-III 18%
最大可承受短路电流
（kA，稳态值)
低压绕组9.74 I1
短路电流计算值（kA，稳态值）中压110kV 检修方式三相5.66
大方式单
相
低压三相线电流11.45
相电流6.61 I2
变压器信息
序号
安装变电站2
惠农变
抗短路能力系数（%）中压三中压单低压压三低压三相相安全相安全相（线电系数77.75
系数
流）147.33
（相电流）
D 抗短路能力
评估
间隔单元#1
高压绕组中压绕组
2.36 4.40
从上面石嘴山供电公司软件计算表格可以看出，惠农变1#抗短路能力评估不足，
变压器抗短路能力一般，存在短路损坏隐患，需要中压侧增加电抗值限制短路电流。系统增加电抗器的计算
现设计SHK-ZLB，主变中压侧串联ZLB电抗器之后短路时，中压侧限后电流为变压器最大可承受短路电流
I1的0.83倍考虑（使之限后达到
A类标准,即1/1.2=0.83）；
即I限后=4.4*0.83=3.65KA 同时考虑I限后≤5×In=2.99 惠农变中压侧短路时线电流由
5.66KA限流到2.9KA
设原38.5kV系统限前总阻抗为XK2，限后总阻抗为XK3XK2=
38.55.6638.52.9
33
=3.9272Ω
XK3==7.6648Ω
电抗器阻抗XZLB= XK3 -XK2 =3.7376Ω设计电抗器：额定电压UN=38.5kV 额定电流IN=1000A
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3
XZLBUN
IN
计算电抗率X%=
=
33.73761000
38500
=16.8%
惠农变1#限抗装置参数38.5-1000/31.5-3.7376Ω惠农变电站各种限流方案运行损耗和造价比较由上节限抗计算可知，如达到限流效果，惠农变
1#限抗参数如下：
惠农变1#限抗装置参数38.5-1000/31.5-3.7376Ω-16.8%。限前电流6.61KA，限后电流2.9KA
1）普通电抗器：根据惠农变限抗参数，对于普通电抗器型号设备造价：经询价1套三相：60万元
运行损耗：XKK-38.5-1000-17%电抗器的电能损耗有功损耗功率查电抗器参数表得到三相无功损耗QK =3
2
XKK-38.5-1000-17%
PK=32.2×3=96.6kW XL%=3
38.53
10000.17=11336.6kVar
UN3
2
IN
年总的损耗= βΔＰ∑T= β（ΔP= PK+ 0.1QK）T 以下计算按照：负荷率
β=0.7，年运行T=8000小时，每kWH按照0.5元。
每年损耗电能达到4822384KWH, 年运行损耗折合人民币
241万。
2）电抗器与电容器串联谐振
设备造价：电抗器1套三相25.4万
电容器造价按照45元/kvar
电容器电压Un=3.7376X6.61= 24.71kV；考虑可靠系数1.2倍
Un=24.71X1.2=29.64kV
U
Qc==235051kvar
XC
三相电容造价预算：235051X45X3=3173万测控电子设备及电子开关旁路开关设备预算总价3200万年运行损耗折合人民币接近零
20万
2
n
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3）快速开关并联电抗器
设备造价：电抗器1套三相80万
快速开关1套三相80万测控电子设备20万设备预算总价180万年运行损耗折合人民币零
惠农变1#主变限流三种方案预算及损耗比较表格如下：
普通电抗器
电抗器与电容器串联
谐振
装置投资每年运行成本（损耗）
60万230.27万
3230万接近0
180万0
快速开关并联电抗器
2.4.3与柳园变3#限流及各种方案比较
根据前面分析柳园
3#主变中压侧和低压侧抗短路能力都不足，初步设想最简单的
方案是在高压侧110kV增加限流装置。
根据2015年石嘴山电网短路水平专项分析预测，部分超配引发开关遮断能力不足。
综合以上情况，在高压侧限流在一定条件下也是必要的。柳园3#主变容量：63MVA,容量比1:1:0.5
变比：110/38.5/10.5
阻抗：I-II 10.61%；II-III 6.08%；I-III 18.61%
最大可承受短路电流
（kA，稳态值)
低压绕组I1
短路电流计算值（kA，稳态值）中压110kV 检修方式三相
大方式单
相
低压三相线电流
相电流I2
220kV限流也存在短路电流
变压器信息
序号
安装变电站
抗短路能力系数（%）中压三中压单低压压三低压三相相安全相安全相（线电系数
系数
流）
（相电流）
抗短路能力
评估
间隔单元
高压绕组中压绕组
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3
柳园变
#3
2.95
6.43
7.13
8.04
17.12
9.88
79.96
72.13
D
现初步设计在柳园变高压侧加限抗设计110kV电抗值5.65Ω电抗等效到中压侧为XK2=5.65
38.511010.5110
2
=0.6921Ω
2
电抗等效到低压侧为XK3=5.65柳园变中压侧原短路时电流
=0.0515Ω
8.04kA
设原38.5kV系统限前总阻抗为XK2，限后电流为IK3XK2=
38.58.04
3
=2.7647Ω
IK3=
38.53
0.6921
2.764
=6.43kA
8.04kA限制到6.43kA
即高压侧增加电抗后，柳园变中压侧短路时电流由柳园变低压侧原短路时线电流由
9.88kA
设原10.5kV系统限前总阻抗为XK2，限后电流为IK3XK2=
10.59.88
3
=0.6136Ω
IK3=
10.5
3
0.6136
0.0515
=9.11kA
9.88kA限制到9.11kA
即高压侧增加电抗后，柳园变低压侧短路时电流由根据已有中压侧短路电流和变压器阻抗，反推并联开关的断口电压套零损耗限抗串联。
110kV限后电流为8.08kA
21kV,即需要4
8.08X5.65X1.5=68.48,单台开关断口耐受电压
柳园高压侧加限抗的效果评估：从上面分析高压侧加限抗，中压侧已经达到限流要求，但对低压侧影响很小。不能低压侧限流要求。即使忽略低压侧，此参数在目前技术条件下需要4台无损耗限抗串联。
柳园变电站3#各种限流方案运行损耗和造价比较柳园变3#高压侧限抗装置参数110kV、5.65Ω、500A
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1）普通电抗器：根据柳园变3#中压限抗参数，对于普通电抗器型号：
设备造价：经询价高压1套三相：80万元有功损耗功率查电抗器参数表得到三相无功损耗QK =3
2
PK=13.7×3=41.1kW XL%=4763kVar
UN3
2
IN
年总的损耗= βΔＰ∑T= β（ΔP= PK+ 0.1QK）T 以下计算按照：负荷率
β=0.7，年运行T=8000小时，每kWH按照0.5元。
每年损耗电能达到2028208KWH, 年运行损耗折合人民币
101万。
2）电抗器与电容器串联谐振设备造价：中压电抗器
1套三相76万
电容器造价按照45元/kvar
电容器电压Un=8.08X5.65=45.65kV；考虑可靠系数1.2倍
Un=45.65X1.2=54.78kV
U
Qc==531123kvar
XC
三相电容造价预算：531123X45X3=7170万测控电子设备及电子开关旁路开关估价设备预算总价7300万年运行损耗折合人民币接近零
3）快速开关并联电抗器设备造价：高压电抗器
80万
130万
2
n
快速开关4套三相120万测控电子设备30万设备预算总价230万年运行损耗折合人民币零
柳园变3#主变限流三种方案预算及损耗比较表格如下：
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普通电抗器
高压装置投资每年运行成本（损耗）
80万101万
电抗器与电容器串联
谐振7300万接近0
快速开关并联电抗器
230万0
从上面经济效益分析可以看出，电抗器与电容器串联谐振造价太高；普通电抗器虽然初期设备费用较低，但年运行成本高，运行损耗费用大；快速开关并联电抗器经比较确定为唯一性价比最高的方案，因此下面技术研究以此方向进行。
2.5 快速开关并联电抗器构成原理
图 2
如图2所示，无损耗限流装置主要由快速开关（换流器）
、限流电抗器、高保真电
流采样器、快速识别器等组成。快速识别器与装设在控制室的测控子站（图中未画出）之间采用光纤连接成监控系统。
利用快速涡流驱动技术开发的快速真空断路器作为快速开关，状态，电抗器被短接，整个装置工作在“零损耗”状态；
装置投运后，快速识别器通过高保真电流采集器监视装置的工作电流，
一旦系统发
分
正常运行时处于闭合
生相间短路故障时，高速DCP通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零时刻，别在每相电流过零点之前控制快速开关分闸，入，实现限流。
装置可在电流第一次过零时刻将电抗器串
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短路故障切除或重合闸成功后，快速识别器自动检测母线电压回升及电流减小后立即给快速换流器发出合闸命令，深限流电抗器退出，系统即恢复正常运行。并联快速开关的参数设计
根据主变容量，参考系统短路电流，确定开关参数如下：
红乐变1#开关装置参数10.5kV-2000A/40kA 惠农变1#开关装置参数38.5kV-1250A/31.5kA 柳园变3#中压侧开关装置参数110kV-1250A/31.5kA
2.6 功能策划
①装置带电后自动短接电抗器
装置带电前快速开关、接触器处于分闸状态；
装置挂网带电后，控制器检测到快速开关储能电容完成充电后自动发出快速开关合闸指令；
若在装置带电后快速开关没有完成合闸动作则测控子站立即发出故障报警信号。②线路短路后自动串入电抗器
当检测到线路工作电流超过限后电流值时控制器控制快速开关自动分闸，抗器串入到线路中，装置工作在限流状态；
当控制器向快速开关发出分闸指令后第三个周波快速开关回路仍有电流，开关拒分，则控制器立即向测控子站发出故障报警并上传故障信息。③与线路保护装置的动作配合
限流电抗器串入后装置一直保持在限流状态（快速开关和接触器处于分闸状态）故障切除后，线路重新带电，快速开关自动合闸，将限流电抗器短接，装置自动恢复到零损耗状态；
若线路恢复送电控制器发出合闸指令后快速开关拒动，同时向测控子站发出故障报警并上传故障信息；
当电抗器串入后线路电流未降到额定电流以下，
说明线路故障未被切除，控制器延
，
说明快速将限流电
时0.3s发出指令跳开线路串联的进线开关，同时控制快速开关合闸，强行将电抗器短接。
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图3 外形结构图（单相）
④实时监测与远方操作功能
控制器实时向测控子站上传线路工作电流、开关状态和储能电容电压；测控子站面板实时显示线路工作电流、开关状态和储能电容电压；测控子站监测到装置带电后快速开关没有完成合闸时，立即发出故障报警信号；
通过测控子站的面板可以调阅事件记录，记录内容包括事件的事件、类型，事件发生时的工作电流、开关状态和储能电容电压有效值及波形。2.7 结构安装
装置单相结构的外形结构见图
3，三相组装后的效果图
4。
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图 4
3 项目的科学性和先进性
3.1 快速真空断路器的技术先进性①快速真空断路器的开发与应用
快速涡流驱动技术由上海合凯主要发起人于利授权。
利用这一快速涡流驱动技术于
2003年开发出的快速真空接触器，分合闸时间由
2002年完成开发，2003年获得国家专
80～120ms缩短到10ms以内，在消弧消谐柜中获得大量的应用。
利用快速涡流驱动技术于
2005年年末成功开发出了快速真空断路器，合闸时间能
5ms以内。从2006年开始，在开关式消弧柜
够做到12ms左右，分闸时间可以控制在
中获得应用，2008年35kV开关式消弧柜通过西高所的形式试验验证。
②快速真空断路器的开断试验试验采用已充电电容对电感
L、电阻R回路放电的原理。在被试品处于合闸状态下
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对电容C充电至电压为8000V，通过控制器控制操作开关合闸后，在由电容C、电感L、被试断路器及回路电阻
R构成的闭合回路中就会产生
50Hz振荡大电流。控制器检测到
（电流
通过被试断路器的电流超过限值后，在预测到的电流过零点之前一定的超前时间
过零点预测的最大误差、被试断路器的固有分闸时间及其最大分散度、许的最小燃弧时间并考虑适当的余量）完成开断。
通过峰值为60kA的开断试验，证明了试品在短路初相角为的开断能力。通过峰值为效值为40kA的开断能力。
断口开断过程允
发出分闸指令，以保证开关在电流第一次过零点
0°附近有效值为40kA
90°附近有
100kA的开断试验，证明了试品在短路初相角为
通过60kA的358次开断试验和100kA的167次开断试验表明，试品在额定短路开断电流下的动作寿命可以超过
500次，远远超过了普通断路器的开断寿命。
这主要原因
就是对电流过零点的准确预测和最佳燃弧时间的有效控制，到最小，从而大大提高了断路器的开断寿命。
2011年末快速真空断路器通过西高所的形式试验考核。—40型真空断路器在顺利完成
使得电弧对触头的燃烧量达
其中，试品一VFC—12/1600
80kA
40kA、100次开断试验后，不检修不换件接着完成
下的开断20次；试品二VFC—12/5000—80型真空断路器在顺利完成
2008年开始在加拿大温哥华组建生产基地，
80kA、100次。
2012年在加拿大正式批量生产。
代表真空开关
此项开断技术不管从开断能力和合分闸速度目前处于国际领先水平，的前沿水平。
3.2 快速识别与过零开断技术的技术水平
①短路故障过零开断技术
短路故障快速识别技术是利用电流瞬时值和电流变化率同时越线作为判据，路电流有效值的快速预测。
利用短路故障快速识别技术开发的大容量快速开关的测控单元，生后的0.3～0.4ms之内预测出短路电流的有效值并发出动作指令。自
实现短
可以在短路故障发2000年投放市场
以来，大容量快速开关至今已经投运数千台，取得了上万台年的运行经验、短路故障快速识别技术已相当成熟。
在短路故障快速识别的基础上，增加短路电流过零点预测功能之后，
最迟可在短路
故障发生后的2～3ms完成短路电流有效值的识别和过零点的预测，可以在计及快速真
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空断路器固有分闸时间在内并按照预先设定的提前量发出分闸指令。
②过零开断技术的实现
尽管国内外对短路故障过零开断技术早有研究并取得了一些成果，
但并没有实现真
正意义上的“过零开断”。绝大多数现场使用者对目前过零开断技术的评价是，尽管过零开断取得一定进展，但效果不稳定。
目前对过零开断方面所取得的成果均在控制器的过零点预测技术和控制算法方面，需要借助常规的真空断路器才能完成过零开断。
分析过零开断效果不稳定的原因在于常
120°，不可能同时过零，这是效
2～3ms，最高达到5ms，这
规的真空断路器是三相联动的，而三相短路电流互差
果不稳定的原因之一；普通真空断路器动作分散度一般为是过零开断效果不稳定的另一个原因。
基于快速涡流驱动技术的快速真空断路器是分相控制的，合闸时间可以做到10ms
左右，分闸时间可以控制在5ms以内。分闸分散度可以做到0.1ms以内，合闸分散度可以做到0.2ms以内。利用快速真空断路器作为执行部件，才可实现真正意义上的“过零开断”。
③过零开断技术的验证
控制器在预测出短路电流的有效值和过零点之后，
就可准确地控制快速真空断路器
在短路电流过零点之前完成分闸动作，实现在短路电流的第一次过零点可靠完成开断。由于在开断过程中灭弧室燃烧量大幅度减少，命的裕度。额定开断
这就大大提高了断路器开断能力和开断寿
20次提高到100次之后还能
40kA的断路器可将额定开断寿命由
在80kA下完成20次开断，额定开断80kA的断路器可直接在80kA下完成100次开断。
短路电流过零开断技术曾在
1:1大电流试验台上经过上千次的开断试验考核。
下图为在上海合凯厂内试验快速开关动作波形如图５。
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图５短路快速动作波形
CH1：分闸脉冲 CH2:CH3：C相电压 CH4 : C
合闸脉冲
相电流
此项快速识别技术配合快速开关合闸不同期小于0.2mS、分闸不同期小于0.1mS，
使快速开关真正做到过零开断。使一直处于理论上的过零开断技术在实践上得到真正的应用。从开关工程技术领域来说是一次飞跃。
4存在的问题及改进措施
本技术报告是参考《石嘴山供电公司变压器抗短路能力专项工作报告》和《石嘴山电网短路水平专项分析》。其中变压器校核报告中部分
2015年
110kV变压器厂家未给出
抗短路能力数据，造成部分变压器分析数据不全面。本报告也仅对分析数据全面的几个典型变压器进行事例分析，存在一定的局限性。
同时2015年短路水平专项分析也只对尚未进行。
针对以上问题，建议对变压器抗短路能力数据不齐全的进行收集整理，或参考相同厂家相似型号的数据分析。同时对短路电流水平进行远期预测分析。
2016~2018年预测分析。对于远期的分析预测
5研究成果
本研究利用快速真空断路器作为控制限流电抗器投、退的执行部件，即可实现在正
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常时的零损耗运行，又可当线路发生短路故障后短路电流的第一次过零点将限流电抗器串入，实现深度限流，解决了限流电抗器的多次重复自动投退的问题。采用这样的方案后有利于对整套限抗装置实现模块化、多重化的结构。
与普通限流电抗器相比，本研究方案克服了电抗器正常运行时带来的巨大电能损耗、电压波动和电磁干扰等问题；与爆炸型大容量高速开断装置与电抗器并联方案相比，避免更换一次性使用的元件带来的维护工作量加大和运行成本增加的问题。该方案具有低成本、占地少、可靠高的特点。
根据上述研究报告，建议考虑在220kV、110kV变压器抗短路能力不足的场合或者变电站短路电流接近馈线开关开断能力的场合，配置限抗并联快速开关的新型限流装置。
可
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