第1章 短路电流抑制与开断技术需求

1.1 短路电流超标问题现状

1.2 短路电流抑制与开断技术需求

第2章 大容量短路电流开断装置研发进展

2.1 国内外大容量短路电流开断方法研究

2.2 单断口大容量断路器

2.3 基于高耦合分裂电抗器的并联断路器

2.4 混合断路器

第3章 故障电流限制器研发现状

3.1 超导限流技术

3.2 常规限流技术

3.3 电力电子开断及限流技术

第4章 大容量短路电流抑制与开断技术应用案例

4.1 国外应用案例

4.2 国内应用案例

第5章 总结与展望

参考文献2100433B

本图书结合南方电网重大科技专项技术研究，联合相关知名高校、科研院所对国内外大容量短路电流抑制与开断技术的现状进行了系统梳理，对目前已有的各类短路电流限制技术、开断技术进行了系统的总结，对未来的发展方法进行了系统展望，包括：各类限流技术、各类大容量短路电流开断技术研发的国内外进展，大容量短路电流装置运行现状、技术路线及存在问题等。本书通过调研国内外开关设备制造厂家的大容量短路电流开断装置的研制情况及其应用情况，分析大容量短路电流开断装置的研发和应用情况，提出相关问题，为其后续研发工作和在电网中更好地应用提供支持，对电力系统从事科研、电网运行、检修、规划设计等相关技术开发人员从事相关研究有重要意义

高电压等级真空开断技术陶瓷外壳真空灭弧室及多重屏蔽罩结构

126 kV单断口玻璃外壳真空灭弧室见右图。

真空灭弧室的外壳结构是由两节玻璃外壳组成，其屏蔽罩结构为中央主屏蔽罩和端部屏蔽罩结构。

一种陶瓷外壳的真空灭弧室及其所采用的多重屏蔽罩结构，陶瓷外壳真空灭弧室的优点是，一方而可以采用一次封排工艺，采用一次封排工艺可以提高灭弧室产品品质，同时减少了加工流程，可以降低产品成本;另外一方而，126 kV等级真空灭弧室外壳采用四节瓷壳组成，这种设计可以使用多重屏蔽罩结构设计，提高真空绝缘水平。

高电压等级真空开断技术额定电流提升技术

型式试验证明2/3匝线圈式纵磁触头在126 kV真空灭弧室的应用中具有优良的短路电流开断性能，其短路开断能力可以达到40 kA。由于2/3匝线圈式纵磁触头结构较为复杂，触头的电阻值较大，触头的产热较高，限制了其额定电流的提升。因此，迫切需要额定电流的提升技术。大量的仿真和实验工作证明，触头结构参数的优化以及加装散热扇片或重力热管可以有效地提升设计的额定电流。加装散热扇片后，可有效提高真空断路器额定电流水平。此外，采用复合磁场触头、马蹄铁型二极纵向磁场触头以及带有带有中心主触头的纵向磁场触头，也可以在满足额定短路电流要求的基础上，实现额定电流提升。

高电压等级真空开断技术真空灭弧室外部采用SF6替代气体绝缘

由于京都议定书将SF6气体列为全球管制的6种温室效应气体之一，因此最近SF6替代气体研究形成一个新的高潮。在瓷柱式真空断路器中气体绝缘见右图。

高电压等级真空开断技术新型操动机构技术

断路器作为电力输配电系统中应用最广泛的开关设备，需要实现系统中正常电流的开断与关合，以及过载、短路等故障电流的开断。它在开断、关合动作过程中的可靠性，极大程度上影响着供电的可靠性。而断路器的动作是通过操动机构来实现的。操动机构不但要保证断路器长期动作的可靠性，还要满足断路器灭弧特性对操动机构的要求。因此，操动机构在断路器中占有重要地位。适用于真空断路器的操动机构主要有电磁操动机构、弹簧操动机构、电机操动机构和永磁操动机构。永磁操动机构和电机操动机构具有机构零件数量少、机械可靠性高;可实现选相分合闸;运动过程可控，可实现智能化操作等特点。

永磁操动机构已大量应用于中低压等级的真空断路器中。但是永磁机构在高电压等级的应用还存在一定难度，这是由于高压等级真空断路器触头的运动行程更长，分合闸速度更高，依靠传统结构的永磁机构很难实现。因此，针对126 kV真空断路器设计出一种适用于大行程，具有较高分合闸速度的新型永磁操动机构。

一种新型分离磁路式永磁操动机构，将永磁保持部分与电磁操动部分分离，使两部分磁路在工作时互不干扰，并在永磁体上下端和分、合闸线圈之间的静铁心上加入非工作气隙，以提高线圈效率和分、合闸速度。此外，相对于传统结构的永磁机构，采用分离磁路式结构的新型永磁机构的动态特性更好。

一种126 kV真空断路器电机操动机构见右图。

电机操动机构将运动部件简化为唯一的电机轴；机构零件少，机械可靠性高；电机伺服性能好，操动机构可靠性高;有利于实现智能化操作等特点。

高电压等级真空开断技术气体绝缘封闭“真空”组合电器

新一代气体绝缘封闭组合电器可以全部选用真空开关器件，包括断路器、接地开关、快速接地开关、隔离开关等，这样由真空灭弧室替代了SF6气体的电流开断功能，而SF6气体的绝缘功能可使用环境友好型SF6替代气体。绝缘气体只负责真空灭弧室外部以及组合电器罐体内部的绝缘，并不参与电流的开断以及燃弧过程。电流的开断、接地、快速接地、隔离等动作均由不同职能的真空灭弧室负责完成。气体绝缘封闭“真空”组合电器的优点是充分发挥了真空灭弧室环境友好、开断能力强、寿命长、体积小、维护简单等特点。

高电压等级真空开断技术液氮绝缘封闭“超导”组合电器

液氮被用于高温超导带材的冷却介质，其绝缘强度很高，不需要考虑“液化”问题，并且对环境没有污染。液氮可以在具有SF6绝缘性能的同时克服了SF6的温室效应问题，完全能够替代SF6作为组合开关设备的外绝缘。因此液氮绝缘“超导”组合电器将可能是一种新型环境友好型组合电器。

液氮绝缘“超导”组合电器关键技术主要是液氮绝缘特性，超导带材限流特性，真空灭弧室在液氮中的特性，液氮冷却循环系统设计，以及耐低温电压电流互感器的设计。此外，“超导”组合电器具有众多优点，不仅可以在高寒地区下使用，而且避免了SF6气体的温室效应;液氮绝缘强度高，减小了开关设备尺寸小;通过液氮冷却循环系统循环冷却液氮；连接导线为超导带材，带有短路电流限流功能，正常导通情况下无损耗；超导组合电器内所有开关电器均为真空开关。真空开关不但可以在液氮中正常工作，而且在液氮中额定电流还可以提高。

一种具有液氮冷却循环系统的封闭开关设备，利用液氮作为绝缘介质，解决了SF6绝缘气体的温室效应问题和气体液化导致绝缘失效的问题；同时具有绝缘强度高、设备紧凑的优点。

高电压等级真空开断技术新型高压直流断路器

一种由高压直流真空负荷开关与高压限流熔断器相结合形成新型高压直流组合电器。其中熔断器负责开断短路电流，直流负荷开关负责开断过载电流和额定电流，二者配合完成直流的全电流范围开断。在合闸操作时，真空负荷开关闭合，完成合闸；额定电流和过载电流的分断是在真空开关分闸的同时，触发开关导通，电容器反向放电，在回路中形成过零点，真空开关电弧在电流过零时刻熄灭，完成电流的分断;短路电流的分断由后备式熔断器熔断完成，真空负荷开关分闸形成“隔离”断口。这种新型高压直流组合电器的优点是：开断短路电流大;操作控制方便；成本低廉，性价比高;安全可靠，稳定性高。

后备式熔断器一真空负荷开关直流组合电器见，后备式熔断器还可以采用直流超导限流器，由超导限流器将短路电流限制到过载电流的水平，有利于真空负荷开关的分断。采用超导直流限流器将峰值47 kA的预期电流限制为3.5 kA，然后在电流降到2 kA时用真空负荷开关将其分断。这种方式不仅由于超导限流的作用而短路电流开断可靠，而且真空负荷开关在分断时的反向放电电流无需取到短路电流水平，有利于额定电流和过载电流的成功分断。该技术还可应用于高电压等级。

高电压等级真空开断技术超特高压真空断路器

将真空开关发展到超特高压等级，可为电力开关领域全而削减和替代强温室效应SF6做出进一步贡献。目前已研制出具有自主知识产权的126 kV和252 kV等高电压等级真空灭弧室。在此基础之上，进一步发展双断口和多断口真空断路器，可以使得超特高压真空断路器成为可能。其关键技术包括多断口真空开关的动态介质恢复过程、并联电阻或均压电容的设计准则、各断口的同步性技术及操动机构技术等 。

高电压等级真空开断技术既是电力开关领域对于发展环境友好型开关设备的响应，又是真空开断技术发展的需求。从真空绝缘，大电流真空分断，操动机构与分、合闸曲线，额定电流的提升4个方而阐述了高电压等级真空开断的关键技术。介绍了高电压等级真空断路器在国内外的应用与运行情况。并从8个方而展望了高电压等级真空开断技术发展的前景。高电压等级真空开断技术方兴未艾，大有可为。

主要特点：

(1)高速开断：在短路电流首个工频半波的波前部分、在短路电流远未上升到峰值之前动作并开断短路电流，全开断时间2～5 ms，比断路器快约10～20倍；

(2)限流开断：发生短路后1ms开始限制短路电流，最终将短路电流限制到预期值的15%-45%；

(3)高开断能力：额定预期短路开断电流63～200kA，而目前通用断路器的额定短路开断电流通常只能达到40.5～50kA；

(4)自带罗果夫电流传感器；测量准确、反应速度快、可分相布置，亦可组柜布置；

(5)高可靠性：本产品的竞争力之一是具有超群的可靠性，特殊设计和工艺保证了产品的高可靠性，得到现场考验和好评。

原理结构：

产品结构如图1所示。

1---快速隔离器（爆破桥）2---特种高压限流熔断器 3---高压侧电子控制器

4---罗果夫传感器 5---高压隔离变压器6---支撑绝缘子

7---底座8---主回路铜排9---低压信号控制箱

原理接线图如图2所示。

图2 原理接线图

动作波形如图3所示。　

由图3可见，短路电流在第首个半波，在尚未上升到峰值之前已被快速截断，实际出现的短路电流的峰值Ic被限制到预期峰值的（15～45）%，i2的持续时间仅为2～5 ms，使作用于发电机、变压器绕组的电动力按平方关系减小为原先值的2%～20%，破坏能力指标i2t减小为原先值的约0.5%，从而有效地保护了主设备免遭短路损坏。