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从60毫秒到20毫秒的突破
——世界首台超高压快速真空断路器成功研发侧记
2018-10-31 10:36  · 来源:中国能源报  · 作者:李文华 蔡建辉 徐丽娟  · 责编:刘文颖

  如何加快适应我国特高压电网和新能源发展建设,确保电网安全可靠稳定运行?如何进一步提高传统断路器开断时间,解决冲击电流过大?面对世界电力科技界共同瞩目的攻关难题,近日从西安高压电器研究院传来喜讯:363kV/5000A/63KA快速真空断路器取得关键技术突破,将开断短路电流时间由60毫秒提升至10-20毫秒。

  60毫秒与20毫秒是什么感觉?根据医学界定义,正常人眨动一下眼睛约需要0.1秒时间,即100毫秒,60毫秒意味着来不及完成一次眨眼,20毫秒则仅相当于眼皮颤动一次。在电光火石瞬间,快速真空断路器顺利完成分闸动作,成功切除电网故障线路,确保了电网设备、千家万户百姓平稳安全供用电。

  要做就一定做到最好

  “虽然还未正式认证,但说它是‘世界首台超高压快速真空断路器’一点也不为过!”项目参与者之一,国网宁夏电科院科技部负责人黄永宁自豪地说。

  363kV/5000A/63KA快速真空断路器项目自2011年着手,由51位来自电网企业、科研机构的研发团队担纲实施,历时7年攻坚克难,连续突破了多项世界性技术难题。据黄永宁介绍,该项技术实现了短路电流的开断能力由研发目标的63千安提升到80千安,突破了目前传统断路器最大开断63千安短路电流的能力;实现了由60毫秒开断短路电流提升至10-20毫秒,突破了世界目前范围已有真空断路器最快开断短路电流速度;实现了363千伏电压等级下对短路电流的直接开断,将在超高压电网应用方面取得新突破……”

  闪电动作堪比神经中枢

  将快速断路器动作时间从60毫秒提速到20毫秒,对于普通的居民用电来说,几乎难以察觉,而缩短故障持续时间40毫秒,对于工业企业的生产用电则意义非凡。

  据相关资料显示,近20年来,全世界由于电压暂降(包括短时电压中断)造成的损失,约占工业样本总损失的60%。如20世纪90年代末,英国某造纸厂因一次仅持续0.3秒的电压暂降导致关键负荷装置跳闸,生产线作业中断,给企业带来的直接经济损失高达14万英镑;据中国电力科学研究院对北京首都钢铁厂的调查,2002年企业发生电压暂降情况19次,每次造成的直接经济损失折合人民币达200-300万元人民币。

  而当短路故障发生时,363kV/5000A/63KA快速真空断路器检测到短路电流,在2毫秒内预测电流过零点,控制器迅速反应,发出分闸指令,超快速电磁斥力机构收到分闸指令后开始动作,在5毫秒内完成分闸操作,即断开故障电流。

  就如同人的手指忽然被针扎到,人体神经中枢将信息迅速传送至大脑,大脑收到指令后指挥手指动作,在5毫秒内完成手指离开针尖的动作,从而保护手指免受更大伤害。

  科技发展之路加速度

  传统断路器开断时间长、冲击电流大,当发生短路故障以后,继电保护装置动作时间通常在10到20毫秒,断路器固有分闸时间为30到60毫秒,燃弧时间为10到20毫秒,再到故障切除时间更是长达60毫秒至140毫秒。

  据业内人士介绍,对于国内50赫兹的电网,短路后5到10毫秒之内就已达到冲击电流最大值。而对于更高等级的363千伏电压等级线路,国内外较为先进的六氟化硫断路器最快分闸时间也在50毫秒以上。这意味着早在断路器开断之前,系统的设备就已经受到了五六次大电流的冲击,后果可想而知。

  “从2011年确定研发快速真空断路器,到2013年快速断路器的分闸时间试验仅仅提升了5毫秒,每再提升1毫秒或者电压等级再加高一点,就会产生抖动现象、快速断开无法自愈合、设备不动作等问题,可谓困难重重。”

  为了突破一个个研发障碍,由国网宁夏电力有限公司首席专家、宁夏电科院名誉院长艾绍贵带队的科研团队,7年累计进行了15000次试验,成功突破多项关键核心技术,最终使得研制快速真空断路器样机的目标得以实现。

  在成功研制“363kV/5000A/63KA快速真空断路器”期间,国网宁夏电科院还衍生出快速开关型变阻抗节能变压器、快速开关型限流技术、快速开关型串联补偿技术、快速开关型变压器隔直装置、快速开关型消弧消谐装置等众多科技创新成果,多项科技成果位于世界领先地位,填补了相关领域空白。

  一台快速开关型的零损耗深度限流装置用于240MVA变压器的35千伏侧,一年仅运行损耗电量折算成电费就可节省166万元;仅此一项技术的运用,每年就可为宁夏电网节约电费16.6亿元。

  回望宁夏电网发展历程,从上世纪八九十年代一座110千伏变电站支撑一个地区供电的窘迫处境,到本世纪初宁夏电网750网架初步建成,再到如今特高压直流输电的飞速发展,国网宁夏电科院致力于推动电网科技发展的脚步从未停歇。未来,国网宁夏电科院将进一步加大新技术、新设备的实际推广应用,为推动新型快速超高压断路器装备产业的发展、提升国家电力自主创新能力和装备制造能力做出贡献。

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