柱上真空开关的使用

柱上真空开关的使用和制造若干问题分析改革开放以来，我国电力事业迅速发展，发电装机容量越来越大，因此，电网，包括10kV电网的故障短路电流也越来越大。

我国幅员辽阔，10kV配电网除少数大城市电缆化水平比较高以外，大部分地区，特别是广大农村，以架空线路为主的状况还无法改变。

但是在10kV配电网中原来广为使用的柱上油开关，因其最大开断短路电流太小，维护工作量又大，且油开关万一漏油，将对农作物造成严重伤害，万一喷油，还可能造成人员伤害，故无法在短路电流越来越大的10kV电网中继续使用。

10kV柱上真空开关具有开断电流大、基本上免维护等优点，从而迅速替代了10kV柱上油开关。

从目前各厂家推出的产品来看，10kV柱上真空断路器，可以有效地切断故障电流。

由此，使部分人产生了认识上的误区，以为使用柱上真空断路器一定比使用柱上负荷开关安全。

实际上，在一条10kV配电线路中，柱上开关较多，这些开关如果都是具有保护性能的断路器，一旦10kV线路某一处短路，必将造成两个以上开关无选择性跳闸的紊乱状况。

下面试结合图1加以分析：一、关于开关越级跳闸如图1所示为一条10kV架空线路的一部分。

主线路导线为YJV—10/185，为了说明问题，图中仅标示出2台主线路分段开关3台分支线路开关和3台用户开关。

变电所10kV线路开关一般有瞬时速断保护和定时限过电流保护。

保护的整定值一般为：瞬时速断保护的整定值，以保证母线电压降至额定电压的55～55%为限进行整定。

为简单计，假设电流互感器变比为400/5，瞬时速断保护的整定值为电流互感器的10倍额定电流，即I szd=4kA。

过电流保护的时限一般为0.5秒，过电流的整定值一次电流值按最大一次使用电流，再考虑可靠系数和电流继电器的返回系数来整定，一般整定值等于电流互感器的额定电流1～1.5倍，现假设为I gzd=500A。

假设变电所10kV母线在最大运行方式下的短路电流为16kA，其短路阻抗标幺值Z*B=5.5/16=0.34。

如在A处发生短路故障，短路阻抗标幺值Z*A ≈0.34+（0.365×2）×100/10.52=0.34+0.66=1.00，短路电流为I dA=5.5/1.00=5.5kA＞I szd=4 kA。

如果分支开关KGFZ1选用断路器，这样就可能发生以下情况：如果变电所开关的固有分闸时间小于用户开关KGFZ1的固有分闸时间，则变电所开关跳闸而分支开关1不动作，明显属越级跳闸。

如果两者灵敏度相近，两台开关均跳闸，也造成了越级跳闸事故。

B点发生短路，如果分支线路不长，其阻抗可以忽略，B点的短路电流值近似于A点，将可能造成变电所开关、分支开关1和用户开关1三台开关乱跳闸。

以上情况，若从运行环境、投资、安装条件等诸多因素综合考虑，变电所内的开关固有动作时间相对较小，其继电保护的反应速度、灵敏性、可靠性均可能高于柱上真空断路器，发生变电所内开关跳闸而柱上开关拒动的几率为高。

发生以上误跳闸事故，是继电保护无选择性而导致的。

因为在变电所开关瞬时速断保护范围内，不管其余断路器的保护如何，变电所内开关应该瞬时跳闸。

其他断路器保护动作时间如果也为零，就会出现上述误跳闸情况，如果动作时限较变电所开关为大，那就没有跳闸的机会，也就失去了作为断路器的意义，仅仅起到负荷开关的作用。

C点短路，短路电流为I cd=5.5/（0.34+0.365×4.3×100/10.52=3.1KA ＜4kA。

C点已不在变电所出线开关速断保护范围之内，不会引起变电所开关误跳闸。

同理，D、E点短路也不会引起变电所开关误跳闸，但是如忽略支线阻抗， D、E点的短路电流与C点短路时相等，在用户开关2跳闸的同时，如果分段开关1继电保护满足要求、选择了柱上真空断路器，则分支线路开关2难免也会发生无选择性的误跳闸。

为避免发生这种问题，分支开关2也不宜用来切断短路电流，以选择负荷开关为宜。

G点短路，短路电流I gd=5.5/(0.34+0.365×6.1×100/10.52)=2.33 kA，当然不在变电所出线开关的速断保护范围内，如果也不在分短开关1的速断保护范围内而只在分段开关2的保护范围内，则只有分段开关2跳闸。

H、I点短路，如忽略支线阻抗，短路电流与G点短路电流相等，I点短路，在用户开关3跳闸的同时，分段开关2、分支线路开关3难免也会发生无选择性的误跳闸。

为避免发生这种问题，分支开关2也不宜用来切断短路电流，以选择负荷开关为宜。

值得指出的是，1回10kV线路上用以切断短路的分段开关必须满足继电保护的选择性、可靠性要求，不能滥用。

否则，继电保护必然难以合理配合，造成无选择性跳闸事故。

以上例子说明，安装在离变电所较近处，在变电所出线开关零时限速断保护范围内的柱上真空开关线路柱上真空开关，应当选用负荷开关，不应选用切断故障短路电流的断路器，否则，将会发生无选择性的越级跳闸或乱跳闸事故。

用于主线路的分段开关和分支开关，一般也应选用负荷开关。

如果线路长，中间必须加分段断路器，应该经过继电保护管理部门的认真计算，整定值要满足继电保护选择性要求。

国外类似的真空开关，大部分是负荷开关，作为开关制造厂家，我们应当从中获得教益，对柱上真空开关的发展方向，必须要有清醒的认识，应该把柱上开关的研制重点，转到负荷开关。

当然，由于柱上真空开关的普遍使用，时间还不是很长，用户对柱上真空开关的运行经验不足，对柱上真空开关使用不当可能引发无选择性开关误动作的危害还没有加以总结，可能还以为，使用有着切断故障电流能力的柱上真空断路器总比负荷开关安全。

我们温州地区，经济发展相对超前一点，开始时也是都使用柱上真空断路器，走过了弯路。

但是，现在，温州地区已经不盲目使用柱上断路器，该使用负荷开关的，就选用负荷开关，确实需要柱上真空断路器的，就选用柱上真空断路器。

难道其他地区不会随着运行经验的积累，终究会明白，大部分柱上真空开关应该选用负荷开关吗？有人以为制造10kV柱上真空断路器与制造10kV柱上负荷开关的成本相差不是太多，还是使用真空断路器安全。

这是一种认识上的误区，根本还没有认识到到，如果滥用断路器引起误跳闸，将大大增加供电部门处理误跳闸事故的工作量，不但没有好处，反而降低了供电可靠性。

二、柱上真空开关作为变压器后备保护断路器使用必须注意的工作G点短路，其短路阻抗在F点的基础上，还要加上变压器自身的阻抗，这个阻抗是相当大的。

10kV配变的短路阻抗百分比一般为4%，其阻抗标幺值为配变的短路阻抗百分值除以变压器额定容量（kkVA），若配变容量为1000kVA，其阻抗标幺值等于4，远大于F点的短路阻抗标幺值。

也就是说，配变二次侧短路折合到10kV侧的短路电流，远小于其10kV侧短路时的短路电流。

但只有变压器10kV侧断路器的保护定值合适，该断路器才可以作为变压器低压侧短路时的后备保护开关。

淡然，发生变压器10kV侧短路，只要10kV短路点在上级开关的瞬时速断保护范围内，还可能会发生误跳闸，只是发生配变10kV侧短路的几率很小。

配变10kV侧额定电流不大，100kVA的配变10kV侧额定电流才5.77A；1000kVA的配变，10kV侧额定电流才57.7A，继保整定值等于其额定电流的1.5倍，也不过86.6A。

如果整定值太大，就失去了作为后备保护的作用。

作为配变后备保护的柱上真空断路器，保护动作电流必须与配变容量相匹配。

配变在合闸瞬间，发生的励磁电流有可能高达配变额定电流的5～7倍，为躲过励磁电流，保护动作应有一定的时限，最好具有反时限特性。

目前，我公司生产的柱上真空开关的保护整定值，可能偏大，而时限特性又不是很好。

三、柱上真空开关的最大开断电流和操作机构运行可靠性问题同样的真空泡，配合不同的操作机构制造的开关，最大开断电流就不同。

在操作机构外型、动作原理确定之后，开关的额定最大开断电流与操作机构的可靠性之间就是一对互相制约的矛盾。

要求最大开断电流愈大，则操作机构的储能弹簧受力也愈大。

操作机构储能弹簧受力愈大，愈容易发生因疲劳而变形，操作机构出现故障的几率也就愈高。

如果适当降低额定最大开断电流，也就可以比较容易提高操作机构的质量与可靠性。

如果操作机构不可靠，发生短路故障时拒动，就根本谈不上最大开断电流这一指标。

柱上真空开关受制于重量和外型尺寸，操作机构运行的可靠性和开关的分断能力之间的矛盾就显得犹为突出。

要求分断能力越高，操作机构的运行可靠性相对来说就可能降低。

从前一段时间的调查来看，用户反映本公司产品质量的主要问题是操作机构手动分闸或手动合闸失败。

开关的操作机构动作不可靠，连手动分闸都不成功，怎么可能自动分闸？分断能力自然也就成了空中楼阁、海市蜃楼，我们必须从中汲取教训。

操作机构的性能可靠，这是保证实现其他性能的基础，也是实现配网自动化的基础，开关的操作机构不可靠，配网自动化也就无从谈起。

所以，必须十分重视操作机构的质量。

柱上真空开关在户外使用，环境条件恶劣，所以要特别重视开关本体的防雨、防凝露、防雷击、防化学腐蚀能力，提高其在各种恶劣条件下的运行可靠性。

必须十分重视操作机构的抗腐蚀能力，开关锈蚀，直观效果不良，影响很坏。

如果在海岛或沿海地域使用，更要提高整体的抗盐雾腐蚀性能。

上面已经分析到，离变电所较近的架空线路上，柱上真空开关应该作为负荷开关运行，不能用来切断短路电流，否则极易发生越级跳闸事故。

安装在离变电所较远的线路上，短路电流又不可能很大。

所以，柱上真空开关根本没有必要把开断电流达到16～20KA这一指标放在首位。

这样做，是以牺牲操作机构的可靠性为代价，换取实际上根本没有实用意义的高分断能力，得不偿失。

假设架空架设的导线为YJV—10/185，变电所10kV母线短路电流为16kA，则离变电所0.5公里处10kV架空线路上三相短路电流为5.5/（5.5/16+0.365×0.5×100/10.52）=11kA。

更何况，前面已经分析到，在变电所10kA出线速断保护范围内的柱上真空开关只能作为负荷开关使用，使用柱上真空开关切断的短路电流不会大于10kV线路速断保护整定值，那就更小。

如果操作机构已经很可靠，分断能力又高，那当然更好。

如果之间存在互相制约的矛盾，二者相权取其重，应当将提高操作机构的可靠性指标放在更加重要的位臵而适当降低最大开断电流。

一般来说，柱上真空开关的最大开断电流大于12kA，能满足使用要求。

适当降低最大开断电流这一指标，可以从总体上提高柱上真空开关的质量。

当然，用户也应明白其中的道理，柱上真空开关制造行业更应对此应当形成共识，不要片面追求高分断能力而忽略操作机构的运行可靠性。

根据目前柱上真空开关的总体构造和国内制造操作机构的金属材料性能和热处理工艺水平，需要全面权衡得失，要有保有舍，不能胡子眉毛一把抓，更不能顾了芝麻，丢了西瓜。