CN101183781A - 并联电感限流断路器 - Google Patents

Abstract

并联电感限流断路器，属于电力系统短路故障保护装置，特别涉及一种大容量短路故障保护器件，目的在于克服现有断路器开断能力之不足，提高开断能力，有效切断故障电流。本发明包括并联线圈、保护电阻、辅助断路器和主断路器，第一、第二线圈的异名端相连，耦合系数为1；第一线圈与第一保护电阻并联，再与辅助断路器串联；第二线圈与第二保护电阻并联，再与主断路器串联；整个装置串联接入主系统，当控制回路检测到主系统发生短路故障时，发出控制信号，先打开辅助断路器，并联电感解耦，故障电流被限制在一定水平，再打开主断路器，完全切断故障电流。本发明损耗低，运行费用小，能显著提高断路器的开断能力，有效切断故障电流。

Description

并联电感限流断路器

技术领域

本发明属于电力系统短路故障保护装置，特别涉及一种大容量短路故障保护器件，以提高断路器的开断能力，保证其有效地切断故障电流。

背景技术

随着技术与经济的发展，电力系统正通过自身扩容和网际互联不断扩大规模，输配电网络的系统容量及短路电流随之增大。短路电流增大，给系统及用户带来的负面影响增加，对电力设备的电气与热稳定参数的要求也就越高；短路容量增大还可能导致断路器不能及时有效地切断短路电流，从而对电力设备造成不良影响。因此，为保证电力系统安全、可靠和稳定运行，必须采取有效的措施限制短路电流的水平，以保证断路器有效地切断故障电流。目前，限制电力系统短路电流的措施主要有：

(1)提升电网电压等级，将下一级电网分层、分区运行。低电压等级网络被分成若干区域，以辐射状接入更高一级的电网中，大容量的电厂直接接入更高一级电网中，这样，原电压等级网络的短路电流将随之降低。该措施可以有效抑制系统短路容量，但建造高一级电压的网络不仅工程复杂、造价昂贵、降低了供电可靠性和运行灵活性，还会带来电磁污染等问题。

(2)多母线分列运行或母线分段运行。该措施可以大大减小短路容量，能明显地限制短路电流的水平，但降低了供电可靠性、增加了线路损耗，并非电网发展的趋势，在220KV及以上的高压网络一般不采用该方式。

(3)采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用，但其反应速度较慢，不利于电网的稳态及暂态稳定，且对电网的瞬间电动力没有任何抑制作用；此外，熔断式保护器一般是一次性的，给电网的维护以及自动化带来不便。

(4)采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看，该方案存在一定的局限性。一方面，超大容量断路器在技术上存在相当的难度；另一方面，系统短路电流和断路器设备遮断容量太大会加重并联设备的技术要求，是不经济的。

(5)采用限流电抗器。在超高压、长距离输电线路中，装设串联电抗器用得较多，这等于增加了输电线路的距离，增大阻抗，从而限制短路电流水平；此外，该措施补偿了线路电容电流的影响，有效地改善了线路末端的电压水平。但该措施会增加网损、降低系统运行的稳定性。

此外，还有解列电网、采用直流输电技术(背靠背BTB)，增大发电机、变压器等设备的阻抗等措施，均为通过改变网络结构或参数来降低短路电流水平。以上措施在不同程度上限制了短路电流的水平，但它们均存在着各自的缺陷和不足，或以另一种形式对电网产生了不利影响，或技术上实现困难(大容量断路器)。为此，人们提出了故障限流器的概念，该方案不改变系统的运行方式、网络结构与正常运行状态下的网络参数，可以满足系统短路容量不断增大的要求，能有效地切断大容量的故障电流。为此，人们对其展开了大量的研究工作。

发明内容

本发明提供一种并联电感限流断路器，目的在于克服现有断路器开断能力之不足，提高其开断能力，使之有效地切断故障电流。

本发明的一种并联电感限流断路器，包括两个并联的线圈、与线圈并联的保护电阻、与线圈串联的辅助断路器和主断路器，其特征在于：

所述第一线圈与第二线圈的异名端相连，两个线圈并联，耦合系数为1；第一线圈与第一保护电阻并联，再与辅助断路器串联；第二线圈与第二保护电阻并联，再与主断路器串联；整个装置串联接入主系统，当控制回路检测到主系统发生短路故障时，发出控制信号，先打开辅助断路器，并联电感解耦，故障电流被限制在一定水平，再打开主断路器，完全切断故障电流。

所述的并联电感限流断路器，其特征在于：所述并联的第一线圈与第二线圈材料为超导材料。

所述的并联电感限流断路器，其特征在于：所述主断路器或辅助断路器为电力电子开关或者PWM变流器。

本发明利用无感耦合并联电感的分流来减小辅助断路器的开断容量，利用并联电感解耦后的限流来减小主断路器的开断容量，提高了现有断路器的开断能力，使之可以切断大容量短路电流。系统正常运行时，异名端相连的并联电感线圈通过无感耦合，使装置处于低损耗的待命状态，系统电流由并联电感线圈共同分担；在系统发生短路故障时，并联电感的分流减小了辅助断路器的开断容量，当辅助断路器打开后，并联电感解耦，阻抗大大增加，故障电流得到有效限制，减小了主断路器的开断容量，从而使之有效地切断故障电流。本发明中，辅助断路器与主断路器采用分时开断策略，从而实现了利用无感耦合并联电感的分流与解耦后的限流来分别减小它们的开断容量，提高其开断能力。本发明损耗很低，运行费用小，可以显著地提高现有断路器的开断能力，使之有效地切断故障电流。

附图说明

图1为本发明实施例应用于交流系统的电路示意图(单相)；

图2为应用本发明时，线路电流i_s与辅助断路器电流i₁波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为电流(KA)；

图3为应用本发明时，线路电流i_s与主断路器电流i₂的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为电流(KA)；

图4为应用本发明时，第一线圈W1的电压u_w1与第二线圈W2的电压u_w2波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为电压(KV)。

具体实施方式

本发明包括并联的第一线圈W1与第二线圈W2，第一保护电阻R1与第二保护电阻R2，辅助断路器S1与主断路器S2。整个装置串联接入主系统，无感耦合的并联第一线圈W1与第二线圈W2的异名端相连，耦合系数 $k=M/\sqrt{L_1{L}_2}\≈1,$ 式中，M为互感，L₁为第一线圈W1的自感，L₂为第二线圈W2的自感。

系统运行正常时，辅助断路器S1与主断路器S2均处于闭合状态，第一线圈W1与第二线圈W2共同分担线路电流(I_s＝I₁+I₂)，无感耦合的并联电感呈现的等效阻抗很小，几乎为0(L_eq＝(L₁L₂-M²)/(L₁+L₂+2M)≈0)，于是电感上的电压降落也就很小，整个装置处于低损耗的待命状态。

当系统发生短路故障时，系统电流I_s陡增，在辅助断路器S1动作之前，无感耦合的第一线圈W1与第二线圈W2仍然是共同承担故障电流，但并联电感的分流减小了辅助断路器S1的开断容量，提高了其开断能力，在辅助断路器S1动作，并联电感的第一线圈W1被开断后，并联电感解耦，阻抗大大增加，减小了主断路器S2的开断容量，提高了其开断能力，从而保证其有效地切断故障电流。辅助断路器S1开断能力的提高是因为并联电感的分流，主断路器S2开断能力的提高是因为并联电感解耦后的限流，而限流是依靠分时操作来实现的。

实施例如图1所示，电路的相关参数如下：

理想电源(110KV系统)：V_s＝110/sinωtKV，工频f＝50Hz；

并联线圈的自感：L₁＝L₂＝80.1mH；

并联线圈的互感：M＝80mH；耦合系数k＝0.9988；

保护电阻R1与R2：R1＝R2＝1000Ω；

输电线路阻抗：Z_line＝R_line+jX_line＝2.26+j11.32Ω；

负载视在功率：S_load＝50MW+j10Mvar。

图2～4所示为实施例应用于交流系统的波形图，在此为更好地观察分流与限流效果，辅助断路器S1与主断路器S2的开断时间与实际相比均有一定的延时。故障前系统处于正常运行状态，t＝0.026s时，系统在负载端发生接地短路故障，t＝0.076s时，辅助断路器S1开断，t＝0.116s时，主断路器S2开断。

如图2所示，细实线表示系统电流i_s，粗虚线表示辅助断路器电流i₁。系统正常运行时，电流峰值为1.08KA，短路期间，故障电流的瞬时峰值最大达16.3KA(≈16I_N，I_N为线路的额定电流)，若只使用一个断路器来开断短路电流，则该断路器的开断容量至少需大于16KA，而由图可知，由于并联电感的分流作用，流过辅助断路器S1的电流只有系统短路电流的一半，故断路器的开断容量可以减小一半，其开断能力得到显著提高。

如图3所示，细实线表示系统电流i_s，粗虚线表示主断路器电流i₂。在辅助断路器S1开断、并联电感解耦之前，并联电感起分流作用(i_s＝i₁+i₂)，在辅助断路器S1开断，并联电感解耦之后(t＞0.08s)，系统的故障电流全部由主断路器S2来承担(i_s＝i₂)，但由于并联电感的解耦，装置阻抗大大增加，进入限流状态，故障电流得到有效降低，峰值最大只有3.6KA(≈3.3I_N)，故主断路器S2的开断容量可以大大降低，其开断能力得到显著提高，从而可以有效地完全切断故障电流。

图4所示为并联的第一线圈W1与第二线圈W2两端的电压降落u_w1与u_w2，由图可知，在辅助断路器S1开断之前，由于并联电感处于无感耦合状态，其两端的电压降落几乎为0，故系统正常运行时装置的损耗很低。辅助断路器S1开断之后，并联电感解耦，阻抗增大，第二线圈W2成为系统的主要阻抗，故电感上的电压降落接近于系统电压。图中u_w1与u_w2总是反向，是因为并联线圈的异名端相连。

Claims (3)

1.一种并联电感限流断路器，包括两个并联的线圈、与线圈并联的保护电阻、与线圈串联的辅助断路器和主断路器，其特征在于：

所述第一线圈与第二线圈的异名端相连，两个线圈并联，耦合系数为1；第一线圈与第一保护电阻并联，再与辅助断路器串联；第二线圈与第二保护电阻并联，再与主断路器串联；整个装置串联接入主系统，当控制回路检测到主系统发生短路故障时，发出控制信号，先打开辅助断路器，并联电感解耦，故障电流被限制在一定水平，再打开主断路器，完全切断故障电流。

2.如权利要求1所述的并联电感限流断路器，其特征在于：所述并联的第一线圈与第二线圈材料为超导材料。

3.如权利要求1或2所述的并联电感限流断路器，其特征在于：所述主断路器或辅助断路器为电力电子开关或者PWM变流器。

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