CN101183781B - 并联电感限流断路器 - Google Patents

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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
[0001] 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
[0002] 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:
[0003] (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。
[0004] (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。
[0005] (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。
[0006] (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。
[0007] (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。
[0008] 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
[0009] 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。
[0010] 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:
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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P丽变流器。
[0014] 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
[0015] 图1为本发明实施例应用于交流系统的电路示意图(单相);
[0016] 图2为应用本发明时,线路电流is与辅助断路器电流t波形,横坐标为时间(S), 纵坐标为电流(KA);
[0017] 图3为应用本发明时,线路电流is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);
[0018] 图4为应用本发明时,第一线圈Wl的电压uwl与第二线圈W2的电压uw2波形,横坐 标为时间(s),纵坐标为电压(KV)。
具体实施方式
[0019] 本发明包括并联的第一线圈Wl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Sl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Wl
与第二线圈W2的异名端相连,耦合系数<formula>formula see original document page 4</formula>,式中,M为互感,为第一线圈Wl 的自感,L2为第二线圈W2的自感。[0020] 系统运行正常时,辅助断路器Sl与主断路器S2均处于闭合状态,第一线圈Wl与
第二线圈w2共同分担线路电流as = i一g,无感耦合的并联电感呈现的等效阻抗很小,几
乎为0(、= (LA-M"/(L,L2+2M) "O),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。
[0021] 当系统发生短路故障时,系统电流Is陡增,在辅助断路器Sl动作之前,无感耦合 的第一线圈Wl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Sl的开断容量,提高了其开断能力,在辅助断路器Sl动作,并联电感的第一线圈Wl 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。
[0022] 实施例如图1所示,电路的相关参数如下:
[0023] 理想电源(110KV系统)《二110V^/V^sin^KV,工频f = 50Hz ;
[0024] 并联线圈的自感:k = L2 = 80. lmH ;
[0025] 并联线圈的互感:M = 80mH ;耦合系数k = 0. 9988 ;
[0026] 保护电阻Rl与R2 :Rl = R2 = 1000 Q ;
[0027] 输电线路阻抗:Zline = Rline+jXline = 2. 26+jll. 32 Q ;
[0028] 负载视在功率:SlMd = 50MW+jlOMvar。
[0029] 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。
[0030] 如图2所示,细实线表示系统电流is,粗虚线表示辅助断路器电流i"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( " 16IN, IN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。
[0031] 如图3所示,细实线表示系统电流is,粗虚线表示主断路器电流i2。在辅助断路器
Sl开断、并联电感解耦之前,并联电感起分流作用(is = i,i2),在辅助断路器S1开断,并联
电感解耦之后(tX).08s),系统的故障电流全部由主断路器S2来承担(is= i》,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. 3IN),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。
[0032] 图4所示为并联的第一线圈Wl与第二线圈W2两端的电压降落i^与uw2,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Sl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i^与i^ 总是反向,是因为并联线圈的异名端相连。
5

Claims (3)

  1. 一种并联电感限流断路器,包括并联的第一线圈和第二线圈、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. 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. 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中的PWM变流器。
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