CN101505056A - 峰值电流限制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种峰值电流限制装置，该装置当产生故障电流时，能够将上述故障电流的峰值限制在预设值以下。上述峰值电流限制装置可保护电力设备免受故障电流引起的热损伤或机械损伤。

Description

峰值电流限制装置

技术领域

本发明涉及峰值电流限制装置，尤其是涉及一种保护连接在电力系统的电力设备并对临界值以上的故障电流(Fault current)进行限流的峰值电流限制装置。

背景技术

通常，电力系统中设置有：限流器，为了防止在雷击、接地故障、短路等事故发生时所产生的临界值以上的故障电流导致电力设备烧坏或受损，对临界值以上的故障电流进行限流；断路器，用于断开与负载的连接，以避免故障电流流向负载。

当发生临界值以上的故障电流时，上述限流器限制所产生的故障电流，从而尽可能降低施加到母线(Bus bar)、绝缘器、断路器等电力设备的机械应力、热应力以及由电产生的应力以保护电力设备。

另外，断路器连接在电力系统上，用于检测临界值以上的故障电流，并根据生成断路信号的过电流继电器的控制，断开与负载的连接，从而避免故障电流流向负载以保护负载。

这种断路器根据过电流继电器的控制切断临界值以上的故障电流需要3-5个周期左右的时间。这是因为过电流继电器检测临界值以上的故障电流需要一定的时间。

因此，当产生临界值以上的故障电流，而限流器过早启动限制规定值以上的故障电流时，过电流继电器有可能无法检测故障电流。

发明内容

本发明的目的在于提供一种峰值电流限制装置，该装置在经过规定时间后对临界值以上的故障电流进行限流，以便能够与连接在电力系统上的包括过电流继电器和断路器在内的电力设备联动。

本发明的另一目的在于提供一种峰值电流限制装置，当发生临界值以上的故障电流时，该装置将故障电流以规定值限制在电力设备的额定短路开断电流(rated short circuit breaking current)以下，从而避免在对故障电流进行限流之前，连接在电力系统的电力设备被烧坏或受损。

为了达到上述目的，本发明之峰值电流限制装置包括：触发器件，串联在电源和负载之间，当发生临界值以上的故障电流时，将上述故障电流分流到并联的另一路径；主触点开关，串联在上述触发器件和上述负载之间；驱动线圈，与上述触发器件并联，并通过上述故障电流产生排斥力使上述主触点开关中接触的触点分离；峰值限制阻抗器件，串联在上述触发器件和上述主触点开关的连接节点和上述驱动线圈之间，用于将流过上述驱动线圈的故障电流的第一峰值限制在预设值以下。

另外，本发明特征在于，上述峰值电流限制装置还包括第一操作开关，其与上述驱动线圈并联，待上述主触点开关的触点分离后，该第一操作开关的触点接触使上述故障电流流过。

另外，本发明特征在于，上述峰值电流限制装置还包括第二操作开关，其与上述峰值限制阻抗器件并联，待上述主触点开关的触点分离后，该第二操作开关的触点接触使由上述峰值限制阻抗器件所限制的故障电流流过。

另外，本发明特征在于，上述峰值电流限制装置还包括第二操作开关，待上述第一操作开关的触点接触后，该第二操作开关触点接触使由上述峰值限制阻抗器件所限制的故障电流流过。

另外，本发明特征在于，上述第一操作开关以及第二操作开关的触点间隙形成为小于主触点开关的触点间隙，使其触点早于上述主触点开关触点完全分离的时机进行接触，而上述第一操作开关的触点间隙形成为小于上述第二操作开关的触点间隙。

另外，本发明特征在于，当上述主触点开关中触点分离所引起的电弧在故障电流的半周期的电流零点被消弧时，上述主触点开关的触点完全分离。

根据本发明，当发生临界值以上的故障电流时，为使连接在电力系统上的电力设备尤其是断路器启动，经过一定时间后对故障电流进行限流，而本发明的峰值电流限制装置在限流之前将故障电流以规定值限制在电力设备的额定短路开断电流(rated short circuit breaking current)以下，从而使电力设备免受热应力和机械应力。

然后，由过电流继电器所控制的断路器检测临界值以上的故障电流并阻止故障电流流向负载，断路器所检测的故障电流是被限制到额定短路开断电流以下的电流，因此可使包括断路器在内的电力设备工作时免受热应力和机械应力。由此，延长了电力设备的寿命。

其结果，与连接在电力系统上的电力设备联动，来保护负载和电力设备。

附图说明

图1为本发明之峰值电流限制装置的结构框图；

图2为图1中的整体式高速开关模块的详细结构示意图；

图3a为图1中产生故障电流时故障电流随时间的变化曲线图；

图3b为图3a的详细曲线图。

^*附图符号说明：

100：电源                        105：电力线

110：触发器件                    120：整体式高速开关模块

121：主触点开关                  123：驱动线圈

125：第一操作开关                127：第二操作开关

130：峰值限制阻抗器件(PCL)       140：限流负载

150：断路器                      160：负载

具体实施方式

以下，参照附图对本发明进行详细说明。

在对本发明进行说明时，对相关的公知功能或结构进行省略，以避免本发明的说明变得冗长。

图1为本发明之峰值电流限制装置的结构示意图；图2为图1中的整体式高速开关模块的详细结构示意图。

如图1所示，为使电力的传递达到最佳，使用具有规定的阻抗值的电力线(Zline)105连接电源100和负载(Load)160，以形成电源100向负载160供电的路径。这种路径形成有多个，各路径上连接有稳定供电所需的各种器件(电力设备)。

具体是，供电路径a上串联触发(trigger：Trig)器件110和处于触点接触状态的主触点开关121。即，上述电力线105和负载之间串联着上述触发器件110和处于触点接触状态的上述主触点开关121。当施加正常电流时，上述正常电流通过上述触发器件110和主触点开关121流向负载160。此外，与上述供电路径a并联的第一分流路径c上串联着驱动线圈123和峰值限制阻抗器件130。即，上述驱动线圈123以及峰值限制阻抗器件130并联在上述触发器件110。当发生临界值以上的故障电流时，故障电流被上述触发器件110所分流而流经上述驱动线圈123和上述峰值限制阻抗器件130。

另外，在与上述第一分流路径c形成并联的第二分流路径e上，串联着第一操作开关125和第二操作开关127。当上述第一操作开关125和第二操作开关127的触点接触时，故障电流经过上述第一操作开关125和第二操作开关127，从而保护连接在上述各路径上的器件。另外，还形成有限流路径h，其上连接有与主触点开关121并联的、用于限流故障电流的限流负载140。此外，第二分流路径e的第一操作开关125和第二操作开关127之间的连接节点和第一分流路径c的驱动线圈123和峰值限制阻抗器件130之间的连接节点连接在一起，从而形成第三分流路径f。

即，本发明中的峰值电流限制装置包含供电路径在内的多个分流路径，供电路径是施加正常电流时将电源稳定地提供给负载的主路径，而多个分流路径是当发生临界值以上的故障电流时供故障电流经过的路径，限流路径是对故障电流进行限流的路径。随后对其进行详细说明。

正常情况下，触发器件110处于低阻抗状态，并将来自电源100电流无损耗地提供给负载160，而当发生临界值以上的故障电流时其转换为高阻抗状态，将上述所产生的故障电流分流至第一分流路径c。即，正常情况下以低阻抗状态使电流流通，而在发生事故时转换为高阻抗状态，将故障电流分流到第一分流路径c。

上述触发器件110可由超导体(Superconductor)、正温度系数热敏电阻(Positive Temperature Coefficient)或液体金属(Liquid Metal)构成，其优选构成为，当发生临界值以上的故障电流时至少在1/4周期之内转换为高阻抗状态。

如图2所示，整体式高速开关模块包括：主触点开关121、驱动线圈123、第一操作开关125、第二操作开关127。当施加正常电流时，驱动线圈123抵接在排斥板124的下侧面，上述排斥板124的下侧面中心轴上延伸结合有轴122。而该轴122的下端连接有触点常闭状态的主触点开关121的一触点121-1，上述排斥板124的上侧面的中心与触点常开的第一操作开关125以及第二操作开关127的一触点125-2、127-2形成接触。

当临界值以上的故障电流通过上述触发器件110流向驱动线圈123时，处于固定状态的驱动线圈123产生排斥力，通过该排斥力使排斥板124向上方移动。随着上述排斥板124向上移动，主触点开关121的一触点121-1与轴122一起向上移动，致使其与处于固定状态的主触点开关121的另一触点121-2分离，而第一、第二操作开关125、127的一触点125-2、127-2与第一、第二操作开关125、127的另一触点125-1、127-1进行接触。

整体式高速开关模块120的构成为，驱动线圈123连接在与上述触发器件110并联的第一分流路径c上，用于当上述触发器件110所分流的临界值以上的故障电流流过时产生排斥力。

主触点开关121以触点常闭状态连接在供电路径上的上述触发器件110的后方并与上述触发器件110形成串联，使正常电流通过，并通过上述驱动线圈123所产生的临界值以上的排斥力使其触点分离，同时产生电弧(arc)。主触点开关的触点之间被这种电弧连接，从而形成通电路径。

具体为，当临界值以上的故障电流被施加到整体式高速开关模块120的驱动线圈123时，引起涡电流产生互相排斥的排斥力，通过该排斥力使与其联动的排斥板124向上移动，从而使主触点开关121的接触的触点分离。即，通过轴122连接在上述排斥板124上的主触点开关121之一触点121-1，随着排斥板124的向上移动而移动，由此，主触点开关121中处于接触状态的触点开始分离，并产生电弧。

另外，当上述主触点开关121的触点完全分离(脱开)，且故障电流达到发生后经过半周期的电流零点时，在上述主触点开关121中产生的电弧消弧。

当上述主触点开关121的触点分离并达到预先设定的第一间隙时，上述第一操作开关125的处于分离状态的触点将接触。当达到预先设定的第二间隙时，上述第二操作开关127的处于分离状态的触点将接触。这时，第一、第二操作开关125、127的触点间隙小于上述主触点开关121的触点间隙，上述主触点开关121的触点完全分离之前，第一操作开关125的触点先将接触，而且等上述第一操作开关125的触点接触后，第二操作开关127的触点形成接触。

另外，上述第一操作开关125的触点间隙可小于上述第二操作开关127的触点间隙。

这样，第一操作开关125避免故障电流只流向驱动线圈，从而防止驱动线圈123受热损伤。即，大部分的故障电流流入驱动线圈123，而当第一操作开关125的触点接触时，部分故障电流分流至第一操作开关125，从而防止驱动线圈123受损，并避免排斥板124之间产生过大的排斥力，由此避免了整体式高速开关模块120受损。

第二操作开关127的特征为，在临界值以上的故障电流的第一峰值之后，使触点接触。具体为，等到通过峰值限制阻抗器件130使故障电流以规定值被限制后，触点再进行接触，从而缩短了故障电流流入上述峰值限制阻抗器件130的通电时间，这样，上述峰值限制阻抗器件130可选用小热容量的器件。

另外，上述第二操作开关127的触点形成接触时，几乎所有的故障电流分流至阻抗较小的第二分流路径e。这样，可防止故障电流导致的在触发器件在内的各器件产生热应力。

整体式高速开关模块120被设计成，被触发器件110分流的故障电流不会给各个器件带来损伤，且分流的故障电流可被限流。

峰值限制阻抗器件130为，将故障电流限制在规定值的峰值控制负载(Peak Control Load：PCL)，其串联在安装有上述驱动线圈123的第一分流路径c的后端，将流经上述驱动线圈123的故障电流或经过上述第一操作开关125和第三分流路径f的故障电流限制在预设值以下。

峰值限制阻抗器件130的功能为，电力系统上连接有断路器、开关、变压器，电力熔断器等电力设备，各电力设备均规定有额定短路开断电流(rated short circuit breaking current)，如流入超过额定短路开断电流一定值的故障电流，这些器件会受损或老化导致故障或缩短其寿命。因此，为了保护这些电力设备，当发生临界值以上的故障电流时，通过峰值限制阻抗器件130将故障电流限制在电力系统上连接的电力设备的额定短路开断电流以下。

上述峰值限制阻抗器件130的阻抗值设定成，使该电力系统中经计算出的最大故障电流值被限制在不会给所设置的断路器等电力设备的机械强度带来问题的范围之内，优选设定为1-100mΩ的低阻抗值。理由是，当向并联的触发器件110流入正常电流时，触发器件110处于低阻抗状态，因此阻抗器件的阻抗值过大时，会在上述触发器件110两端发生较大的电压降。

限流负载(Current Limiting Load：CLL)140连接在与上述主触点开关121并联的限流路径h上，当上述主触点开关121的触点完全分离，且所产生的电弧被消弧(消失)时，其对流经上述第一、第二操作开关125、12的故障电流进行限流。

当发生临界值以上的故障电流时，断路器150根据过电流继电器(未图示)所产生的开断信号断开与负载的连接。上述过电流继电器连接在电力系统上，用于检测临界值以上的故障电流并产生开断信号，以从故障电流保护电力设备。

以下，对本发明之峰值电流限制装置的动作按照路径(a-j路径)进行详细说明。

当施加正常电流时，a路径的触发器件处于低阻抗状态，上述正常电流几乎无损耗地经过a路径并流过b路径的触点接触的主触点开关，经过i路径而流向负载。

另一方面，当雷击、接地故障、短路等事故导致临界值以上的故障电流产生时，触发器件110处于显示高阻抗值的高阻抗状态，将上述产生的故障电流分流至c路径。

从产生上述故障电流至主触点开关121的触点分离预先设定的第一间隙为止，上述故障电流流入c路径的驱动线圈123。上述驱动线圈123由上述故障电流产生排斥力，根据该排斥力使主触点开关121中接触的触点分离，从而在主触点开关121发生电弧。通过在主触点开关121所发生的电弧形成通电路径。

如上所述，主触点开关121的触点分离至预先设定的第一间隙时，第一操作开关125的触点接触，使流入驱动线圈123的大部分故障电流中的部分电流分流至e路径的第一操作开关125。上述第一间隙可设定为，在从故障电流产生至故障电流的第一峰值之前，使上述第一操作开关125的触点接触。

即，故障电流通过c路径的驱动线圈123流向d路径的峰值限制阻抗器件130，或通过e路径的第一操作开关125经由f路径流向d路径的峰值限制阻抗器件130。上述故障电流的第一峰值被上述峰值限制阻抗器件130限制在预设值以下。然后，限制为规定值的故障电流经过在b路径的主触点开关121所发生的电弧所形成的通电路径而流向i路径。

当主触点开关121的触点分离至预先设定的第一间隙，其后主触点开关121的触点达到预先设定的第二间隙时，第二操作开关127的触点接触，从而使大部分的故障电流流入小阻抗的e路径，并经过第一操作开关125，经由g路径的第二操作开关127和b路径的主触点开关121流向i路径。上述第二间隙可设定为，经过故障电流的第一峰值之后，使上述第二操作开关127的触点形成接触。

这样，主触点开关121的触点完全分离，当到达故障电流的半周期的电流零点时，主触点开关121中发生的电弧被完全消弧。

由此，故障电流经过e路径的第一操作开关125，并经过g路径的第二操作开关127，由h路径的限流负载140限流后流入i路径。

如上所述，根据本发明可将故障电流的第一峰值限制在预设值以下，从而可防止连接在后端的电力设备受到热损伤以及机械损伤。

参照图3a、图3b对上述动作进行说明如下。

图3a中可看出，临界值以上的故障电流A(fault current)具有很大的第一峰值。如上述第一峰值直接流入后端的电力设备(例如，母线、绝缘器、断路器等)，上述电力设备流入的电流超过其额定短路开断电流，导致这些设备受到热损伤或机械损伤。通常，故障电流的第一峰值最大，其后发生的电流峰值逐渐减少。而且，上述第一峰值后发生的电流峰值通常不会给后端的电力设备带来热损伤或机械损伤。因此，本发明中的峰值电流限制装置是用于对第一个产生的电流峰值进行限制的装置。

本发明之值电流限制装置可将上述故障电流A的第一峰值限制在后端电力设备的额定短路开断电流以内的值，即故障电流B。另外，本发明之峰值电流限制装置在经过了上述故障电流B的第一周期之半周期，即电流零点后进行限流(limited current)。

通过本发明，可将上述故障电流的第一峰值限制在连接于后端的电力设备的额定短路开断电流以内，因此可防止上述电力设备受到来自热或机械的损伤。

另外，通过本发明，当提高所使用的配电电压时，也无需更换上述电力设备，因此可降低经济成本。

例如，连接在峰值电流限制装置后端的电力设备具有对应于154kV电压标准的额定短路开断电流。如果使用电压变更为345kV，通常情况下，上述电力设备需要全部更换。那是因为上述电力设备的额定短路开断电流值均小于变更后的电压所对应的额定短路开断电流值。但是，本发明中的峰值电流限制装置可将上述345kV时所发生的故障电流的第一峰值限制在上述电力设备的额定短路开断电流以内(以154kV为基准设定的额定短路开断电流值)。因此，所用电压变更的情况下，利用上述峰值电流限制装置，现有的电力设备无需替换，仍可使用于变更后的电压环境。

参照图3b，临界值以上故障电流的发生时间点为p1点；触发器件110分流上述故障电流的时间点为p2点；通过驱动线圈123所产生的排斥力使主触点开关121的触点被分离并产生电弧的时间点为p3点。

另外，主触点开关121的触点被分离并达到预先设定的第一间隙，而第一操作开关125的触点接触的时间点为p4点；主触点开关121的触点到达预先设定的第二间隙，且第二操作开关127的触点接触的时间点为p5点。

另外，主触点开关121的触点完全分离，且到达故障电流的半周期即电流零点而使主触点开关121中所产生的电弧被消弧的时间点为p6点

p2点后的a、b表示a路径的触发器件110中残留的故障电流和b路径的主触点开关中产生的电弧电流，Varc表示主触点开关121中所产生的电弧电压。该电弧电流值在第二操作开关127的触点接触的p5点以后开始接近于零，由此可知，几乎所有的故障电流流向阻抗最小的分流路径。

在说明书中对本发明的理想实施例进行了说明，但本发明并不限定于此，本领域的技术人员可在本发明的技术范围内对本发明进行各种变形以及并更。

Claims (17)

1、一种峰值电流限制装置，其包括：

触发器件，串联在电源和负载之间，当发生临界值以上的故障电流时，将所述故障电流分流到并联的另一路径；

主触点开关，串联在所述触发器件和所述负载之间；

驱动线圈，与所述触发器件并联，并通过所述故障电流产生排斥力使所述主触点开关中的接触触点分离；

峰值限制阻抗器件，串联在所述触发器件和所述主触点开关的连接节点和所述驱动线圈之间，用于将流经所述驱动线圈的故障电流的第一峰值限制在预设值以下。

2、如权利要求1所述峰值电流限制装置，其特征在于，还包括第一操作开关，所述第一操作开关与所述驱动线圈并联，待所述主触点开关的触点分离后，该第一操作开关的触点接触，从而使所述故障电流流过。

3、如权利要求1所述峰值电流限制装置，其特征在于，当产生临界值以上的故障电流时，所述触发器件增大阻抗值，从而使所述故障电流分流到并联的另一路径。

4、如权利要求1所述峰值电流限制装置，其特征在于，所述触发器件为超导体、正温度系数热敏电阻、液体金属中的至少一种。

5、如权利要求2所述峰值电流限制装置，其特征在于，所述触发器件为超导体、正温度系数热敏电阻、液体金属中的至少一种。

6、如权利要求1所述峰值电流限制装置，其特征在于，所述峰值限制阻抗器件具有1-100mΩ的阻抗值。

7、如权利要求2所述峰值电流限制装置，其特征在于，所述峰值限制阻抗器件具有1-100mΩ的阻抗值。

8、如权利要求1所述峰值电流限制装置，其特征在于，还包括第二操作开关，所述第二操作开关与所述峰值限制阻抗器件并联，待所述主触点开关的触点分离后，该第二操作开关的触点接触，从而使由所述峰值限制阻抗器件所限制的故障电流流过。

9、如权利要求2所述峰值电流限制装置，其特征在于，还包括第二操作开关，待所述第一操作开关的触点接触后，所述第二操作开关的触点接触，从而使由所述峰值限制阻抗器件所限制的故障电流流过。

10、如权利要求6所述峰值电流限制装置，其特征在于，还包括限流负载，所述限流负载与所述主触点开关并联，当所述主触点开关的触点完全分离时，所述限流负载对流过所述第二操作开关的故障电流进行限流。

11、如权利要求7所述峰值电流限制装置，其特征在于，还包括限流负载，所述限流负载与所述主触点开关并联，当所述主触点开关的触点完全分离时，所述限流负载对流过所述第二操作开关的故障电流进行限流。

12、如权利要求6所述峰值电流限制装置，其特征在于，在所述故障电流的峰值经过之后，所述第二操作开关的触点进行接触。

13、如权利要求7所述峰值电流限制装置，其特征在于，在所述故障电流的峰值经过之后，所述第二操作开关的触点进行接触。

14、如权利要求6所述峰值电流限制装置，其特征在于，

所述第一操作开关以及所述第二操作开关的触点间隙小于主触点开关的触点间隙，从而使所述第一操作开关以及所述第二操作开关的触点早于所述主触点开关的触点完全分离的时机进行接触；

所述第一操作开关的触点间隙小于所述第二操作开关的触点间隙。

15、如权利要求7所述峰值电流限制装置，其特征在于，

所述第一操作开关以及所述第二操作开关的触点间隙小于主触点开关的触点间隙，从而使所述第一操作开关以及所述第二操作开关的触点早于所述主触点开关的触点完全分离的时机进行接触；

所述第一操作开关的触点间隙小于所述第二操作开关的触点间隙。

16、如权利要求10所述峰值电流限制装置，其特征在于，当所述主触点开关中触点分离所引起的电弧在故障电流的半周期的电流零点被消弧时，所述主触点开关的触点完全分离。

17、如权利要求11所述峰值电流限制装置，其特征在于，当所述主触点开关中触点分离所引起的电弧在故障电流的半周期的电流零点被消弧时，所述主触点开关的触点完全分离。

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