CN101572400A

CN101572400A - 大容量高速限流开关装置

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Publication number: CN101572400A
Application number: CNA2009101167881A
Authority: CN
Inventors: 郭道胜
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2009-05-15
Publication date: 2009-11-04

Abstract

本发明公开了大容量高速限流开关装置，主要为解决爆炸桥式大容量快速开断装置只能开断不能合闸；而断路器开关能够投切，但分断能力较小的问题。该装置包括熔断器、限压器，以及暂态电流互感器LH，用于检测母线短路电流信号并实时发送到控制器；控制器，由主测模块、主控模块、执行模块和高压模块组成，各模块之间通过总线系统传输数据或指令；脉冲变压器，用于接受并执行控制器指令；所述脉冲变压器连接高速断路器，高速断路器与所述熔断器和所述限压器三者并联连接。本发明通过电流跟踪和波形还原，可在1/4个工频周波内，将短路电流迅速切断，使电气设备得到可靠保护；在电网系统正常运行时，它相当于普通的断路器，具有正常投切功能。

Description

大容量高速限流开关装置

技术领域

本发明涉及一种用于发电和供电系统，特别是用于短路电流较大电网系统中和直流分量较大发电机出口的开关装置，具体涉及一种大容量高速限流开关装置。

背景技术

现有技术中的开关装置通常采用以下两种方式：

一、爆炸桥式大容量快速开断装置，仅用于快速开断，在控制器检测到短路的前提下，发出开断指令，快速开断实现截流。而在现有技术中，控制器的判据仅是依据电流(电流是正弦波)变化率即di/dt，通过积分电路计算，积分电路的特点是只有在电流过0时才能开始计算，在0点短路的概率是无穷大分之一，那么现有技术的控制器几乎不可能在第一个波检测到短路电流，也就不可能在1/4个周波实现开断截流，这样一旦发生短路事故对系统的冲击和危害很大；而且每次动作后都必需停电更换桥体和熔断器，也就是只能开断不能合闸。

二、断路器开关装置，能够投切，但分断能力较小，一般在50kA以下而且没有限流功能，对正常投切没什么影响，但电网系统一旦出现短路则会发生分断时间过长和分断能力不够，在前几个短路波的冲击下设备已经损坏。目前，在发电和供电系统发生短路时，主要是利用断路器来切断短路电流。它的主要问题是：断路器的开断时间过长，断路器虽然开断了短路电流，但发电机或变压器的绕组已在此前1~2个周波的短路电流冲击下被烧损，国内有多次此类事故的实例。

发明内容

针对上述现有技术中的存在的问题，本发明的目的在于提供一种大容量高速限流开关装置，该装置具有很强的开断短路电流的能力，而且还具有普通断路器一样的投切功能，可在1/4个工频周波内，将短路电流迅速切断，使电气设备得到可靠保护(切断时，短路电流尚处于起始阶段，远未达到预期值)。

本发明为实现其目的所采取的技术方案为：大容量高速限流开关装置，包括：

限流熔断器、限压器，以及暂态电流互感器LH，用于检测母线短路电流信号并实时发送到控制器；脉冲变压器，用于接受并执行控制器跳闸指令；控制器，用于对电流信号进行计算比较并及时发出指令；所述脉冲变压器连接高速断路器，高速断路器与所述限流熔断器和所述限压器三者并联连接。

高速断路器在开断过程中会产生很大截流过电压和弧光能量；会使灭弧室爆炸，并联限流熔断器和限压力的目的是使高速断路器开断能量和电流转移到限流熔断器和限压器上，使之消耗，这样就能增强灭弧室的灭弧能力。同时限流熔断器和限压器也限制了电网系统短路，使短路电流远远达不到峰值。

所述控制器(2)由主测模块、主控模块、执行模块和高压模块组成，各模块之间通过总线系统传输数据或指令。

所述主测模块包括比较单元和检测单元；比较单元中存储了预先整定电网系统短路电流及其摸拟波形；检测单元实时检测A、B、C三相电流的强度及相位，并同比较单元预先整定的短路电流波形进行比较，如果出现任意两相实际电流在预先整定的短路电流波形之外，则立即判定电网系统发生相间短路，立即锁定故障相别，并通过总线系统向其它模块发出指令和信号。

所述主控模块用于实时不间断的接收主测模块通过总线系统发来的数据进行处理判别；实时不间断的判别接收到的信息是否干扰信号或真实短路故障信号，如判别是真实短路故，则立即通过总线系统向执行模块和高压模块发送跳闸指令。

所述总线系统还与LCD屏显示界面人机操作界面联接，实时显示故障及动作。

本发明利用电流跟踪和波形还原技术，实时跟踪设备运行电流波形的相位，通过预先整定电网系统短路电流并摸拟出波形同实时检测三相电流强度和相位进行比较，如果出现两相电流的波形在预先整定的短路电流波形外，则可以判断出系统发生短路，可在min 55μs max110μs完成快速测算表决。发出跳闸指令，高速断路器在min 5μs max 50μs时间内开始分断换流，在2-3ms内换流结束，电流衰减为0。此外，本发明的高速断路器在开断时产生的能量由熔断器和限压器消耗，这样在很在程度上提高高速断路器的开断能量。

本发明电路工作原理：

1、当电网系统发生短路时，暂态电流互感器LH 6检测到短路电流信号并实时的发送到控制器；

2、控制器对暂态电流互感器发送过来的信号进行计算比较，并及时发出指令驱动脉冲变压器快速跳闸。

3、装置在脉冲变压器快速跳闸后开断，这时短路电流转向限流熔断器，限流熔断器通流瞬间立即熔断，限流熔断器在熔断的同时建立很高的弧压；

4、限流熔断器熔断时建立很高的弧压使限压器开通(限压器开通电压为电网系统电压的2.4至2.5倍)，限压器一开通，限流熔断器熔断时产生的电弧熄灭；

5、这时电网系统短路电流实现了转移，并衰减至0。完成上述整个过程的时间在4-5ms内。

本发明的有益效果：具有很强的开断短路电流的能力，通过电流跟踪和波形还原，可在1/4个工频周波内，将短路电流迅速切断，切断时，短路电流尚处于起始阶段，远未达到预期值，使电气设备得到可靠保护；在系统正常运行时，它相当于普通的断路器，具有正常投切功能。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1为本发明电路结构示意图；

图2为本发明控制器原理结构示意图；

图3(a、b、c)为本发明装置运行的截止电流和截止时间曲线图；

图4本发明用于发电机出口短路保护示意图；

图5本发明用于发电厂分支母线及厂用变电所的保护示意图；

图6本发明用于分段母线闭环运行示意图。

具体实施方式

参见图1，本发明包括高速断路器3，限流熔断器4和限压器5，三者并联连接；暂态电流互感器6，用于检测母线短路电流信号并实时发送到控制器2；脉冲变压器1连接高速断路器3，脉冲变压器1用于接受控制器2的跳闸指令并使高速断路器开断。限流熔断器4采用特种限流熔断器。高速断路器3在开断时产生的能量由限流熔断器4和限压器5消耗，这可以在很大程度上提高高速断路器3的开断能量。

高速断路器3的参数根据电网系统的额定电流进行选择；限流熔断器4的参数根据电网系统的最大短路电流进行选择；限压器5根据限流熔断器4的参数通过计算公式I²t确定。参数确定示例如下：

a、电网系统电压10KV

高速断路器：5000A；限流熔断器：100A/80KV；限压器：24KV/80KA.

b、电网系统电压10KV

高速断路器：4000A；限流熔断器：100A/80KV；限压器：24KV/80KA.

c、电网系统电压35KV

高速断路器：1000A；限流熔断器：100A/60KV；限压器：90KV/60KA.

电网系统正常工作时，整个装置相当于普通断路器，可以正常投切；在电网系统发生短路时，该装置由高速断路器3先断开，电流转移到熔断器4和限压器5，由熔断器4和限压器5进行限流和限制过电压并吸收和消耗能量。

控制器2包括主测模块21、主控模块22、执行模块24和高压模块25，各模块之间通过总线系统23传输数据或指令，总线系统还与LCD屏显示界面26(人机操作界面)联接，实时显示故障及动作，如图2所示。

主测模块21包括比较单元和检测单元；比较单元中存储了预先整定电网系统短路电流及其摸拟波形；检测单元实时检测A、B、C三相电流的强度及相位，并同比较单元预先整定的短路电流波形进行比较，当出现任意两相实际电流在预先整定的短路电流波形之外，则立即判定电网系统发生相间短路，锁定故障相别，并通过总线系统向其它模块发出指令和信号。

主控模块22用于实时不间断的接收主测模块通过总线系统发来的数据并进行处理判别；实时不间断的判别接收到的信息是否干扰信号或真实短路故障信号，如判别是真实短路故障，则立即通过总线系统向执行模块和高压模块发送跳闸指令。

控制器2的工作原理：

1、主测模块21实时检测A、B、C三相电流的强度及相位，并同预先整定的短路电流波形进行比较，如果出现任意两相实际电流在预先整定的短路电流波形之外，则立即判定系统发生相间短路，并不断地通过STD-1000总线系统23向其它模块传送数据；

2、当主测模块21检测到系统发生相间短路时，立即锁定故障相别；

3、同时通过主控模块22进行计算处理，通过STD-1000总线系统23发出点火指令，并发出报警；

4、执行模块24在接到指令后立即启动跳闸控制电源驱动高压模块25储能。

5、高压模块25储能后立即驱动脉冲变压器1发出跳闸信号，完成开断。

6、LCD屏显示界面26(人机操作界面)实时显示故障及动作。

7、以上所有步骤完成时间在微秒级。

本发明运用电流跟踪、波形还原和判定锁定，在1/4个工频周波内，将短路电流迅速切断，使电气设备得到可靠保护，图3a、b、c表示在一个工频周波中的不同区间内，装置运行的截止电流和截止时间；图中

S₁：预期短路电流波形；

S₂：实际短路电流波形；

S₃：实际运行电流峰值；

S₄：启动电流加其它负载电流之和的曲线；

S₅：预先整定短路电流曲线；

Is：实际短路电流起始值；

Ip：实际短路电流点火截流起点值；

t₀：短路电流达到动作值(短路电流瞬时值和短路电流增长率)时所需时间；

t₁：电流上升截止点时间；

t₂：电流衰减到零的时间。

本发明克服了普通断路器存在的诸多问题。本发明装置单台额定电流可达5000A，具有开断预期为200kA以上短路电流的能力，可将短路电流的实际值控制在预期值的20％~50％。装置的开断截流时间仅为5ms。开断电流大，开断时间短这两大特点，从根本上解决了长期困扰电力系统和大电力用户的问题。避免了巨大短路电流对主设备的灾难性冲击，避免了因主设备烧毁而引发的大面积停电，避免了爆炸桥式的动作后更换桥体的不便，改变了仅通过继电保护装置保护一次设备的传统，可满足现代电力系统的发展需求。本发明适用于电力系统和各行业的用电大户。

以下为几个实用示例：

1、发电机出口短路保护

发电机出口短路时，由发电机提供的短路电流很大，而且非周期分量所占比例近50％以上，普通断路器无法使用。目前的办法一是封闭母线，二是采用高价的发电机专用断路器。但前者运行不灵活，变压器侧断路器操作频繁、寿命短、检修不便；后者虽然短路故障可以开断，但其它电气设备仍有可能在1-2周波的短路电流作用下损坏。

本发明开断容量大，而且对非周期分量同样具有极强的开断能力，使发电机、变压器得到快速有效的保护，参见图4，图中TD为本发明装置。

2、发电厂分支母线及厂用变电所的保护

当发电厂分支母线发生相间短路时，发电机和系统同时向故障点提供短路电流，短路电流比发电机出口短路时更大，采用封闭母线投资大，操作和维护不方便，采用发电机专用断路器，开断时间长，不限流。采用本发明可以解决上述问题。励磁变分支与同步发电机的端口应用与此类似，参见图5，图中TD为本发明装置。

3、用于分段母线闭环运行，降低系统扩建或并列运行的投资

利用本发明装置可使分段母线闭环运行。这种运行方式能提高供电可靠性，能均衡多台变压器的负荷，能减小大负荷启动时产生的压降，保证供电质量。

当电网系统发生短路时，本发明装置即将两段母线快速分裂开。这样，在变电站扩建或增容时，改装负荷侧断路器只需要考虑开断单台变压器的短路电流，无须更换所有断路器，可节约投资，参见图6，图中TD为本发明装置。

当发电和供电系统处在正常情况下，该装置相当于断路器用来送电或断电，在发生短路时，用来快速切断短路电流，使设备得到可靠保护。

Claims

1、大容量高速限流开关装置，包括：限流熔断器(4)、限压器(5)，以及

暂态电流互感器LH(6)，用于检测母线短路电流信号并实时发送到控制器；

控制器(2)，用于对电流信号进行计算比较并及时发出指令；

脉冲变压器(1)，用于接受并执行控制器指令；

其特征在于所述脉冲变压器(1)连接高速断路器(3)，高速断路器(3)与所述限流熔断器(4)和所述限压器(5)三者并联连接。

2、根据权利要求1所述的大容量高速限流开关装置，其特征在于所述控制器(2)由主测模块、主控模块、执行模块和高压模块组成，各模块之间通过总线系统传输数据或指令。

3、根据权利要求2所述的大容量高速限流开关装置，其特征在于所述主测模块包括比较单元和检测单元；比较单元中存储了预先整定电网系统短路电流及其摸拟波形；检测单元实时检测A、B、C三相电流的强度及相位，并同比较单元预先整定的短路电流波形进行比较，当出现任意两相实际电流在预先整定的短路电流波形之外，则立即判定电网系统发生相间短路，锁定故障相别，并通过总线系统向其它模块发出指令和信号。

4、根据权利要求1所述的大容量高速限流开关装置，其特征在于所述主控模块用于实时不间断的接收主测模块通过总线系统发来的数据并进行处理判别；实时不间断的判别接收到的信息是否干扰信号或真实短路故障信号，如判别是真实短路故障，则立即通过总线系统向执行模块和高压模块发送跳闸指令。

5、根据权利要求2所述的大容量高速限流开关装置，其特征在于所述总线系统还与LCD屏显示界面人机操作界面联接，实时显示故障及动作。