CN103887766B - 一种并联型的发电机出口断路器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种并联型的发电机出口断路器，包括载流回路以及与载流回路并联连接的开断回路；当发生短路故障时，载流回路快速动作形成燃弧断口，利用断口电弧电压将故障电流转移至开断回路，并由开断回路直接开断故障电流或快速限流后实现故障电流的开断。本发明中载流回路包括具有数十微欧导通阻抗的负荷开关单元，能保证90％以上系统额定电流通过该单元，减少额定工况下GCB装置上的热损耗；同时，载流回路具有快速动作能力，一般可选取在故障发生后2个工频周波内分断至满开距；载流回路可以保证触头打开后载流回路具有较高的燃弧电压，促使故障电流的快速转移。

Description

一种并联型的发电机出口断路器

技术领域

本发明属于高压大容量断路器领域，具体涉及一种并联型的发电机出口断路器。

背景技术

随着用电负荷需求的增大，各类型发电机的发展趋势是向高参数、大容量、高效率方向发展。

基于厂用电可靠性以及快速切除故障等要求，越来越多的发电厂考虑装设发电机出口断路器(Generator Circuit Breaker-GCB)，但超临界、超超临界火电机组以及超大型水电、核电机组出口短路电流巨大，国内外GCB产品遮断容量不满足要求，给发电机出口保护带来障碍。

基于高耦合度分裂电抗器实现的断路器并联技术可以在现有条件下成倍提高断路器的载流能力和短路电流分断能力。但上述并联方案中的耦合电抗器必须长时间承担系统的额定电流。从而对耦合电抗器的发热量、散热能力等有严格限制，从而必然造成电抗器以及断路器整体体积大、造价高；同时，电抗器的电阻还将引入并联型断路器的额外运行成本。因此，基于高耦合度分裂电抗器的并联型GCB的特点也限制了其在发电机出口保护中的应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种并联型的发电机出口断路器，目的在于提供一种大容量、超大容量发电机出口断路器，解决了现有技术中存在的发电机出口断路器容量不足、载流能力与开断能力难以兼顾的难题。

本发明提供了一种并联型的发电机出口断路器，包括载流回路以及与所述载流回路并联连接的开断回路；当发生短路故障时，所述载流回路快速动作形成燃弧断口，利用断口电弧电压将故障电流转移至所述开断回路，并由所述开断回路直接开断故障电流或快速限流后实现故障电流的开断。

其中，所述开断回路包括：反相关耦合的第一线圈和第二线圈，一端与所述第一线圈的出线端连接的第一断路器，以及一端与所述第二线圈的出线端连接的第二断路器；所述第一线圈的进线端和所述第二线圈的进线端连接后作为所述开断回路的进线端；所述第一断路器的另一端与所述第二断路器的另一端连接后作为所述开断回路的出线端。

其中，所述第一线圈与所述第二线圈为空心电感线圈。

其中，所述第一线圈与所述第二线圈的匝数比为1∶k，k为大于等于1的正实数。

其中，所述载流回路包括：快速开关，其一端连接至所述开断回路的进线端，另一端连接至所述开断回路的出线端。

本发明在正常运行时，绝大部分系统电流通过载流回路；在发生短路故障时，载流回路快速动作形成燃弧断口，利用断口电弧电压将电流转移至开断回路，由开断回路直接开断故障电流或快速限流后再实现故障电流的开断，快速转移了故障电流。

附图说明

图1(a)为本发明实施例提供的并联型GCB拓扑原理，其中HCSR两线圈匝数比1∶1。

图1(b)为本发明实施例提供的并联型GCB拓扑原理，其中HCSR两线圈匝数比1∶k。

图2(a)为本发明实施例提供的HCSR结构原理及一种进出线方式。

图2(b)为本发明实施例提供的HCSR结构原理及一种进出线方式。

图3(a)原进出线方式下电压分布示意图。

图3(b)原进出线方式下电压分布示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的是要提供一种并联型GCB装置。装置包括载流回路、开断回路两部分。正常运行时，绝大部分系统电流通过载流回路；在发生短路故障时，载流回路快速动作形成燃弧断口，利用断口电弧电压将电流转移至开断回路，由开断回路直接开断故障电流或快速限流后再实现故障电流的开断。

本发明中载流回路为一种具有数十微欧导通阻抗的负荷开关单元，能保证90％以上系统额定电流通过该单元，减少额定工况下GCB装置上的热损耗；同时，载流回路应具有快速动作能力，一般可选取在故障发生后2个工频周波内分断至满开距；载流回路应选择除真空开关外的开关类型，以保证触头打开后载流转移单元具有较高的燃弧电压，促使故障电流的快速转移。

本发明的开断回路在非开断工况下仅承担极少部分电流，在开断工况下承担GCB装置全部开断电流。开断回路采用“基于高耦合度分裂电抗器(High Coupled SplitReactor-HCSR)的并联型断路器”实现。HCSR包括两个高度反相关耦合的线圈。HCSR两线圈的进线端连接，作为开断回路的进线端；HCSR两线圈出线端分别串接一台断路器，两断路器另一端连接作为开断回路的出线端。在开断回路两个断路器都处于导通状态时，HCSR两线圈的磁场绝大部分相互抵消，开断回路仅表现为HCSR的双线圈漏感抗、HCSR双线圈电阻以及并联断路器的触头间电阻。由于上述阻抗远大于载流回路触头闭合时的阻抗，因此该单元仅承担很小一部分系统额定电流，HCSR的稳态温升设计要求低，仅需要考虑HCSR线圈的动、热稳定设计要求。

在本发明实施例中，载流回路1具有较小的导通电阻，同时载流回路1应配备具备快速分断动作能力的操动机构，并要求载流回路采用高气压电弧灭弧单元以保证载流单元触头分断后具有较高燃弧电压。载流回路1包括：快速开关，其一端连接至开断回路2的进线端，另一端连接至开断回路2的出线端。该快速开关具体可以为以SF6气体为绝缘、灭弧介质的开关，也可以为压缩空气或其他气体为绝缘、灭弧介质的开关，避免采用真空灭弧开关，以保证开关具有较高的电弧电压；该快速开关应具有触头开距、操动质量相对小的特点，以保证机构能够快速操动。

本发明开断回路中的HCSR为平均匝数比为1∶k(k为大于等于1的正实数)的空心电感线圈。当采用1∶1的匝数设计时，两线圈可采用几乎完全对称的设计方式——两线圈通过大小、相位完全相位的电流，电流产生的磁通在线圈所在区域相互抵消；当采用1∶k的匝数设计时，两线圈导体截面、通过电流大小各不相同，可设计相邻包封线圈外形尺寸近似相同，设计其匝数比约为1∶k，电流比、截面比为均约为k∶1，保证HCSR两线圈磁通在线圈所在区域相互抵消。

本发明开断回路可工作于均流/限流开断、强制限流开断两种方式。当开断回路工作于均流/限流开断模式时，HCSR两线圈匝数比例为1∶1。此时并联断路器可以采用一套操动机构也可以采用两套单独的操动机构。若并联断路器的灭弧室能够在同一个电流过零点熄弧，则HCSR将保证通过两个并联支路的电流以1∶1的比例分配，即开断回路工作在均流工况；若并联断路器的灭弧室能在不同电流过零点熄弧，则一个灭弧室先过零熄弧后，HCSR仅相当于一个限流电感和电阻，选取其电感值为最大故障电流时发电机出口至短路点的短路阻抗，能保证故障电流工频分量被限制到单个断路器的开断能力内，再由后开断断路器完成故障电流开断。

当开断回路工作于强制限流开断模式时，HCSR两线圈匝数比例可选1∶1或1∶k。在此工作模式下，强制一个断路器(例如4)操动机构先动作打开，在对应断路器中电流过零或转移至另一支路断路器后，HCSR仅相当于一个限流电感和电阻。则发电机出口故障电流工频分量将被限制到50％(对应HCSR1∶1的匝数比)或1/(1+k)或k/(1+k)(对应HCSR1∶k的匝数比)，再由后开断断路器(例如5)完成故障电流开断。

在上述各种开断模式以及各种开断工况下，HCSR的线圈电阻将加速故障电流直流分量的衰减，加速故障电流零点的出现。

图1(a)为本发明并联型GCB的一种拓扑实现方式。如图1所示，并联型GCB包括载流回路1和开断回路2。载流回路采用一种能长时间承载较大额定电流，又能在需要时快速动作形成断口间隙的高压开关。载流回路要具有较小的闭合阻抗，从而能在在发电机出口系统正常运行时承载绝大部分系统电流，并保证该单元温升不超过材料温升限制要求；同时载流回路具有快速动作能力，在短路故障发生后，该单元操动机构应能迅速动作形成断口，利用较高的断口电弧电压将故障电流转移至并联型GCB的开断回路。

图1所示的拓扑实现形式中的开断回路2，包括一个匝数比为1∶1或1∶k的HCSR与两个断路器23、24。HCSR包括两个反向耦合的线圈，两线圈同轴反向绕制。每个线圈又由多个同心筒式包封并联组成，以图2所示每个线圈由两个线圈包封并联而成的HCSR线圈为例说明本发明中所用HCSR结构及连接方式。图2中HCSR的4个线圈包封同轴嵌套绕制，其中所有奇数包封绕向相同，所有偶数包封绕向相同，奇、偶包封间绕向相反。所有奇数包封并联形成一个线圈，所有偶数包封并联形成另一个线圈。由于相邻线圈直径差异很小，对应图1(a)所示的拓扑要求，HCSR两个线圈的平均匝数接近，几乎为1∶1，但线圈内电流走向相反；对应图1(b)所示的拓扑要求，HCSR两个线圈的平均匝数约为1∶k，但线圈内电流走向相反；HCSR的进出线方式可采用如图2(a)、图2(b)所示的两种。

如图2所示，9、10、11、12依次为由内向外4个线圈包封的上端连接线，13、14、15、16依次为由内向外4个线圈包封的下端连接线。17为包封间的绝缘、加固层。17可选用各种绝缘膜材料、浸渍环氧树脂的玻璃纤维、环氧树脂浇筑材料、空气等物质中的几种相互组合，以期实现加固、包封间绝缘作用。

HCSR第一种进出线方式如图2(a)所示，将9～12连接在一起作为HCSR两个线圈的公共进线端6，将13、15连接作为一个出线端7，将14、16连接作为一个出线端8；第二种进出线方式如图2(b)所示，将9、11、14、16连接在一起作为HCSR两个线圈的公共进线端6，将10、12连接作为一个出线端7，将13、15连接作为一个出线端8。图2(a)所示第一种进出线方式进、线端分别位于线圈上下两侧，HCSR与载流回路1以及与第一断路器23、第二断路器24的连接设计简单；图2(b)所示第二种进出线方式进出线HCSR与载流回路1以及与第一断路器23、第二断路器24的连接设计复杂。如图3(a)所示，在第一断路器23断开、第二断路器24导通时，设第二断路器24所在点为0电位，并设单个线圈的压降为V，则9、10电压均为V，12电压为2V，则图3(a)中相邻线圈间电压自上而下为0～2V；同理可知，图3(b)中相邻线圈间电压自上而下均为V。则可知第一种进出线方式随简单易连接，但相邻包封间绝缘设计难度相对高；第二种方式虽进出线连接方式负责，但相邻包封间绝缘设计简单。具体设计可根据应用的电压等级、现场安装空间等确定两种进出线方式的取舍。

开断回路中的第一断路器23、第二断路器24可采用大容量真空断路器、SF₆断路器或其他类型的开断装置，也可以采用不同类型的开断装置相组合。

第一断路器23、第二断路器24采用相同的断路器时，HCSR匝数比选为1∶1，如图1(a)所示。第一断路器23、第二断路器24可以用各自的独立机构操动，也可以用同一个机构操动。采用同一机构操动时，第一断路器23、第二断路器24同时动作。若第一断路器23、第二断路器24同时导通，HCSR两线圈保证第一断路器23、第二断路器24中电流均分；若由于第一断路器23、第二断路器24灭弧条件差异造成仅有一个灭弧室通流，则HCSR单个线圈能将故障电流限制到单个灭弧室的开断能力内。采用各自的独立操动机构时，可令一个断路器先动作断开，在这种工作条件下，HCSR将故障电流工频分量限制50％，可在故障电流过零开断前降低故障电流对系统的冲击；若同时操动，其效果与同一操动机构相同。

第一断路器23、第二断路器24采用不同的断路器操动时，HCSR可以选择1∶1或1∶k的匝数比。第一断路器23、第二断路器24采用各自独立的操动机构。这种配置方式下，开断回路工作于主动限流模式，即：在电流完全转移至开断回路后，第一断路器23、第二断路器24中的一个断路器应快速动作，将故障电流完全转移至另一个断路器，根据HCSR匝数比以及对先动作断路器选择的不同，可将故障电流工频分量限制到约50％或1/(1+k)或k/(1+k)。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种并联型的发电机出口断路器，其特征在于，包括载流回路(1)以及与所述载流回路并联连接的开断回路(2)；

当发生短路故障时，所述载流回路(1)快速动作形成燃弧断口，利用断口电弧电压将故障电流转移至所述开断回路(2)，并由所述开断回路(2)直接开断故障电流或快速限流后实现故障电流的开断；

所述开断回路(2)包括：反相关耦合的第一线圈(21)和第二线圈(22)，一端与所述第一线圈的出线端连接的第一断路器(23)，以及一端与所述第二线圈的出线端连接的第二断路器(24)；

所述第一线圈(21)的进线端和所述第二线圈(22)的进线端连接后作为所述开断回路的进线端；

所述第一断路器(23)的另一端与所述第二断路器(24)的另一端连接后作为所述开断回路(2)的出线端；

所述载流回路(1)包括：具有快速动作能力的快速开关，其一端连接至所述开断回路的进线端，另一端连接至所述开断回路的出线端；所述快速开关能在故障发生后2个工频周波内分断至满开距；所述第一线圈与所述第二线圈的匝数比为1：k，k为大于等于1的正实数。

2.如权利要求1所述的发电机出口断路器，其特征在于，所述第一线圈(21)与所述第二线圈(22)为空心电感线圈。