CN104979811A - 一种爆破式短路电流限制器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种爆破式短路电流限制器，包括：爆破式高速隔离器、高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器、电流互感器、控制单元以及高速引爆管；其中，所述高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器分别与所述爆破式高速隔离器并联后串入导线中需快速开端的位置，所述电流互感器串联在所述导线中，其一次绕组用于测量导线回路电流，其二次绕组生成短路电流信号并连接至所述控制单元；所述控制单元采集所述短路电流信号，并通过所述高速引爆管连接所述爆破式高速隔离器，根据所述短路电流信号引爆所述爆破式高速隔离器中的炸药。本发明解决了限制110kV电压等级短路电流的技术难题，有效保护变压器等重要设备免受短路电流的冲击。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统短路电流限制领域，尤其涉及一种爆破式短路电流限制器。
背景技术
最近十年，在经济高速发展和体制创新的推动下，电力工业实现了迅猛发展。据统计，电力装机总容量从2002年底的3.57亿千瓦增长到2012年底的11.45亿千瓦。随着电源建设的高速发展和输电网络的不断强大，使得电网短路电流水平不断攀升，由此引起的问题逐渐凸显。一方面，电网短路电流的增大，导致电网中的电气设备（如断路器和隔离开关）开断容量逐渐与系统的短路容量不匹配，断路器及其他设备的遮断容量和短路动稳定性不能满足系统要求，然而要将其更换为具有更大开断容量的断路器，制造难度大，造价很高，并不是一种经济可行的、普遍适用的方法。另一方面，一般断路器的分闸时间为20～150ms，全开断时间至少需要几十毫秒，而短路电流的最大峰值往往出现在第一个周波内，并且非周期分量很大，这就导致在断路器全开断时间内，短路电流峰值已对发电机、变压器等重要设备造成多次冲击，对发电机、变压器等设备的抗短路能力提出了更高的要求，经核算系统内已有部分变压器的最大耐受短路电流设计值不能满足要求。因此，需要一种能在短路电流发生瞬间发现并快速切断短路电流的装置。
短路电流限制器（fault current limiter）是一种快速限制短路电流的装置，动作时间在5ms以内，其作用是在短路电流未达到最大峰值之前将其快速开断。早在50年代国外就形成产品（ABB公司的Is-快速限流器），经过几十年的发展，目前主要形成三类：第一类就是采用爆炸开关和限流熔断器并联组成的混合式限流器，第二类是采用功率电力电子器件控制线路阻抗的限流器；第三类就是采用具有特殊性质的材料（如超导材料）作为限流器的基本组成部分。它们分别具有独特的限流特性。从近十年的发展来看具有较高的成熟度和实用性的故障限流器是采用爆炸开关和限流熔断器并联组成的混合式限流器，并且目前只在10kV系统得到了较为广泛的应用。
110kV是国内电网的一个主要电压等级，而且随着电力负荷的急剧增加，110kV短路电流也越来越大，在短路电流冲击下而发生变压器绕组变形损坏的事故屡见不鲜。目前常规的限流方法是采用串联限流电抗器，该技术虽然能够起到一定的限制短路电流作用，但是无法从根本上解决短路电流的危害，同时还会带来功率损耗（无功和有功）、母线压降、漏磁场等不利因素。因此，110kV系统短路电流限制技术的研究和应用具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有短路电流限制技术的不足，对爆破式短路电流限制器的断口开距、控制系统、触发方式等关键技术进行重新设计，将其应用于110kV电网系统。
为了达到上述目的，本发明实施例提供一种爆破式短路电流限制器，包括：爆破式高速隔离器、高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器、电流互感器、控制单元以及高速引爆管；其中，所述高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器分别与所述爆破式高速隔离器并联后串入导线中需快速开端的位置，所述电流互感器串联在所述导线中，其一次绕组用于测量导线回路电流，其二次绕组生成短路电流信号并连接至所述控制单元；所述控制单元采集所述短路电流信号，并通过所述高速引爆管连接所述爆破式高速隔离器，根据所述短路电流信号引爆所述爆破式高速隔离器中的炸药。
本发明实施例的爆破式短路电流限制器解决了限制110kV电压等级短路电流的技术难题，有效保护变压器等重要设备免受短路电流的冲击。并且，本发明实施例的爆破式短路电流限制器还具有以下有益效果：1、通过干式限流电抗器并联到高速隔离器两端，既降低了断口电压又限制了短路电流；2、控制系统采用逻辑电路和微机电路双系统，提高了动作准确性；3、采用高速引爆管传递触发能量，巧妙解决了一次高压系统和电子控制系统的隔离问题；4、采用高速隔离器的双断口串联形式，避免高压下断口的重击穿；5、正常工作情况下，熔断器和电抗器等呈零阻抗或低阻抗状态，有功功率和无功功率损耗小；6、控制系统安装于低电位，抗电磁干扰能力强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的爆破式短路电流限制器的结构示意图；
图2为高压限流熔断器、爆破式高速隔离器与高能氧化锌避雷器位于所述干式空心电抗器的内部的一实施例的侧视图；
图3为高压限流熔断器、爆破式高速隔离器与高能氧化锌避雷器位于所述干式空心电抗器的内部的一实施例的俯视图；
图4为利用本发明的爆破式短路电流限制器的一具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例的爆破式短路电流限制器的结构示意图。如图1所示，本实施例的爆破式短路电流限制器包括：爆破式高速隔离器1、高压限流熔断器2、限流电抗器3、高能氧化锌避雷器4、电流互感器5、控制单元6以及高速引爆管7；其中，所述高压限流熔断器2、限流电抗器3、高能氧化锌避雷器4分别与所述爆破式高速隔离器1并联后串入导线中需快速开端的位置，所述电流互感器5串联在所述导线中，其一次绕组用于测量导线回路电流，其二次绕组生成短路电流信号并连接至所述控制单元6；所述控制单元6采集所述短路电流信号，并通过所述高速引爆管7连接所述爆破式高速隔离器1，根据所述短路电流信号引爆所述爆破式高速隔离器1中的炸药。
在本实施例中，导线为110KV电网系统中的110KV引线。如图2和图3所示，所述限流电抗器3可以为干式空心电抗器，为了节省空间，所述高压限流熔断器2、爆破式高速隔离器1与高能氧化锌避雷器4位于所述干式空心电抗器3的内部，并联组合后串入110kV引线中需快速开断的位置。
爆破式高速隔离器1的导电回路由具备高载流能力的铜管制成，其电阻只有几十微欧，具有载流量大、温升小、爆炸动作速度快的特点，但其大电流开断能力很差，因此其作用是正常情况下载流，短路情况下快速转移短路电流。为了保证在110kV系统应用不会发生断口重击穿，本发明采用双断口串联形式，及采用两个载流桥体串联。每个预开断部位都埋设经钝化处理过的炸药，为保证动作的同期性，采用串联高速引爆管7进行引爆。
高压限流熔断器2具有很强的电流开断能力和很好的I/s特性，在短路电流作用下，其熔体会快速熔化、汽化、产生电弧、建立弧压、熄灭电弧，最后实现电流的开断，但高压限流熔断器2的额定电流较小，载流能力有限，电阻为几十毫欧，因此其作用是正常情况下不介入，短路情况下开断短路电流。
干式空心电抗器3与爆破式高速隔离器1并联，既可以降低断口两端电压又可限制短路电流，用于在限流熔断器熔断、熄弧后维持电流导通状态。
高能氧化锌避雷器4用于限制所述高压限流熔断器2两端可能出现的截流过电压，防止断口重燃和电抗器匝间绝缘损坏。
在本实施例中，所述电流互感器5串联在所述110KV导线中，其一次绕组用于测量导线回路电流，其二次绕组生成短路电流信号并连接至所述控制单元6。
控制单元6用于短路电流信号的采集、计算、判断、爆破信号输出。高速引爆管7用于引爆高速隔离器中的钝化炸药，同时还起到隔离一次高压系统（110KV导线）和控制单元6的作用。
其中，所述控制单元6对电流幅值和变化率（di/dt）均进行采集，同时采用逻辑电路和微机电路双系统进行分析、判断，只有在两套系统均满足条件，触发命令才能发出，避免误动。因此，控制单元6由于采用逻辑电路和微机电路双系统，提高了动作准确性。在一实施例中，控制单元6用于短路电流信号的采集、计算、判断、爆破信号输出，包括主控单元、信号处理单元、储能单元、点火单元、显示单元，其工作原理是：装置电源对储能单元进行充电，电流互感器5输入的电流经过转换、去除干扰、信号甄别等一系列操作后，在经信号处理单元处理后输入主控单元，再经过算法运算，生成动作指令；若所述动作指令满足动作条件，由其向点火单元发出点火指令。为避免高压一次系统的电磁干扰，110kV高速开关的测控系统应布置在低压侧，为提高工作可靠性，采用数据逻辑电路和微机双重管理。逻辑电路采用三极管实现，微机电路采用DSP快速运算模块，CPU采用美国微芯公司的PIC芯片。测量用的电流互感器可直接应用变电站内现有装置，并通过高速数字信号处理的方式，保证对系统检测的实时性。储能单元由高压产生和继电器充放电控制电路以及三组相互独立的大容量电解电容构成，高压产生回路可产生1000V左右电压。点火单元采用电容直接产生电离子火花的方式，直接点燃导爆管。带触摸功能液晶显示屏显示装置的工作状态、日期时间等信息，面板上同时显示信号状态、电源状态。
本发明实施例的爆破式短路电流限制器的工作流程为：
1、当正常运行时，爆破式高速隔离器1几乎承载全部工作电流，高压限流熔断器2和限流电抗器3被旁路，没有电流。
2、当110kV电网系统中发生短路故障时，短路电流经电流互感器5传输至控制单元6识别后，发出控制信号，点燃高速引爆管7。高速引爆管7引爆爆破式高速隔离器1中埋设的炸药，载流导体立即开断，其电阻迅速上升，短路电流转移至高压限流熔断器2中，经熔化、汽化、灭弧，将电流转移至限流电抗器3。若高压限流熔断器2提前截流，产生过电压，则高能氧化锌避雷器4动作，限制截流电压。
具体实施例：
以一个220kV变电站内的一台容量180MVA、联接组别YNyn0d11的220kV变压器为实施例进行说明。如图4所示，变压器中压侧出线经爆破式短路电流限制器、断路器、隔离开关至中压母线，高速隔离器、限流熔断器、电抗器、避雷器并联接入。在该实施例中，电抗器的电抗值为5.5Ω，两端子间能承受短时工频耐压35kV；110kV爆炸式高速隔离器采用两个载流桥体串联，每个桥体动作后开断的净距离为110mm，两个串联桥体开断后的净距离将达到220mm，可满足电抗器两端电压35kV要求；高压限流熔断器采用高性能熔丝，内部填充材料为银，长度700mm，额定开断电流达到4kA,两端电压能满足35kV要求；高能氧化锌避雷器采用具有高方波通流能力的氧化锌电阻片，1mm电位梯度达到30V；电流互感器可直接使用变电站现有设备。虽然普通保护用电流互感器在大电流第一个周波作用下铁芯易饱和，导致二次电流出现偏差。但本发明控制系统在短路电流第一个周波上升过程中完成检测，随即引爆高速隔离器，不存在互感器铁芯饱和问题。
在本具体实施例中，正常运行时，运行电流几乎全部流经高速隔离器，当发生短路故障时，高速隔离器快速断开，短路电流被转移至限流熔断器，经熔化、汽化、灭弧后，短路电流又被转移至电抗器，由于电抗器阻抗串入，短路电流被限制，从而保护变压器中压侧绕组。
通过本发明实施例的爆破式短路电流限制器，解决了限制110kV电压等级短路电流的技术难题，有效保护变压器等重要设备免受短路电流的冲击。并且，本发明实施例的爆破式短路电流限制器还具有以下有益效果：
1、通过干式限流电抗器并联到高速隔离器两端，既降低了断口电压又限制了短路电流；
2、控制系统采用逻辑电路和微机电路双系统，提高了动作准确性；
3、采用高速引爆管传递触发能量，巧妙解决了一次高压系统和电子控制系统的隔离问题；
4、采用高速隔离器的双断口串联形式，避免高压下断口的重击穿；
5、正常工作情况下，熔断器和电抗器等呈零阻抗或低阻抗状态，有功功率和无功功率损耗小；
6、控制系统安装于低电位，抗电磁干扰能力强。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种爆破式短路电流限制器，其特征在于，包括：爆破式高速隔离器、高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器、电流互感器、控制单元以及高速引爆管；
其中，所述高压限流熔断器、限流电抗器、高能氧化锌避雷器分别与所述爆破式高速隔离器并联后串入导线中需快速开端的位置，所述电流互感器串联在所述导线中，其一次绕组用于测量导线回路电流，其二次绕组生成短路电流信号并连接至所述控制单元；
所述控制单元采集所述短路电流信号，并通过所述高速引爆管连接所述爆破式高速隔离器，根据所述短路电流信号引爆所述爆破式高速隔离器中的炸药。
2.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述爆破式高速隔离器采用双断口串联形式，防止断口重击穿。
3.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述控制单元包括：主控单元、信号处理单元、点火单元和显示单元；
所述信号处理单元对所述电流互感器输入的短路电流信号进行转换、去除干扰、信号甄别后，输入所述主控单元；
所述主控单元进行算法运算，生成动作指令；
若所述动作指令满足动作条件，由向所述点火单元发出点火指令；
所述显示单元为触摸功能液晶显示屏，用于显示装置的工作状态、日期时间、信号状态以及电源状态。
4.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述限流电抗器为干式空心电抗器，所述高压限流熔断器、爆破式高速隔离器与高能氧化锌避雷器位于所述干式空心电抗器内部。
5.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述高压限流熔断器与所述爆破式高速隔离器并联，在所述短路电路作用下，其熔体快速熔化、汽化、产生电弧、建立弧压、熄灭电弧，以实现电流的开断。
6.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述高能氧化锌避雷器与所述高压限流熔断器并联，用于限制所述高压限流熔断器两端可能出现的截流过电压，防止断口重燃和电抗器匝间绝缘损坏。
7.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述限流电抗器与所述爆破式高速隔离器并联，用于降低断口两端电压和限制短路电流。
8.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述高压限流熔断器采用高性能熔丝，内部填充材料为银。
9.根据权利要求1所述的爆破式短路电流限制器，其特征在于，所述高能氧化锌避雷器采用具有高方波通流能力的氧化锌电阻片。
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