CN107171277A - 一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，包括保护装置本体以及分布在保护装置本体内部的高速开关；保护装置本体外侧分别设置有微机综合保护装置、专用控制器、显控、指示灯、按键、模拟牌、观察窗和铭牌，保护装置本体内侧设置有贯穿母线、支撑绝缘子、快速开关、第一电流互感器、第二电流互感器以及两个触头盒，其中贯穿母线通过支撑绝缘子与其中一个触头盒相连，另一个触头盒通过第一电流互感器与第二电流互感器相连，两个触头盒之间通过快速开关相连。本发明动作速度快、开断能力强、限流电抗器限流效果好，无能损耗，无压降，同时也不会产生漏磁场，使用寿命长，性能可靠，动作分散度小，合闸无反弹。

Description

一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置
技术领域
本发明属于限流保护领域，尤其涉及一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置。
背景技术
电力系统发生短路故障时，短路电流一般为额定电流的十几倍，这给变压器、发电机、断路器、输电线路等电气设备造成很大危害，而目前较为经济实用的真空断路器的开断能力均在40kA以下，开断时间需要几十毫秒。随着各类型用电企业的发展壮大，用电负荷大举攀升，主变压器容量也相应增大，各企业电网系统面临短路电流已经接近和达到负载真空断路器的最大使用极限，负载侧真空断路器开断容量不足、变压器抗短路电流冲击能力设计不足等问题，严重威胁着企业安全运行。
面临越来越严重的短路电流超标问题，很多企业采用高阻抗变压器限制系统短路电流，但变压器加大阻抗没有最终解决限流深度问题，电动力减少甚微，还带来了有功无功损耗、投资成本上升。
采用普通串联限流电抗器也没有从根本上解决限流深度问题，同时带来了有功无功损耗、母线压降、漏磁场等弊病，系统发生短路时由于限流深度不够，不能有效的保护发电机、变压器等主要电气设备，在巨大的短路电流冲击下产生绕组变形而损坏，灾难性事故发生。
目前市场上使用的爆炸型大容量高速开断装置和电抗器并联运行，虽然解决了电抗器有功无功损耗、电压降、漏磁场问题，但是当发生短路故障后其一次元器件动作，电抗器投入后在没有更换设备前需要长时间工作、电抗器的电抗率受到限制，并没有解决限流深度问题。该类型装置动作后需要更换新的备件，方可重新投入运行。
因而开发一种能快速、可靠的深度限制短路电流的设备，这不仅对电力系统安全、可靠的运行显得十分重要，而且对降低电气设备使用厂家的设备成本也有着十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，快速可靠的进行深度限流，保障电力系统安全。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，包括保护装置本体以及分布在保护装置本体内部的高速开关；
所述保护装置本体外侧分别设置有微机综合保护装置、专用控制器、显控、指示灯、按键、模拟牌、观察窗和铭牌，保护装置本体内侧设置有贯穿母线、支撑绝缘子、快速开关、第一电流互感器、第二电流互感器以及两个触头盒，其中贯穿母线通过支撑绝缘子与其中一个触头盒相连，另一个触头盒通过第一电流互感器与第二电流互感器相连，两个触头盒之间通过快速开关相连；
所述高速开关包括电缆接头、电流互感器以及相互串联的两个接插件，两个接插件之间通过真空断路器相连，其中一个接插件通过电流互感器与电缆头相连，另一个接插件分别连接有电容、电缆接头、接地间隙，电容通过电压传感器与接地端相连，接地间隙通过非线性电阻与接地端相连。
进一步地，所述高速开关分别与罗氏线圈、电抗器相连，罗氏线圈与高速开关之间还连接有测控单元；该测控单元用于发送动作指示信号。
进一步地，所述保护装置本体内侧还包括依次串联的第一中间继电器、发电机断路器、第二中间继电器，发电机断路器与第二中间继电器之间依次串联有第一电流互感器和第二电流互感器，发电机断路器、第一电流互感器、第二电流互感器均与分相控制器相连。
进一步地，所述第一电流互感器为罗氏线圈电流互感器，第二电流互感器为普通电流互感器。
进一步地，所述分相控制器分别与隔离电源与数字通信接口相连。
进一步地，所述保护装置本体内侧还包括断路控制系统，该断路控制系统包括中继控制器和三个分相控制器，三个分相控制器分别为A相控制器、B相控制器、C相控制器，A相控制器、B相控制器、C相控制器分别内置在换流器内并独立控制断路器单元；所述中继控制器分别通过光纤与A相控制器、B相控制器、C相控制器相连，中继控制器通过数据接口和信号节点与中控室进行数据通信连接。
进一步地，所述中控室包括控制室后台和故障录波器。
进一步地，所述保护装置本体内侧还包括有断路控制机构，该断路控制机构包括真空灭弧室，真空灭弧室外安装有瓷套，真空灭弧室内安装有静触头和动触头，静触头一端与母排接触相连，静触头另一端与动触头接触相连；动触头通过上拉杆与拉杆绝缘子一端相连，拉杆绝缘子另一端连接有下拉杆，下拉杆上分别安装有衔铁和涡流盘，衔铁两侧分别安装有合闸保持永磁铁和分闸保持永磁铁，涡流盘两侧分别安装有分闸线圈和合闸线圈。
进一步地，所述分闸线圈和合闸线圈通过导线相连形成闭合回路，且分闸线圈和合闸线圈之间并联有两个二极管和两个储能电容，两个二极管分别用于分闸控制和合闸控制，两个储能电容分别用于分闸储能和合闸储能，两个储能电容均通过充电电源分别与分闸线圈和合闸线圈相连，充电电源还连接有隔离变压器。
本发明的有益效果是：
1、动作速度快：本装置快速将短路电流开断，深度限流电抗器将短路电流降至50％以下。
2、开断能力强：利用对触头刚分时间的合理控制，确保各相动作均为临界过零开断，使燃弧时间最小，大大增加了灭弧室的开断余量。
3、限流电抗器限流效果好：无能损耗，无压降，同时也不会产生漏磁场，只有在短路发生时投入工作，电抗值可根据系统需要，将短路电流限制在预期短路电流值的50％以下，从而在发生短路的过程中将短路电流大大降低，变压器免受巨大的短路电流冲击，系统内断路器开断能力也相应降低。
4、使用寿命长：本装置中开关使用高速涡流驱动机构，比普通断路器所使用的弹簧操作机构运动部作少80％，且使用简单的直线运动，没有复杂的传动机构，磨损极小，机械寿命及可靠性大大提高；同时，本装置系过零点开断，期间的燃弧量不到普通断路器的10％，开断容量大大提高，触头烧灼小，其触点电寿命呈级数上升，深限流电抗器无短路发生时，处于零损耗，不发热，无压降，使用寿命长。
5、性能额靠：在强电磁干扰环境下，仍能可靠运行，同时，电子控制器带有实时自检功能，确保其始终可靠运行，各功能信息均能通过发送后台报警监控。
6、动作分散度小：由于大幅度的缩短合闸时间并配置了直接驱动的高速涡流驱动机构，合闸分散度可以控制在0.1毫秒以内。
7、合闸无反弹：根据现场情况，可加装防触头头撞击装置，确保合闸无反弹。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明中的电气柜本体结构示意图；
图2是本发明中的电气柜本体结构示意图；
图3是本发明中的高速开关电气图；
图4是本发明中高速开关的工作原理图；
图5是本发明中的局部控制系统示意图；
图6是本发明中断路控制系统示意图；
图7是本发明中断路控制机构示意图；
图8是本发明中的柜体结构示意图；
图9是本发明中的柜体结构示意图；
图10是本发明中母线残压保持装置示意图。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1至图2所示的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，包括保护装置本体以及分布在保护装置本体内部的高速开关；保护装置本体外侧分别设置有微机综合保护装置101、专用控制器102、显控103、指示灯104、按键105、模拟牌106、观察窗107和铭牌108，保护装置本体内侧设置有贯穿母线109、支撑绝缘子110、快速开关112、第一电流互感器113、第二电流互感器114以及两个触头盒111，其中贯穿母线109通过支撑绝缘子110与其中一个触头盒111相连，另一个触头盒111通过第一电流互感器113与第二电流互感器114相连，两个触头盒111之间通过快速开关112相连；
如图3所示，高速开关包括电缆接头、电流互感器以及相互串联的两个接插件，两个接插件之间通过真空断路器相连，其中一个接插件通过电流互感器与电缆头相连，另一个接插件分别连接有电容、电缆接头、接地间隙，电容通过电压传感器与接地端相连，接地间隙通过非线性电阻与接地端相连。
如图4所示，高速开关分别与罗氏线圈、电抗器相连，罗氏线圈与高速开关之间还连接有测控单元；该测控单元用于发送动作指示信号。
通过罗氏线圈，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DCP通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号；高速开关在电流接近过零点时三相分别准确分闸开断，短路电流换流进入深限流电抗器中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低；本装置可在7-15毫秒内可将短路电流限制在原幅值50％以下，使系统所受到的短路冲击大大降低，保护系统内变压器发电机等电气设备，同时提高了短路点负载真空断路器使用寿命，保证了系统的安全运行；短路故蹿切除后，测控单元自动检测母线电压回升立即给高速开关发出合阐命令，深限流电抗器退出，可恢复正常运行。
如图5所示，保护装置本体内侧还包括依次串联的第一中间继电器、发电机断路器、第二中间继电器，发电机断路器与第二中间继电器之间依次串联有第一电流互感器和第二电流互感器，发电机断路器、第一电流互感器、第二电流互感器均与分相控制器相连；第一电流互感器为罗氏线圈电流互感器，第二电流互感器为普通电流互感器；分相控制器分别与隔离电源与数字通信接口相连。
如图6所示，保护装置本体内侧还包括断路控制系统，该断路控制系统包括中继控制器和三个分相控制器，三个分相控制器分别为A相控制器、B相控制器、C相控制器，A相控制器、B相控制器、C相控制器分别内置在换流器内并独立控制断路器单元；中继控制器分别通过光纤与A相控制器、B相控制器、C相控制器相连，中继控制器通过数据接口和信号节点与中控室进行数据通信连接；中控室包括控制室后台和故障录波器。
正常运行期间，断路控制系统处于合闸位，断路器承载线路工作电流；线路发生短路故障时，当且仅当分相控制器通过罗氏线圈电流传感器的信号检出了超过断路控制系统启动定值的短路电流时命令时，断路控制系统及时分闸，切断故障电流，保护发电机；当确定短路故障排除以后，控制器发出合闸信号，对断路器进行合闸操作，实现发电机故障排除之后的重新并网。
如图7所示，保护装置本体内侧还包括有断路控制机构，该断路控制机构包括真空灭弧室202，真空灭弧室202外安装有瓷套212，真空灭弧室202内安装有静触头201和动触头203，静触头201一端与母排211接触相连，静触头201另一端与动触头203接触相连；动触头203通过上拉杆204与拉杆绝缘子217一端相连，拉杆绝缘子217另一端连接有下拉杆216，下拉杆216上分别安装有衔铁206和涡流盘209，衔铁206两侧分别安装有合闸保持永磁铁205和分闸保持永磁铁207，涡流盘209两侧分别安装有分闸线圈208和合闸线圈210；分闸线圈208和合闸线圈210通过导线相连形成闭合回路，且分闸线圈208和合闸线圈210之间并联有两个二极管和两个储能电容，两个二极管分别用于分闸控制和合闸控制，两个储能电容分别用于分闸储能和合闸储能，两个储能电容均通过充电电源分别与分闸线圈208和合闸线圈210相连，充电电源还连接有隔离变压器。
线圈磁通在涡流盘中感应出反向磁场，形成斥力，通过拉杆传递到开关动触头，完成合分闸动作；涡流盘作用力方向与动触头运动方向同轴，无拐臂杠杆，驱动系统力学传递函数简单稳定，动作时间分散度小，适合精准控制；采用储能电容对合分闸线圈放电，驱动力强度与电容器储能成正比，电容器储能方式，可输出较大的放电电流，使得开关可在5ms之内分闸；采用可控硅控制合分闸操作，对继电保护命令响应快。
如图8和图9所示为本发明的另一种实施方式，包括柜体，柜体外侧分布有控制单元304，柜体内侧包括快速断路器301、两个触头盒、第三电流互感器302、接地开关303，其中一个触头盒一端与快速断路器301相连，该触头盒另一端与第三电流互感器302一端相连，第三电流互感器302另一端连接有接地开关303。
如图10所示的一种母线残压保持装置，快速隔离本支路的短路故障点对母线电压的影响，切断非故障支路异步电动机磁场能量的衰减通路，抬升母线残压，减小电源恢复时异步电动机的二次冲击，保障母线对非故障支路负荷的连续正常供电；一种以“短路故障快速判断技术”为控制基础的，基于“涡流驱动快速开关”的，以达到快速隔离本支路的短路故障点对电源电压的影响，切断非故障支路异步电动机磁场能量的衰减通路，抬升母线残压，减小电源恢复时异步电动机的二次冲击，保障电源对其它非故障线路连续正常供电目的的高阻抗自动投切的短路故障隔离设备，称为母线残压保持装置,装置外形为开关柜形式，适用于新建和改造项目；正常工作时，切离开关、母保开关处于合闸状态；当发生短路故障时，控制器通过电流互感器测到短路电流，经“短路故障快速判断算法”判断出故障，立即发出母保幵关分闸指令，将母保阻抗投入线路，补偿本支路因短路而损失的阻抗，将本支路电流从短路值限制到额定电流以内，从而维持了母线的剩余电压，保障母线对其它未发生短路故障的支路连续供电；若故障点d被切除后，本支路负荷恢复，电流会发生至少50％的变化，控制器立即发出母保开关合闸的指令，恢复本支路的正常供电；若故障点d切除失败，控制器在故障后200ms向切离开关发出分闸指令，协助微机综保实施后备保护动作，并在300ms时命令母保开关合闸，退出母保阻抗，完成一次母线残压保护功能操作。
1、动作速度快：本装置能在系统发生短路的7～15毫秒内将短路电流开断，深度限流电抗器将短路电流降至50％以下；短路保护装置的开断时间由四部分组成:监控单元采样、计算、发出命令时间、专用断路器固有分闸时间、燃弧时间、短路电流换流进入深限流电抗器时间；一般微机保护采样需1周波20毫秒：快速FFT计算及发出命令需30毫秒；普通断路器固有分闸时间需50毫秒以上；开断后的燃弧时间时达十几毫秒左右，电流才能通过零熄弧；故其需要100毫秒左右方能切断短路电流；长时间的短路电流对变压器、母线、开关和发电机等设备的动、热稳定有着极高的要求；本装置中使用高速涡流驱动开关，能实现5毫秒以内分闸，10毫秒合闸；同时测控单元使用高精度、高速数模转换器，不断对系统电流进行检测，当电流大于设定值时，通过高速DSP技术和专用算法，在2毫秒内快速计算短路电流及电流过零点的精确时刻，并在过零点之前发出动作信号，驱动开关在过零点之前切断电路，确保燃弧时间最短，在7～15毫秒内将短路电流换入深限流电抗器中。
2、开断能力强：本装置中的进口开关为三相独立动作，利用对触头刚分时间的合理控制，确保各相动作均为临界过零开断，使燃弧时间最小；大大增加了灭弧室的开断余量，短路开断能力可轻松达到80kA。
3、限流电抗器限流效果好：本装置中深度限流电抗器由于正常运行时，无电流通过；从而无能损耗，无压降，同时也不会产生漏磁场，只有在短路发生时投入工作，电抗值可根据系统需要，将短路电流限制在预期短路电流值的50％以下，从而在发生短路的过程中将短路电流大大降低，变压器免受巨大的短路电流冲击，系统内断路器开断能力也相应降低。
4、使用寿命长：本装置中开关使用高速涡流驱动机构，比普通断路器所使用的弹簧操作机构运动部作少80％，且使用简单的直线运动，没有复杂的传动机构，磨损极小，机械寿命及可靠性大大提高；同时，本装置系过零点开断；期间的燃弧量不到普通断路器的10％,开断容量大大提高，触头烧灼小，其触点电寿命呈级数上升，深限流电抗器无短路发生时，处于零损耗，不发热，无压降，使用寿命长。
5、性能额靠：本装置核心部件均为国外生产，即使在强电磁干扰环境下，仍能可靠运行；同时，电子控制器带有实时自检功能，确保其始终可靠运行，各功能信息均能通过发送后台报警监控。
6、动作分散度小：由于大幅度的缩短合闸时间并配置了直接驱动的高速涡流驱动机构，合闸分散度可以控制在0.1毫秒以内。
7、合闸无反弹：根据现场情况，可加装防触头头撞击装置，确保合闸无反弹。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：包括保护装置本体以及分布在保护装置本体内部的高速开关；
所述保护装置本体外侧分别设置有微机综合保护装置(101)、专用控制器(102)、显控(103)、指示灯(104)、按键(105)、模拟牌(106)、观察窗(107)和铭牌(108)，保护装置本体内侧设置有贯穿母线(109)、支撑绝缘子(110)、快速开关(112)、第一电流互感器(113)、第二电流互感器(114)以及两个触头盒(111)，其中贯穿母线(109)通过固定在支撑绝缘子(110)上的分支排与其中一个触头盒(111)相连，另一个触头盒(111)通过第一电流互感器(113)与第二电流互感器(114)相连，两个触头盒(111)之间通过快速开关(112)相连；
所述高速开关包括电缆接头、电流互感器以及相互串联的两个接插件，两个接插件之间通过真空断路器相连，其中一个接插件通过电流互感器与电缆头相连，另一个接插件分别连接有电容、电缆接头、接地间隙，电容通过电压传感器与接地端相连，接地间隙通过非线性电阻与接地端相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述高速开关与电抗器并连，通过罗氏线圈检测线路电流，高速开关通过测控单元进行控制；
该测控单元用于发送动作指示信号、控制高速开关合闸、分闸。
3.根据权利要求1所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述保护装置本体内侧还包括依次串联的第一中间继电器、发电机断路器、第二中间继电器，发电机断路器与第二中间继电器之间依次串联有第一电流互感器和第二电流互感器，发电机断路器、第一电流互感器、第二电流互感器均与分相控制器相连。
4.根据权利要求3所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述第一电流互感器为罗氏线圈电流互感器，第二电流互感器为普通电流互感器。
5.根据权利要求3所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述分相控制器分别与隔离电源与数字通信接口相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述保护装置本体内侧还包括断路控制系统，该断路控制系统包括中继控制器和三个分相控制器，三个分相控制器分别为A相控制器、B相控制器、C相控制器，A相控制器、B相控制器、C相控制器分别内置在换流器内并独立控制断路器单元；
所述中继控制器分别通过光纤与A相控制器、B相控制器、C相控制器相连，中继控制器通过数据接口和信号节点与中控室进行数据通信连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述中控室包括控制室后台和故障录波器。
8.根据权利要求1所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述保护装置本体内侧还包括有断路控制机构，该断路控制机构包括真空灭弧室(202)，真空灭弧室(202)外安装有瓷套(212)，真空灭弧室(202)内安装有静触头(201)和动触头(203)，静触头(201)一端与母排(211)接触相连，静触头(201)另一端与动触头(203)接触相连；动触头(203)通过上拉杆(204)与拉杆绝缘子(217)一端相连，拉杆绝缘子(217)另一端连接有下拉杆(216)，下拉杆(216)上分别安装有衔铁(206)和涡流盘(209)，衔铁(206)两侧分别安装有合闸保持永磁铁(205)和分闸保持永磁铁(207)，涡流盘(209)两侧分别安装有分闸线圈(208)和合闸线圈(210)。
9.根据权利要求8所述的一种基于首波开断技术的零损耗深度限流保护装置，其特征在于：所述分闸线圈(208)和合闸线圈(210)通过导线相连形成闭合回路，且分闸线圈(208)和合闸线圈(210)之间并联有两个二极管和两个储能电容，两个二极管分别用于分闸控制和合闸控制，两个储能电容分别用于分闸储能和合闸储能，两个储能电容均通过充电电源分别与分闸线圈(208)和合闸线圈(210)相连，充电电源还连接有隔离变压器。
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