CN107611950A - 一种零损耗深度限流装置 - Google Patents

Abstract

一种零损耗深度限流装置，包括深度限流电抗器、测控单元、高速开关和罗克线圈，其中：所述深度限流电抗器用于限制短路电流；所述测控单元与所述罗克线圈和高速开关连接，用于通过所述罗克线圈不断对系统三相电流进行检测，并向所述高速开关发送分闸/合闸命令；所述高速开关安装在母线上，用于接收由所述测控单元发出的发送分闸/合闸命令，立即执行分闸/合闸操作；所述罗克线圈安装在母线上，用于监视系统电流；所述母线用于连接负载。本发明可在短路电流的初始阶段，快速投入深度限流电抗器即将短路电流限制在可靠的范围内，从而达到了保护发配电设备及供电线路的目的。

Description

一种零损耗深度限流装置

技术领域

本发明涉及限流装置领域，特别是一种零损耗深度限流装置。

背景技术

众所周知，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。

现有技术中，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(电抗率均在 百分之十几左右)，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 工作并没有解决限流深度问题。该类型装置需要更换新的备件，方可重新投入运行。企业运 行费用不仅增加，并且增加了安装柜体的空间及电抗器装置之间的母线连接，人为的设置了 故障隐患点。

现有技术中，一般微机保护采样需一个周波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。

因而开发一种能快速、可靠的深度限制短路电流的电抗器，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

针对上述问题，本发明旨在提供一种零损耗深度限流装置。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种零损耗深度限流装置，包括深度限流电抗器、测控单元、高速开关和罗克线圈器， 其中：

所述深度限流电抗器用于限制短路电流；

所述测控单元与所述罗克线圈和高速开关连接，用于通过所述罗克线圈不断对系统三相 电流进行检测，并向所述高速开关发送分闸/合闸命令；

所述高速开关安装在母线上，用于接收由所述测控单元发出的发送分闸/合闸命令，立即 执行分闸/合闸操作；

所述罗克线圈安装在母线上，用于监视系统电流；

所述母线用于连接负载。

优选地，所述高速开关为高速涡流驱动开关。

优选地，所述测控单元包括电流采样子单元、故障检测子单元、过零点预测子单元、策 略判决子单元和开关控制子单元，其中：

所述电流采样子单元，用于通过所述罗克线圈监视系统电流，分别获取系统三相电流的 采样值；

所述故障检测子单元，用于分别对三相电流进行故障检测，获取故障检测结果和故障发 生时刻；

所述过零点预测子单元，用于当故障发生时分别预测三相电流过零点的时间，并获取开 关指令信号发出的时间；

所述策略判决子单元，用于根据所述故障检测结果，选择相应的高速开关开断策略；

所述开关控制子单元，用于根据所述高速开关开断策略和所述开关指令信号发出时间， 向所述高速开关发送分闸/合闸命令。

本发明的有益效果如下：本装置可替代高阻抗变压器、普通串联限流电抗器、爆炸型大 容量高速开断装置，在新供用电系统设计及企业系统改造时，可利用本装置的深度限流电抗 器，加大系统阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。

附图说明

利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于 本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附 图。

图1为本发明的框架结构图；

图2为本发明测控单元的框架结构图。

附图标记：

深度限流电抗器1、测控单元2、高速开关3、罗克线圈4、母线5、电流采样子单元20、故障检测子单元21、过零点预测子单元22、策略判决子单元23和开关控制子单元24

具体实施方式

结合以下应用场景对本发明作进一步描述。

参见图1，一种零损耗深度限流装置，包括深度限流电抗器1、测控单元2、高速开关3 和罗克线圈4，其中：

所述深度限流电抗器1用于限制短路电流；

所述测控单元2与所述罗克线圈4和高速开关3连接，用于通过所述罗克线圈4不断对 系统三相电流进行检测，并向所述高速开关3发送分闸/合闸命令；

所述高速开关3安装在母线上，用于接收由所述测控单元2发出的发送分闸/合闸命令， 立即执行分闸/合闸操作；

所述罗克线圈4安装在母线上，用于监视系统电流；

所述母线用于连接负载。

优选地，所述高速开关3为高速涡流驱动开关。

优选地，参见图2，所述测控单元2包括电流采样子单元20、故障检测子单元21、过零 点预测子单元22、策略判决子单元23和开关控制子单元24，其中：

所述电流采样子单元20，用于通过所述罗克线圈4监视系统电流，分别获取系统三相电 流的采样值；

所述故障检测子单元21，用于分别对三相电流进行故障检测，获取故障检测结果和故障 发生时刻；

所述过零点预测子单元22，用于当故障发生时分别预测三相电流过零点的时间，并获取 开关指令信号发出的时间；

所述策略判决子单元23，用于根据所述故障检测结果，选择相应的高速开关开断策略；

所述开关控制子单元24，用于根据所述高速开关开断策略和所述开关指令信号发出时间， 向所述高速开关3发送分闸/合闸命令。

本装置通过罗克线圈4监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，测控单元通过自定 义算法，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。 高速开关在每相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1，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。当短路故障切除后，测控单元2自动检测母 线5电压回升立即给高速开关3发出合闸命令，深限流电抗器1退出，系统即可恢复正常运 行。

本实施例的有益效果如下：当系统无短路故障发生时，电抗器阻抗最小；当系统发生短 路故障时，深限流电抗器阻抗很大；当系统短路故障切除后，立即返回原工作状态。本装置 可在短路电流的初始阶段，快速投入深度限流电抗器即将短路电流限制在可靠的范围内，从 而达到了保护发配电设备及供电线路的目的。

优选地，所述故障检测子单元21，用于分别对三相电进行故障检测，获取故障检测结果 和故障发生时刻，包括：

(1)对于每相电流，在电路系统正常工作的时候，根据从所述电流采样子单元获取的电 流采样值，获取电流估计模型：

式中，表示t时刻的模型估计电流值，I_P0表示电流的幅值，ω表示电流角速度，α表示 电流初始相位角；

(2)采用自定义函数获取电流状态值：

式中，f_i表示当前采样点的电流状态值，n表示电流变化一个周期中采样点的个数，即 其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，表示当前采样点的模型估计电流值， δ_i表示当前采样点的电流采样值，表示采样平均值；

(3)将电流状态值f_i与状态阈值f_{i_min}比较，其中n表示电流变 化一个周期中采样点的个数，即其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，SNR表 示电流信号信噪比，SNR＝10log₁₀(P_s/P_v)，P_s表示电流信号功率， P_v表示噪声信号功率，表示当前采样点的模型估计电流 值，δ_i表示当前采样点的电流采样值；

当f_i≥f_{i_min}，则判断该相电流为正常状态，而且更新f_i＝f_{i_min}；当f_i<f_{i_min}，则通过故 障电流判决值进行进一步检测；

(4)获取故障电流判决值，采用的函数为：

F_i＝f_i/f_i-1

式中，F_i表示故障电流判决值，f_i和f_i-1分别表示系统当前采样点和上一采样点的电流状 态值；

(5)将故障电流判决值F_i和判决阈值F_{i_min}比较，其中n表示电流变化一个周期中采样点的个数，即其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，SNR表示电流信号信噪比， SNR＝10log₁₀(P_s/P_v)，P_s表示电流信号功率，P_v表示噪声信号功 率， 表示当前采样点的模型估计电流值，δ_i表示当前采 样点的电流采样值，I_P0表示电流幅值；

若连续两个采样点的系统故障电流判决值F_i和F_i+1都小于判决阈值F_{i_min}，则判断为系统 故障发生，该相电流为故障相，且故障发生时刻为第i+1个采样点所对应的时刻t_i+1；

本优选实施例，根据从电流采样子单元20获取的电流采样值，分别对每一相电流采用自 定义电流状态值函数去描述系统电流的状态，能够准确地描述出该相电流的当前状态，实时 性强，而且能够有效地去除噪声对该相电流信号的影响；同时将该相电流的状态与动态阈值 进行比较，能够准确地检测该相电流的状态，灵敏度极高；加入了新的第二重判决机制，采 用了自定义判决函数，能够根据该相电流之前的正常状态参数，准确地检测出故障的发生并 且准确地获取其发生时间，实时性强，为本发明限流装置在故障发生时快速、准确地做出处 理提供了保障。

优选地，所述过零点预测子单元22，用于当故障发生时分别预测三相电流过零点的时间， 并获取开关指令信号发出的时间，包括：

(1)对于每相电流，建立故障电流模型，用于获取故障电流预测方程，所采用的故障电 流模型为：

I₁(t_n)＝X₁sinωt_n+X₂cosωt_n+X₃-X₄·t_n

式中，I₁(t_n)表示第n个采样点的故障电流采样值，ω表示电流角速度，t_n表示第n个采样 点对应的时刻，其中设定故障电流采样值矩阵Y＝[I₁(t₁),I₁(t₂),…,I₁(t_n)]^T，X₁、X₂、X₃、X₄分别 表示故障电流模型中的未知参数，其中设定未知参数矩阵X＝[X₁,X₂,X₃,X₄]^T，系数矩阵 则有Y＝H·X；

(2)获取稳定的未知参数矩阵估计X‘，其中采用自定义推算函数为：

式中，X(k)和X(k+1)分别表示第k和第k+1个采样点的未知参数估计，K(k+1)表示第 k+1个采样点的增益矩阵，D(k)表示第k个采样点的系数逆矩阵，D(k)＝[H^T(k)H(k)]^-1，y(k+1)表示第k+1个采样点新增的故障电流采样值，h(k+1)表示第k+1个采样点新增的 系数矩阵，λ表示遗忘因子，0.95≤λ≤1，其中初始值X(0)＝[0,0,0,0]^T，D(0)＝σI，σ表示 设定的初始因子，I表示单位矩阵，k表示故障发生时刻后的第k个采样点；

推算上述函数直到获取稳定的未知参数矩阵估计X‘；

(3)根据稳定的未知参数矩阵估计X‘中的稳定未知参数估计X’₁、X’₂、X’₃、X’₄和故障 电流模型获取的故障电流预测方程为：

式中，I_est(t)表示t时刻预测的故障电流值，ω表示电流角速度，τ表示补偿因子，若 X’₃/X’₄>t_w，否则t_w表示获取稳定的未知参数矩阵估计所用的时 间，k_r表示时间补偿系数；

优选地，k_r＝0.5135；

其中，搜索过零点的起始时刻为t_dkc＝t_Ne+t_ZOP+t_rh+t_mg，其中t_Ne表示获取到稳定 的未知参数矩阵估计的时刻，t_ZOP表示高速开关的分闸时间，t_rh表示最小燃弧时间，t_mg表示裕量时间；

(4)获取开关指令信号发出的时刻和等待时间：

t_{send_x}＝t_xz-t_ZOP-t_rh-t_mg

t_{wait_x}＝t_{send_x}-t_Ne

式中，t_{send_x}表示开关指令信号发出的时刻，t_xz表示搜索过零点的起始时刻后最小目标 过零点的预测时刻，t_ZOP表示高速开关的分闸时间，t_rh表示最小燃弧时间，t_mg表示裕量时间； t_{wait_x}表示等待时间，t_Ne表示获取到稳定的未知参数矩阵估计的时刻。

本优选实施例，通过建立故障电流模型和自定义未知参数推算函数，准确地获取故障电 流预测方程，其中采用的自定义未知参数推算函数，算法简单，计算量少，能够根据故障发 生后的少量采样参数，快速、准确地推算出故障电流预测方程，并且根据该故障电流预测方 程准确地预测出电流的过零点，从而根据限流装置自身的参数快速获取指令信号发出的时间， 为本装置快速、准确地开断短路电流奠定了基础。

优选地，所述策略判决子单元23，用于当故障发生时确定高速开关开断策略，具体为：

(1)若三相电流中只有一个故障相，分别以各相预测过零点为开断目标，独立开断；

(2)若三相电流中有两个故障相，若两相的零点距离|Δt_ccz|≤ε_ccz，则以两故障相最小 预测过零点为断开目标，同时开断两故障相，第三相根据自身预测过零点为开断目标，独立 开断，其中|Δt_ccz|表示两相的零点距离，ε_ccz表示设定的相差阈值；若则分别以各相预测过零点为开断目标，独立开断；

(3)若三相电流中有三相故障，以最早过零相为首开相根据最小预测过零点为目标进行 开断，剩余两相以第二过零相的最小预测过零点为开断目标，同时开断。

本优选实施例，根据从故障检测子单元21和过零点预测子单元22获取的检测结果，快 速判断系统故障的类型并且采用不同的高速开关开断策略，能够提高本装置的开断性能；特 别在三相高压、超高压电力系统的工作环境下，能够有效地减少开断过电压的产生，进一步 提高了所在电力系统的安全保障。

优选地，本装置可加装防触头撞击装置，确保合闸无反弹。

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。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。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围 的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解， 可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述零损耗深度限流装置包括深度限流电抗器、测控单元、高速开关和罗克线圈，其中：

所述深度限流电抗器用于限制短路电流；

所述测控单元与所述罗克线圈和高速开关连接，用于通过所述罗克线圈不断对系统三相电流进行检测，并向所述高速开关发送分闸/合闸命令；

所述高速开关安装在母线上，用于接收由所述测控单元发出的发送分闸/合闸命令，立即执行分闸/合闸操作；

所述罗克线圈安装在母线上，用于监视系统电流；

所述母线用于连接负载。

2.根据权利要求1所述的一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述高速开关为高速涡流驱动开关。

3.根据权利要求2所述的一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述测控单元包括电流采样子单元、故障检测子单元、过零点预测子单元、策略判决子单元和开关控制子单元，其中：

所述电流采样子单元，用于通过所述罗克线圈监视系统电流，分别获取系统三相电流的采样值；

所述故障检测子单元，用于分别对三相电流进行故障检测，获取故障检测结果和故障发生时刻；

所述过零点预测子单元，用于当故障发生时分别预测三相电流过零点的时间，并获取开关指令信号发出的时间；

所述策略判决子单元，用于根据所述故障检测结果，选择相应的高速开关开断策略；

所述开关控制子单元，用于根据所述高速开关开断策略和所述开关指令信号发出时间，向所述高速开关发送分闸/合闸命令。

4.根据权利要求3所述的一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述故障检测子单元，用于分别对三相电流进行故障检测，获取故障检测结果和故障发生时刻，包括：

(1)对于每相电流，在电路系统正常工作的时候，根据从所述电流采样子单元获取的电流采样值，获取电流估计模型：

式中，表示t时刻的模型估计电流值，I_P0表示电流的幅值，ω表示电流角速度，α表示电流初始相位角；

(2)采用自定义函数获取电流状态值：

式中，f_i表示当前采样点的电流状态值，n表示电流变化一个周期中采样点的个数，即其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，表示当前采样点的模型估计电流值，δ_i表示当前采样点的电流采样值，表示采样平均值；

(3)将电流状态值f_i与状态阈值f_{i_min}比较，其中n表示电流变化一个周期中采样点的个数，即其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，SNR表示电流信号信噪比，SNR＝10log₁₀(P_s/P_v)，P_s表示电流信号功率，P_v表示噪声信号功率， 表示当前采样点的模型估计电流值，δ_i表示当前采样点的电流采样值；

当f_i≥f_{i_min}，则判断该相电流为正常状态，而且更新f_i＝f_{i_min}；当f_i＜f_{i_min}，则通过故障电流判决值进行进一步检测；

(4)获取故障电流判决值，采用的函数为：

F_i＝f_i/f_i-1

式中，F_i表示故障电流判决值，f_i和f_i-1分别表示系统当前采样点和上一采样点的电流状态值；

(5)将故障电流判决值F_i和判决阈值F_{i_min}比较，其中n表示电流变化一个周期中采样点的个数，即其中f_T为系统交流电的频率，f_s表示采样频率，SNR表示电流信号信噪比，SNR＝10log₁₀(P_s/P_v)，P_s表示电流信号功率，P_v表示噪声信号功率， 表示当前采样点的模型估计电流值，δ_i表示当前采样点的电流采样值，I_P0表示电流幅值；

若连续两个采样点的系统故障电流判决值F_i和F_i+1都小于判决阈值F_{i_min}，则判断为系统故障发生，该相电流为故障相，且故障发生时刻为第i+1个采样点所对应的时刻t_i+1。

5.根据权利要求4所述的一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述过零点预测子单元，用于当故障发生时分别预测三相电流过零点的时间，并获取开关指令信号发出的时间，包括：

(1)对于每相电流，建立故障电流模型，用于获取故障电流预测方程，所采用的故障电流模型为：

I₁(t_n)＝X₁sinωt_n+X₂cosωt_n+X₃-X₄·t_n

式中，I₁(t_n)表示第n个采样点的故障电流采样值，ω表示电流角速度，t_n表示第n个采样点对应的时刻，其中设定故障电流采样值矩阵Y＝[I₁(t₁),I₁(t₂),…,I₁(t_n)]^T，X₁、X₂、X₃、X₄分别表示故障电流模型中的未知参数，其中设定未知参数矩阵X＝[X₁,X₂,X₃,X₄]^T，系数矩阵则有Y＝H·X；

(2)获取稳定的未知参数矩阵估计X‘，其中采用自定义推算函数为：

式中，X(k)和X(k+1)分别表示第k和第k+1个采样点的未知参数估计，K(k+1)表示第k+1个采样点的增益矩阵，D(k)表示第k个采样点的系数逆矩阵，D(k)＝[H^T(k)H(k)]^-1，y(k+1)表示第k+1个采样点新增的故障电流采样值，h(k+1)表示第k+1个采样点新增的系数矩阵，λ表示遗忘因子，0.95≤λ≤1，其中初始值X(0)＝[0,0,0,0]^T，D(0)＝σI，σ表示设定的初始因子，I表示单位矩阵，k表示故障发生时刻后的第k个采样点；

推算上述函数直到获取稳定的未知参数矩阵估计X‘；

(3)根据稳定的未知参数矩阵估计X‘中的稳定未知参数估计X′₁、X′₂、X′₃、X′₄和故障电流模型获取的故障电流预测方程为：

式中，I_est(t)表示t时刻预测的故障电流值，ω表示电流角速度，τ表示补偿因子，若X′₃/X′₄>t_w，否则t_w表示获取稳定的未知参数矩阵估计所用的时间，k_r表示时间补偿系数；

其中，搜索过零点的起始时刻为t_dkc＝t_Ne+t_ZOP+t_rh+t_mg，其中t_Ne表示获取到稳定的未知参数矩阵估计的时刻，t_ZOP表示高速开关的分闸时间，t_rh表示最小燃弧时间，t_mg表示裕量时间；

(4)获取开关指令信号发出的时刻和等待时间：

t_{send_x}＝t_xz-t_ZOP-t_rh-t_mg

t_{wait_x}＝t_{send_x}-t_Ne

式中，t_{send_x}表示开关指令信号发出的时刻，t_xz表示搜索过零点的起始时刻后最小目标过零点的预测时刻，t_ZOP表示高速开关的分闸时间，t_rh表示最小燃弧时间，t_mg表示裕量时间；t_{wait_x}表示等待时间，t_Ne表示获取到稳定的未知参数矩阵估计的时刻。

6.根据权利要求5所述的一种零损耗深度限流装置，其特征在于，所述策略判决子单元，用于当故障发生时确定高速开关开断策略，具体为：

(1)若三相电流中只有一个故障相，分别以各相预测过零点为开断目标，独立开断；

(2)若三相电流中有两个故障相，若两相的零点距离|Δt_ccz|≤ε_ccz，则以两故障相最小预测过零点为断开目标，同时开断两故障相，第三相根据自身预测过零点为开断目标，独立开断，其中|Δt_ccz|表示两相的零点距离，ε_ccz表示设定的相差阈值，ε_ccz＝1.5ms；若则分别以各相预测过零点为开断目标，独立开断；

(3)若三相电流中有三相故障，以最早过零相为首开相根据最小预测过零点为目标进行开断，剩余两相以第二过零相的最小预测过零点为开断目标，同时开断。