CN107863765A - 改进电弧电流转移型交流故障限流器及限流方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进电弧电流转移型交流故障限流器期限流方法包括分裂电抗器、真空断路器、可控火花间隙和脉冲电容器，其中，所述分裂电抗器连接真空断路器，所述真空断路器并联有第一高频振荡支路和第二高频振荡支路，支路均包括串联的可控火花间隙、电感和脉冲电容器，所述高频振荡支路的脉冲电容器的充电电压相反；分裂电抗器包括相互耦合的两个匝数相同的绕组。本发明充分考虑了交流电电流方向问题，对传统电弧电流转移型限流器进行改进，确保其能在短路故障发生的首个半波限制故障电流。

Description

改进电弧电流转移型交流故障限流器及限流方法
技术领域
本发明涉及一种基于改进电弧电流转移型交流故障限流器及限流方法。
背景技术
随着电力系统规模的不断扩大，线路阻抗越来越小，导致故障电流越来越大，我国局部电网特别是500kV及以上电网的短路电流水平已经超过开关设备的极限开断容量，严重威胁到电网及电力设备的安全。因此必须更换具有更大开断容量的断路器和其他电力设施，然而短路电流越大,对这些电气设备的要求也越高,制造成本也相应提高。可见，单纯用提高电气设备承受短路电流能力的方法是十分不经济的。
一般可从调整电网结构、改变系统运行方式和加装限流设备三方面来考虑限制短路电流。现有的技术措施主要有发展高一级电压电网、采用直流联网、大容量机组的发电厂采用单元接线、多母线分列运行或母线分段运行、采用高阻抗变压器、加装限流电抗器等，尽管这些措施在一定程度上可以抑制电网的故障电流，但均存在着改造成本过高或影响电网运行稳定性等问题。而加装经济型故障限流器作为一种有效的技术措施，不但可以限制电力系统短路容量，保障电网的安全可靠运行，而且能够大大降低对电网中变压器、断路器等电气设备的设计容量要求，节省大量的研发投资与生产成本，具有良好的经济效益和社会效益。
理想的故障限流器必须满足以下要求：正常运行时，对系统无任何影响，故障时能够有效限制短路电流；动作时不引起系统暂态振荡、过电压，没有影响继电保护动作特性等不良作用；故障切除后能够具有自动复位和多次连续动作能力；设备成本及运行费用低，能够被电力部门所接受。超导限流器能在较高电压下运行，可在极短时间(百微秒级)内有效地限制故障电流，是限流器未来发展的重要方向，但是目前受超导材料技术限制，制造成本过高，无法满足上述要求。而基于常规电气设备或元件的经济型故障限流器，除能满足上述基本要求外，还具有运行可靠性高、价格低廉和技术经济性能好等明显优点，具有良好的应用前景。
目前国内外电气设备厂商所能生产的大部分高压断路器的额定短路开断电流一般都在63kA以下，很难满足现有500kV及以上电力系统的短路电流的要求，而且随着电网的继续发展，这种矛盾只会越来越突出。近年来作为限制短路电流的有效方式，价格合理、性能优良的经济型故障限流器成为国内外的研究热点。
目前经济型的故障限流器主要包括：(1)机械开关型故障限流器，其主要缺点为动作速度慢，不能限制短路电流峰值，装置成本高，难以灵活控制；(2)电弧电流转移型故障限流器，主要缺点是需要外加辅助装置提高电弧电压和强迫电流过零；(3)串联谐振型，包括饱和电抗器型和避雷器型，这种类型的限流器一般不需要短路电流监测元件而可以自动投入系统实现限流，但是其限流能力与可靠性有待提升。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种改进电弧电流转移型交流故障限流器及限流方法，本发明充分考虑交流电电流方向问题，对传统电弧电流转移型限流器进行改进，确保其能在短路故障发生的首个半波限制故障电流，限流响应时间小于6ms，同时加入分裂电抗器起到均流作用，对快速真空断路器的开断容量要求也较低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，包括分裂电抗器、真空断路器、可控火花间隙和脉冲电容器，其中，所述分裂电抗器的其中一臂连接真空断路器，所述真空断路器并联有第一高频振荡支路和第二高频振荡支路，支路均包括串联的可控火花间隙、电感和脉冲电容器，所述高频振荡支路的脉冲电容器的充电电压相反；
所述分裂电抗器包括相互耦合的两个匝数相同的绕组。
进一步的，所述真空断路器两端并联有保护用避雷器。
进一步的，电网正常运行时，真空断路器处于闭合状态，分裂电抗器相互耦合的两个绕组匝数相同，同名磁极相反，磁场相互抵消，线路电流在两个绕组均分。
进一步的，故障限流时，真空断路器分闸，延时一段时间后判断短路电流的方向，选择触发相应的可控火花间隙。
优选的，该段时间为2ms-5ms。
用于上述交流故障限流器的控制回路，包括对应于第一高频振荡支路和第二高频振荡支路的电容充电回路和可控火花间隙触发回路。
基于上述交流故障限流器的工作方法，当短路电流大于设定阈值时，判断发生故障，根据真空断路器中短路电流的方向，触发导通相应的可控火花间隙，由储能脉冲电容提供一个反向的脉冲电流，高频电流与短路电流叠加产生过零点，强迫真空断路器快速过零熄弧，真空断路器完成触头分断，完成故障电流向分裂电抗器一臂的转移，实现故障限流。
进一步的，正常投运状态：两个脉冲电容器预先通过电容充电回路充电并保持充电电压相反，真空断路器处于闭合状态，可控火花间隙触发回路都处于断开状态。
在工作过程中，实时监测线路电流的大小，并和设定阈值进行比较判断系统运行状态，进行判断故障发生并发出控制指令。
检测到线路电流大于设定阈值时，认为发生短路故障，快速真空断路器分闸，延时后判断短路电流的方向，选择触发相应的可控火花间隙。
故障发生设定时间后，真空断路器合闸，保护分裂电抗器，待真空断路器合上后，切断电流检测回路，延时一段时间待分裂电抗器散热及脉冲电容器充电完成以后，恢复电流检测回路，限流系统重新运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明当电网发生短路故障时，短路电流迅速增大，当短路电流大于设定阈值时，电流检测装置及控制系统判断发生故障。真空断路器K1快速分闸，此时根据K1中短路电流的方向，触发导通相应的SG，由储能脉冲电容提供一个反向的脉冲电流，该高频电流在几十μs内与短路电流叠加产生过零点，强迫真空断路器快速过零熄弧，真空断路器能够在几个毫秒内完成触头分断，完成故障电流向分裂电抗器一臂的转移，线路中接入感抗，实现故障限流；
(2)本发明采用强迫过零方式，无需判断过零点，且设置两个充电电压相反的储能脉冲电容C1、C2，能够应对短路故障发生后首个半波的交流电电流方向不确定问题，在短路故障发生的第一个半波即可发挥限流作用，弥补了现有限流器只能从第二个半波开始限制短路电流的缺点，有效抑制短路电流峰值并极大缩短限流响应时间。同时由于高耦合分裂电抗器的分流作用，快速真空断路器中仅通过主线路中一半的电流，对电网中变压器、断路器等电气设备的设计容量要求也低，大大节省资金。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为改进后的限流器拓扑图；
图2为限流器控制回路接线图；
图3为工作流程图。
其中，M1：分裂电抗器，由绕组L11和L12组成；K1：快速真空断路器，动触头在2ms内到达额定开距；SG1、SG2：可控火花间隙，触发导通延时几个us；C1、C2：脉冲电容器，预先充电并保持充电电压；L1、L2：电感；MOA：保护用避雷器；
T1、T2：调压器；T1′、T2′：隔离升压变压器；T3、T4：隔离脉冲变压器；R1～R4：充电电阻；D1～D4：整流二极管；C3、C4：触发电路脉冲电容；I1、I2：IGBT；G1、G2：空气间隙。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在国内外电气设备厂商所能生产的大部分高压断路器的额定短路开断电流一般都在63kA以下，很难满足现有500kV及以上电力系统的短路电流的要求的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了基于分裂电抗器的新型电弧电流转移型故障限流器，为实现在故障发生后的首个半波内能完成限流，对采用强迫过零方式的电弧电流转移型故障限流器进行改进，设置两个高频振荡回路且其脉冲电容器的预先充电电压方向相反，以解决交流电电流方向不确定的问题。另外还引进了分裂电抗器，对改进后电弧电流转移型限流器拓扑和限流方式再进行改善，快速开关只需承担一半的短路容量，更加有利于满足500kV及以上电力系统的短路容量要求，改进后的限流器拓扑图如图1。
电网正常运行时，真空断路器K1处于闭合状态，分裂电抗器相互耦合的两个绕组匝数相同，同名磁极相反，磁场相互抵消，漏感很小，线路电流在两个绕组均分。
当电网发生短路故障时，短路电流迅速增大，当短路电流大于设定阈值时，电流检测装置及控制系统判断发生故障。真空断路器K1快速分闸，此时根据K1中短路电流的方向，触发导通相应的SG，由储能脉冲电容提供一个反向的脉冲电流，该高频电流在几十μs内与短路电流叠加产生过零点，强迫真空断路器快速过零熄弧，真空断路器能够在几个毫秒内完成触头分断，完成故障电流向分裂电抗器一臂的转移，线路中接入感抗，实现故障限流。
该限流器采用强迫过零方式，无需判断过零点，且设置两个充电电压相反的储能脉冲电容C1、C2，能够应对短路故障发生后首个半波的交流电电流方向不确定问题，在短路故障发生的第一个半波即可发挥限流作用，弥补了现有限流器只能从第二个半波开始限制短路电流的缺点，有效抑制短路电流峰值并极大缩短限流响应时间。同时由于高耦合分裂电抗器的分流作用，快速真空断路器中仅通过主线路中一半的电流，对电网中变压器、断路器等电气设备的设计容量要求也低，大大节省资金。
如图2和图3所示，限流器的控制可分为以下几个状态：
(1)正常投运状态：C1、C2时两个脉冲电容器预先通过电容充电回路充电并保持充电电压相反，K1处于闭合状态，SG触发回路的I1、I2都处于断开状态。同时，电流检测装置实时监测线路电流的大小，并和设定阈值进行比较判断系统运行状态，测控系统能在2ms内判断故障发生并发出控制指令。
(2)故障限流状态：当电流监测装置检测到线路电流大于设定阈值时，认为发生短路故障，快速真空断路器分闸，延时2ms后判断短路电流的方向，选择触发相应的可控火花间隙。当短路电流为正向时，闭合I1(10ms后关断)，触发导通SG1；当短路电流为反向时，闭合I2(10ms后关断)，触发导通SG2。无论故障发生后首个半波的短路电流是正向还是反向，该限流器均能有效发挥限流作用。
(3)故障后恢复状态：为防止电网继电保护装置拒动，导致起限流作用的单臂电抗器过热，故障发生1s后，快速真空断路器合闸，保护分裂电抗器。延时1s待快速真空断路器合上后，控制电路操动相应继电器，切断电流检测回路，延时10min待分裂电抗器散热及脉冲电容C1、C2充电完成以后，便可恢复电流检测回路，限流系统重新运行。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，其特征是：包括分裂电抗器、真空断路器、可控火花间隙和脉冲电容器，其中，所述分裂电抗器连接真空断路器，所述真空断路器并联有第一高频振荡支路和第二高频振荡支路，支路均包括串联的可控火花间隙、电感和脉冲电容器，所述高频振荡支路的脉冲电容器的充电电压相反；
所述分裂电抗器包括相互耦合的两个匝数相同的绕组。
2.如权利要求1所述的一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，其特征是：所述真空断路器两端并联有保护用避雷器。
3.如权利要求1所述的一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，其特征是：电网正常运行时，真空断路器处于闭合状态，分裂电抗器相互耦合的两个绕组匝数相同，同名磁极相反，磁场相互抵消，线路电流在两个绕组均分。
4.如权利要求1所述的一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，其特征是：故障限流时，真空断路器分闸，延时一段时间后判断短路电流的方向，选择触发相应的可控火花间隙。
5.如权利要求1所述的一种改进电弧电流转移型交流故障限流器，其特征是：配置有控制回路，控制回路包括对应于第一高频振荡支路和第二高频振荡支路的电容充电回路和可控火花间隙触发回路。
6.基于如权利要求1-5中任一项所述的交流故障限流器的工作方法，其特征是：当短路电流大于设定阈值时，判断发生故障，根据真空断路器中短路电流的方向，触发导通相应的可控火花间隙，由储能脉冲电容提供一个反向的脉冲电流，高频电流与短路电流叠加产生过零点，强迫真空断路器快速过零熄弧，真空断路器完成触头分断，完成故障电流向分裂电抗器一臂的转移，实现故障限流。
7.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：正常投运状态：两个脉冲电容器预先通过电容充电回路充电并保持充电电压相反，真空断路器处于闭合状态，可控火花间隙触发回路都处于断开状态。
8.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：在工作过程中，实时监测线路电流的大小，并和设定阈值进行比较判断系统运行状态，进行判断故障发生并发出控制指令。
9.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：检测到线路电流大于设定阈值时，认为发生短路故障，快速真空断路器分闸，延时后判断短路电流的方向，选择触发相应的可控火花间隙。
10.如权利要求6所述的工作方法，其特征是：故障发生设定时间后，真空断路器合闸，保护分裂电抗器，待真空断路器合上后，切断电流检测回路，延时一段时间待分裂电抗器散热及脉冲电容器充电完成以后，恢复电流检测回路，限流系统重新运行。
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