CN108493917A - 新型泄流控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型泄流控制装置，该新型泄流控制装置包括：电流检测单元，电流检测单元用于实时检测电力系统的电流；泄流器，泄流器连接在电力系统的供电母线与地之间；控制器，控制器分别与电流检测单元和泄流器的控制端相连，控制器用于在电力系统的电流大于预设电流值时，判断电力系统中出现故障支路，并控制泄流器动作，以减小故障支路的电流，使故障支路中的断路器快速断开。该新型泄流控制装置能够防止因故障点短路电流过大断路器无法开断问题的出现，进而能够保障电网的安全，且成本低。

Description

新型泄流控制装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种新型泄流控制装置。

背景技术

随着电力系统规模的不断扩大、联网规划的实施和电网的逐步加强，电力系统中短路电流水平逐年增大，这对电网的安全运行构成威胁：首先可能使断路器的开断能力不足而不能有效切除故障，导致故障扩大，危及整个系统的安全运行；其次是为了满足线路的热动稳定要求，迫使电力系统选用重型电器，使电网建设的经济性明显下降；再次是发生接地故障时，由于注入大地的电流过大而产生强大的地电位反击，使接地点附近的变电站安全甚至人身安全受到严重威胁。因此，需要采取一系列长远的、全局的短路电流限制措施。

目前，国内外电力系统主要从电网结构、运行方式和限流设备三方面着手限制短路电流，采取的措施包括：1)提升断路器的遮断能力，当设备或线路发生故障时，断路器能快速切除故障回路、保证无故障部分正常运行，但如果短路电流过高，则需要大遮断容量断路器，价格昂贵；2)提升电压等级，下一级电网分层分区运行将原电压等级的网络分成若干区，辐射形接入更高一级的电网，大容量电厂直接接入更高一级的电网中，原有电压等级电网的短路电流将随之降低；3)针对电力设备采取的抑制措施，如分裂电抗器，正常运行时，分裂电抗器每个分段的电抗相当于普通电抗器电抗的1/4，压降小，当分裂电抗器的一臂短路时，分裂电抗器每个分段电抗较正常运行值增大四倍，限制短路电流作用大；4)基于快速可控设备的新型短路电流抑制措施，在电力系统正常运行时表现为零阻抗或微小阻抗，功耗接近零，在电力系统发生短路故障时，迅速呈现高阻抗达到抑制短路电流的目的。

当在电力系统中采用断路器时，如果电力系统正常运行，则断路器断开和闭合正常工作电流，接通或断开工作电路改变电力系统运行方式，起控制作用；如果电力系统发生故障，则在继电保护装置的作用下，断路器自动断开故障部分，以保证系统中无故障部分的正常运行，起保护作用。

然而，当用断路器断开电路时，如果电路电压不低于10～20V，电流不小于80～100mA，则断路器开关触头间就会产生电弧。电弧是高温高导电率的游离气体，它不仅会对断路器触头损坏严重，而且使电路断开时间延长。电弧的产生和维持是触头间中性质点(分子和原子)被游离的结果，如图1所示，当触头分离之初，触头间距离很小，电场强度很高(电场强度＝电压/距离)，当超过3×10·6V/m时，阴极表面的电子就会被拉出，形成触头间的自由电子。从阴极表面发射出来的自由电子，在电场力的作用下，向阳极方向作加速运动，不断与其他粒子发生碰撞。当自由电子的动能大于其他粒子的游离能时，就可使其他粒子形成自由电子正离子。碰撞游离连续进行的结果，导致触头间充满了电子和离子，它具有很大的电导，在外加电压作用下，触头中介质被击穿形成电弧。此时，弧隙的温度很高可达10000℃，在高温的作用下，气体中中性质点不规则热运动加速，具有足够功能的中性质点相互碰撞，游离出电子和离子，这种现象称为热游离，其能维持电弧的燃烧。由于触头金属表面存在大量自由电子，随着温度的上升，使阴极表面不断发射电子，在电场力的作用下，向阳极作加速运动，形成热电子发射。电弧发生游离的同时，还进行着使带电质点减少的去游离过程，包括复合去游离和扩散去游离。复合就是正、负电荷相互中和的过程。由于电子质量小，易于加速，其运动速度约为离子的1000倍，二者相对速度愈大，复合可能性愈小，因此电子与正离子复合几率很小。通常电子在碰撞时先附着在中性质点上形成负离子，然后再与正离子复合。扩散是指带电质点从电弧内部逸出而进入周围介质中的现象。由于带电质点的不规则热运动，电弧和周围介质的温度差以及浓度差的存在，形成扩散去游离。

通过上述分析，可见游离和去游离是电弧燃烧中两个相反过程，游离有助于电弧燃烧，去游离有利于电弧熄灭。高压断路器就是根据电弧的这一特性，采用各种措施减弱游离过程，加强去游离来达到灭弧的目的。

具体地，由于交流电弧的瞬时值是不断变化的，电弧的温度、直径及电弧电压也随时间变化。随着正弦交流的周期性变化，交流电弧也将随之每半周过一次零。在电流过零瞬间，电源不供给电弧能量，而电弧却继续在散失能量，弧隙间去游离增强，加强弧隙冷却，使弧隙介质恢复绝缘能力，达到不会被弧隙外加电压击穿，进而电流过零后，电弧不会重燃。

如图2所示，当母线2上发生接地短路故障时，发电机G1和G2会分别向短路点K2注入短路电流I₁和I₂，此时短路电流I₃将变的很大，对设备和电网安全都造成了极大威胁。如果短路电流的水平在断路器开断能力范围内，则断路器中的灭弧装置利用交流电弧过零时自然熄灭这一特性，加强去游离，使电弧不再重燃，从而断开电路，将短路支路从电网中切除。如果短路电流水平远超过断路器最大开断能力，则断路器将产生电弧，短路故障无法切除，故障甚至可能扩大，危害整个电网的安全。

目前，断路器的开断能力不足(63KA，最大80KA)，且限于制作工艺和材料的限制，生产成本十分高，63KA的断路器也无法得到广泛使用，80KA的断路器还不能进行商业推广。而由于经济、技术的大力发展，电网建设大大加快，目前部分地区电网短路电流水平过大，超过了80KA，已经远远超过断路器的最大开断能力。

为实现电力系统的短路电流保护，现有技术中提出一种新型的短路电流限制器，如图3所示，该新型的短路电流限制器包括金属氧化物压敏电阻3、铁芯4、绕组线圈5、快速开关6、快速开关控制器7，其中，电力系统正常运行时，铁芯4和绕组线圈5并联于系统中，系统发生短路后，快速开关6断开，铁芯4和绕组线圈5串联于系统中。但是，该技术在故障发生后，短路电流会产生大量的热量，使绕组线圈5温度快速上升，所以绕组线圈5即要耐受巨大冲击电流、还要有耐热性和绝缘性，对材料要求很高，成本很高。

另外，现有技术中还提出一种电力电子型短路电流限制器：

如图4所示，该电力电子型短路电流限制器采用并联谐振型电路。正常情况下，门极可关断晶闸管GTO(Gate-Turn-Off Thyristo)开关导通，发生短路故障后，GTO开关关断，短路电流被转移到谐振电路中，从而达到限流的目的。但是，并联谐振式中的GTO开关在正常情况下持续导通,会产生有功损耗，且GTO必须选择大功率,昂贵的器件，使得成本很高。

如图5所示，该电力电子型短路电流限制器还可采用电阻型超导限流器SFCL(Superconducting Fault Current Limiter)，其中，电阻型SFCL是利用交流超导体从超导态向常态(高阻)快速转变原理来限制电力系统的故障电流。正常运行时，触发线圈处于超导态，整个装置阻抗很小，线路电流全部通过触发线圈。故障发生时，故障电流超过临界电流，触发线圈失超转变成高阻态，电流被转移到限制线圈中，从而限制故障电流，转变时间一般为百微秒级。但是，超导限流器需要串联在电网中，存在一定的损耗，若大量分布于电网中所造成的电能损耗将会随数量不断增加。由于受材料物理特性的制约，允许的最大电流值非常有限，存在较长的恢复时间，且受发热影响大，不能多次反复使用，远不能满足电力系统高电压大容量的需求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种新型泄流控制装置，以在保障电力系统安全的同时，降低成本。

为了实现上述目的，本发明实施例提出的一种新型泄流控制装置，包括：电流检测单元，所述电流检测单元用于实时检测电力系统的电流；泄流器，所述泄流器连接在所述电力系统的供电母线与地之间；控制器，所述控制器分别与所述电流检测单元和所述泄流器的控制端相连，所述控制器用于在所述电力系统的电流大于预设电流值时，判断所述电力系统中出现故障支路，并控制所述泄流器动作，以减小故障支路的电流，使故障支路中的断路器快速断开。

根据本发明实施例的新型泄流控制装置，能够在电力系统发生短路，电力系统的电流大于预设电流值时，通过控制器控制泄流器动作，使泄流器所在回路导通，进而能够降低短路支路的短路电流，防止因故障点短路电流过大断路器无法开断问题的出现，由此能够保障电网的安全，且成本低。

另外，根据本发明上述实施例的新型泄流控制装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述泄流器包括：第一开关和第一电阻，所述第一开关和所述第一电阻串联后连接在所述电力系统的供电母线与地之间；消弧线圈，所述消弧线圈与所述第一电阻并联连接。

可选地，所述第一开关采用高压真空接触器。

根据本发明的一个实施例，所述控制器包括控制模块和驱动模块，所述驱动模块与所述第一开关的控制端相连，其中，所述控制模块通过所述驱动模块控制所述第一开关的导通与关断。

可选地，所述驱动模块采用光电耦合器。

根据本发明的一个实施例，所述新型泄流控制装置，还包括：报警器，所述报警器与所述控制器相连，其中，所述控制器还用于在所述电力系统的电流大于预设电流值时，控制所述报警器发出报警提示。

根据本发明的一个实施例，所述新型泄流控制装置，还包括：显示器，所述显示器与所述控制器相连，所述显示器用于显示所述电力系统的电流。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，

图1是电弧产生原理的示意图；

图2是相关技术中一个具体实施例的电力系统的电路示意图；

图3-图5分别是相关技术中的短路电流保护装置的结构示意图；

图6是根据本发明一个实施例的新型泄流控制装置的结构示意图；

图7是根据本发明一个具体实施例的新型泄流控制装置的结构示意图；

图8是根据本发明另一个具体实施例的新型泄流控制装置的结构示意图；

图9是根据本发明一个具体实施例的泄流器的电路示意图；

图10是根据本发明另一个实施例的新型泄流控制装置的结构示意图；

图11是根据本发明又一个实施例的新型泄流控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

下面参考附图描述本发明实施例的新型泄流控制装置。

图6是本发明实施例的新型泄流控制装置的结构示意图。

如图6所示，新型泄流控制装置100包括：电流检测单元10、泄流器20和控制器30。其中，电流检测单元10用于实时检测电力系统的电流；泄流器20连接在电力系统的供电母线与地之间；控制器30分别与电流检测单元10和泄流器20的控制端c相连，控制器30用于在电力系统的电流大于预设电流值时，判断电力系统中出现故障支路，并控制泄流器20动作，以减小故障支路的电流，使故障支路中的断路器QF快速断开。

在该实施例中，当电力系统正常运行时，泄流器20处于断开状态，该新型泄流控制装置100对电力系统没有任何影响，不存在任何损耗问题，也不会有发生谐振影响系统正常运行的可能。

可选地，控制器30可采用MCU(Micro-controller Unit，微控制处理器)，如体积小、质量轻、价格便宜的单片机。

在本发明的实施例中，可以根据电力系统需要设置电流检测单元10检测的支路电流的位置，进而可根据相应位置标定预设电流值的取值，例如，电流检测单元10可设置为检测每个支路的电流；或者，电流检测单元10可以设置在断路器QF所在的支路，使得电流检测单元10的信号直接从断路器接入，与断路器的配合更加紧密，加快动作速度。其中，预设电流值的取值可设置为大于等于60KA，例如63KA。

在本发明一个具体实施例中，如图7所示，当电力系统出现故障时，如K点发生短路故障，这时线路上将会出现较大的短路电流。若此时短路电流小于断路器QF的额定开断电流，那么QF断开，故障将会被切除。若短路电流大于断路器QF的最大开断电流，电流检测单元10将会发送信息给控制器30，从而控制器30控制泄流器20动作，即泄流器20接入到电力系统中，以在泄流器20所在支路上制造短路。由此，部分短路电流经泄流器20流入大地，从而降低线路上的电流。

在本发明另一个具体实施例中，如图8所示，当母线2上发生故障时，电流检测单元10检测到电力系统中某一支路的电流大于预设电流值，说明有支路发生短路故障，造成电流过大，使得断路器QF无法直接断开，此时控制器30控制泄流器20动作，以在断路器附近制造短路。由基尔霍夫电流定律可得下式(1)：

I₁+I₂＝I₃+I₄(1)

参见图8，泄流器20安装在断路器QF的前端,接在同一条母线下(即母线2),由于在断路器QF前面形成新的短路，电流I₄出现，通过主动分流使得母线2上的短路电流I₃变小，进而减小了母线2上断路器QF受到的开断压力，由此，使得断路器QF能够快速断开，保障了电力系统的安全。

在本发明的一个实施例中，如图9所示，泄流器20包括：第一开关S、第一电阻R和消弧线圈L，其中，第一开关S和第一电阻R串联后连接在电力系统的供电母线与地之间，消弧线圈L与第一电阻R并联连接。该泄流器20的成本远远低于大遮断容量断路器的成本。

可选地，第一开关S可采用高压真空接触器(快速开关)。在该示例中，控制器30中可包括控制模块和驱动模块，如光电耦合器，其中，驱动模块与第一开关S的控制端c相连，控制模块可在电力系统中某一支路发生短路，检测到电力系统的电流值大于预设电流值时，生成控制信号，并将该控制信号发送至驱动模块，以通过驱动模块控制第一开关S闭合。

具体地，参照图9，当电流检测单元10检测到电力系统中有支路的电流大于预设电流值时，说明电力系统中有支路发生故障，控制器30通过内部的驱动模块驱动第一开关S迅速闭合，第一电阻R与消弧线圈L形成短路，由此，通过分流的作用，泄流器20所在线路的产生电感电流能够对故障点的电容电流进行补偿，减小了故障点的短路电流，使故障点断路器QF能够快速断开，即减少残流，使故障点的电弧易于熄灭，还延长了残压恢复时间，降低了恢复电压的速度，避免了电弧重燃，降低了电弧过电压发生的概率，减小了事故发生的概率。当电力系统正常运行时，第一开关S处于断开状态，该新型泄流控制装置100对电力系统没有任何影响，不存在任何损耗问题，也不会有发生谐振影响系统正常运行的可能。

需要说明的是，泄流器20的电路组成并不限于图9所示的示例，其还可以是其他能够动作形成短路支路的电路，如只由第一开关S组成，由第一开关S、两个第一电阻R、消弧线圈L组成(消弧线圈L与两个第一电阻R组成的电路并联后与第一开关S串联)等。

由此，相较于图3-图5所示的现有技术，本发明公开的新型泄流控制装置100在简易的条件下即可实现较好的降低故障电流的效果。换言之，该新型泄流控制装置100具有容量大、无损耗、结构简单、操作简单、工作可靠、低成本的优点，且受限制条件少，安装方便，在动作前，对系统不会产生任何不良影响。

进一步地，如图10所示，新型泄流控制装置100还可以包括报警器40。其中，报警器40与控制器30相连，控制器30还用于在电力系统的电流大于预设电流值时，生成报警信息，并根据该报警信息控制报警器40发出报警提示，以便于用户/工作人员及时了解故障信息，并对故障进行处理。

可选地，报警器40可采用光电报警器、声光报警器等。

更进一步地，如图11所示，新型泄流控制装置100还可以包括显示器50。其中，显示器50与控制器30相连，显示器50用于显示电力系统的电流。

具体地，电流检测单元10将实时检测得到的电流信息发送至控制器30，进而控制器30控制显示器30实时显示当前检测到的电流信息，以便于用户查看。

可选地，显示器50可采用LED显示屏、LCD显示屏、触摸屏等。

在本发明的一个实施例中，可以在显示器50上设置人机交互界面，控制器30中设有与该人机交互界面对应的程序，通过该人机交互界面可设置预设电流值，以提高新型泄流控制装置100的使用体验。

综上，根据本发明实施例的新型泄流控制装置，能够在电力系统发生短路，电力系统的电流大于预设电流值时，通过控制器控制泄流器动作，使泄流器所在回路导通，进而能够降低短路支路的短路电流，防止因故障点短路电流过大断路器无法开断问题的出现，由此能够保障电网的安全，且成本低。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种新型泄流控制装置，其特征在于，包括：

电流检测单元，所述电流检测单元用于实时检测电力系统的电流；

泄流器，所述泄流器连接在所述电力系统的供电母线与地之间；

控制器，所述控制器分别与所述电流检测单元和所述泄流器的控制端相连，所述控制器用于在所述电力系统的电流大于预设电流值时，判断所述电力系统中出现故障支路，并控制所述泄流器动作，以减小故障支路的电流，使故障支路中的断路器快速断开。

2.根据权利要求1所述的新型泄流控制装置，其特征在于，所述泄流器包括：

第一开关和第一电阻，所述第一开关和所述第一电阻串联后连接在所述电力系统的供电母线与地之间；

消弧线圈，所述消弧线圈与所述第一电阻并联连接。

3.根据权利要求1所述的新型泄流控制装置，其特征在于，所述第一开关采用高压真空接触器。

4.根据权利要求2所述的新型泄流控制装置，其特征在于，所述控制器包括控制模块和驱动模块，所述驱动模块与所述第一开关的控制端相连，其中，所述控制模块通过所述驱动模块控制所述第一开关的导通与关断。

5.根据权利要求4所述的新型泄流控制装置，其特征在于，所述驱动模块采用光电耦合器。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的新型泄流控制装置，其特征在于，还包括：

报警器，所述报警器与所述控制器相连，其中，所述控制器还用于在所述电力系统的电流大于预设电流值时，控制所述报警器发出报警提示。

7.根据权利要求6所述的新型泄流控制装置，其特征在于，还包括：

显示器，所述显示器与所述控制器相连，所述显示器用于显示所述电力系统的电流。