CN108767832A - 一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，包括系统主回路，系统主回路依次由隔离开关K1，快速真空断路器S1、饱和电感L1和隔离开关K2串联组成，阻容吸收电路由吸收电容C1和吸收电阻R1串联而成后并联在快速真空断路器S1断口之间，快速真空断路器S1和饱和电感L1两端分别并联有限流电抗器L3和氧化锌电阻M1，强迫过零回路由换流电容C2、换流电感L2、火花间隙G和高压熔断器F1串联组成后并联在快速真空断路器S1和饱和电感L1两端之间，换流电容C2两端并联有吸收电阻R2和变压器储能回路。有益效果：本发明限制故障电流效果好，能够承受较大程度的电流冲击，有效的保证了电路的安全，降低短路故障对电力系统的危害。
Description
技术领域
本发明涉及保护电路技术领域，具体涉及一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路。
背景技术
短路故障是电力系统中最常见的故障之一。短路故障发生以后，电路中会产生强大的短路电流，对电力系统中的设备以及线路都会产生巨大的危害。短路电流的有效治理是目前迫切而又难以攻克的难题。在我国电力系统的继电保护系统中采用断路器作为切除短路故障的主要执行部件，当电力系统发生短路故障时，二次保护装置进行逻辑判断并发出相应的断路器动作指令，断路器分闸切断故障电流，降低短路故障对电力系统的危害。然而，在当前的电力系统中普遍存在以下几个问题：
1.随着企业扩容导致电网密度不断增加，故障电流的等级也随之不断增加，然而断路器的开断能力确是有限的，目前使用的断路器最大开断水平也就在63KA左右，研发更高开断能力的高压断路器却存在诸多技术上的难题，短时间内也无法攻克。
2.目前普通的机械式断路器，固有分闸时间较长，普遍在40ms以上，从短路故障出现到短路电流切断至完全熄弧，通常需要60ms以上，在此期间，系统需要承受超过额定电流十倍以上的电流冲击，很可能会造成用电设备损坏，电力系统瘫痪等严重事故。
3.目前电力系统中二次保护装置判断短路故障时间普遍超过20ms，即使断路器的开断时间很短，也无法避免短路电流对电力设备产生冲击，因此为了缩短二次保护装置判断短路故障的时间，开发出短路故障快速检测的新算法，也是非常必要的。
4.目前快速真空断路器的固有分闸时间可控制在3.5ms以内，加上短路电流检测判断时间，因而从故障发生到故障完全切除可控制在6ms以内，但是由于真空断路器过零熄弧的固有特性，至少需要半个故障周波才能完全切除故障。电力系统发生短路故障后，由于直流衰减分量的影响，在首半波电流冲击最大，对电力设备的危害最为严重，因此快速真空断路器也无法完全避免短路电流对电力设备的冲击。因此，我们可以对对现有的电力系统中短路故障做适当的改进。
发明内容
本发明目的是提供一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，提供一种避免了电动力对电力设备的冲击、断口电压过高导致的二次重燃、可实现在微妙级时间内可靠触发，同时具有过零自动关断能力的快速限流电路。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，包括系统主回路，还包括：阻容吸收电路、强迫过零回路和变压器储能回路；
所述系统主回路依次由隔离开关K1，快速真空断路器S1、饱和电感L1和隔离开关K2串联组成，所述阻容吸收电路由吸收电容C1和吸收电阻R1串联而成后并联在所述快速真空断路器S1断口之间；
所述快速真空断路器S1和所述饱和电感L1两端分别并联有限流电抗器L3和氧化锌电阻M1；
所述强迫过零回路由换流电容C2、换流电感L2、火花间隙G和高压熔断器F1串联组成后并联在所述快速真空断路器S1和饱和电感L1两端之间；
所述换流电容C2两端并联有吸收电阻R2和所述变压器储能回路，所述变压器储能回路由电源U、高压可控硅SR1、限流电阻R3串联组成。
进一步的，所述高压可控硅SR1输入端和输出端分别连接有所述电源U的负极和所述限流电阻。
进一步的，所述系统主回路上串联有多个快速真空断路器用于高电压场合开断。
进一步的，所述统主回路上并联有多个快速真空断路器用于大电流场合开断。
进一步的，所述强迫过零回路的电感值和电容值的振动频率为50KHz-500KHz，短路电流叠加震荡电流后的最长过零时间不大于40us。
进一步的，所述快速真空断路器S1采用为分闸时间低于3.5ms的快速真空断路器。
进一步的，所述强迫过零回路连接有另一条强迫过零回路用于根据故障电流方向来导通某一条强迫过零回路。
进一步的，所述火花间隙可以替换为高压球隙和高压硅堆。
本发明的技术效果在于：
1)使用分闸时间低于3.5ms的快速真空断路器，在短路电流达到峰值前开断，避免了电动力对电力设备的冲击。
2)快速真空断路器断口两端并联有阻容吸收电路，降低恢复电压的上升率，避免断口电压过高导致的二次重燃。
3)采用饱和电抗器串联在主电路中，饱和电抗器降低开断电流过零时的陡度，即dI/dt，和瞬态恢复电压的上升速率，即dV/dt，提高断路器的开断能力。
4)采用由高频脉冲触发的火花间隙来控制强迫过零回路的通断，可实现在微妙级时间内可靠触发，同时具有过零自动关断能力。
5)换流电容可以通过升压变压器从低压侧取电，也可以直接采用隔离变压器从系统高压侧取电，电容充电电压值可根据系统短路电流大小来确定。
6)强迫过零回路采用换流电容与换流电感、饱和电感串联的形式，根据电感值与电容值即可确定振荡频率，本装置的振荡频率设计在50KHz-500KHz之间，短路电流叠加震荡电流后的最长过零时间在40us以内，因此过零时间短，故障切除非常快。
7)采用单个强迫过零回路，无需判断故障电流方向，降低了设备成本，提高了装置的可靠性。
综上，本发明限流电抗器L3并联在快速断路器S1和饱和电感L1两端，起限制故障电流作用；氧化锌电阻M1并联在快速断路器S1和饱和电感L1两端，作为系统的过压保护支路，火花间隙通过高频脉冲触发，平时正常状态下处于开路状态,只有当受到雷击或者遇到故障电压的时候,火花隙自动出现短路,将大量电流排放到接地网中，吸收电阻R2并联在换流电容C2两端，换流电容C2通过升压变压器回路储能，限制故障电流效果好，能够承受较大程度的的电流冲击，保证了正常工作和故障状态下电路的安全性，实用性得到大大提高，
附图说明
图1为本发明基于快速开关采用强迫过零原理快速限流电路的示意图。
具体实施方式
参照附图1，一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，包括系统主回路，还包括：阻容吸收电路、强迫过零回路和变压器储能回路；
所述系统主回路依次由隔离开关K1，快速真空断路器S1、饱和电感L1和隔离开关K2串联组成，所述阻容吸收电路由吸收电容C1和吸收电阻R1串联而成后并联在所述快速真空断路器S1断口之间；
所述快速真空断路器S1和所述饱和电感L1两端分别并联有限流电抗器L3和氧化锌电阻M1；
所述强迫过零回路由换流电容C2、换流电感L2、火花间隙G和高压熔断器F1串联组成后并联在所述快速真空断路器S1和饱和电感L1两端之间；
所述换流电容C2两端并联有吸收电阻R2和所述变压器储能回路，所述变压器储能回路由电源U、高压可控硅SR1、限流电阻R3串联组成。
优选的，所述高压可控硅SR1输入端和输出端分别连接有所述电源U的负极和所述限流电阻。
优选的，所述系统主回路上串联有多个快速真空断路器用于高电压场合开断。
优选的，所述统主回路上并联有多个快速真空断路器用于大电流场合开断。
优选的，所述强迫过零回路的电感值和电容值的振动频率为50KHz-500KHz，短路电流叠加震荡电流后的最长过零时间不大于40us。
优选的，所述快速真空断路器S1采用为分闸时间低于3.5ms的快速真空断路器。
优选的，所述强迫过零回路连接有另一条强迫过零回路用于根据故障电流方向来导通某一条强迫过零回路。
优选的，所述火花间隙可以替换为高压球隙和高压硅堆。
本发明电路含有处于正常状态和故障状态两种条件下的工作状况：
正常状态：
系统正常运行时，隔离开关K1、K2和快速真空断路器S1均处于合闸位置，由于快速真空断路器S1的接触阻抗为微欧级，饱和电感L1阻抗为微亨级，氧化锌电阻M1支路和限流电抗器L3支路的阻抗都远远大于快速断路器S1主回路的阻抗，因此主电路承载系统绝大部分负荷电流，饱和电感L1处于深度饱和状态，氧化锌电阻M1支路和限流电抗器L3支路均没有电流流过。
在强迫过零回路中，由系统检测控制回路来触发高压可控硅SR1导通，给换流电容C2充电使其电压达到设定值，由于换流电容C2两端并联有吸收电阻R2，故电容C2中的能量处于不断消耗状态，因此需要根据换流电容C2上的电压变化值不间断的触发高压可控硅SR1，使电容C2电压值持续保持在设定值范围内。火花间隙G始终未触发，整个强迫过零回路与主回路处于断开状态。
故障状态：
当系统出现短路故障时，系统电压降低，系统电流从负荷电流急剧上升至短路电流，系统检测控制回路在1ms内判断出系统故障，发出分闸指令至快速真空断路器，当快速断路器S1达到一定开距后，由于此时电流没有到达过零点，快速断路器S1保持燃弧状态。此时给火花间隙G触发脉冲使其导通，则换流电容C2、换流电感L2、火花间隙G、高压熔断器、饱和电感L1与快速断路器S1形成电流回路。换流电容C2与换流电感L2、饱和电感L1形成高频振荡，通过调节换流电容C2的电容值与充电电压值、换流电感L2的电感值，可以改变振荡电流的频率和幅值。在本方案中，振荡电流的幅值按系统最大短路电流幅值设计，振荡频率设计在50KHz-500KHz之间。因此当高频振荡电流方向与系统故障电流方向相反时，反向电流相互叠加，促使叠加后的总电流在快速断路器S1断口处提前产生电流过零点，强迫快速断路器S1提前熄弧。
随着开断电流过零后，饱和电抗器L1逐渐退出饱和状态，感值由小变大，从而降低开断电流的变化率。随后，叠加后的总电流反向给换流电容C2充电，换流电容C2电压反向持续升高，当系统过电压达到氧化锌电阻M1的导通电压时，氧化锌电阻M1导通，短路电流从氧化锌电阻M1支路流过，随着高频振荡电流过零，火花间隙G熄弧，换流电容C2中的电压在吸收电阻R2的作用下慢慢消耗，氧化锌电阻M1支路中的短路电流随之慢慢衰减至零，短路电流从氧化锌电阻M1支路中转移到限流电抗器L3支路中，由限流电抗器L3将短路电流限制到设定的低幅值电流。此时，控制系统根据限流电抗器L3中的电流值判断故障是否及时切除；根据故障类型判断是永久性短路故障还是短时性短路故障。若系统是永久性短路故障，则控制隔离开关K1和K2分闸，以确保系统的安全性；若系统是短时性短路故障，在故障切除后，合上快速断路器S1，以保障系统下级的连续用电。至此，整个强迫过零限流过程完成。
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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，包括系统主回路，其特征在于，还包括：阻容吸收电路、强迫过零回路和变压器储能回路；
所述系统主回路依次由隔离开关K1，快速真空断路器S1、饱和电感L1和隔离开关K2串联组成，所述阻容吸收电路由吸收电容C1和吸收电阻R1串联而成后并联在所述快速真空断路器S1断口之间；
所述快速真空断路器S1和所述饱和电感L1两端分别并联有限流电抗器L3和氧化锌电阻M1；
所述强迫过零回路由换流电容C2、换流电感L2、火花间隙G和高压熔断器F1串联组成后并联在所述快速真空断路器S1和饱和电感L1两端之间；
所述换流电容C2两端并联有吸收电阻R2和所述变压器储能回路，所述变压器储能回路由电源U、高压可控硅SR1、限流电阻R3串联组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述高压可控硅SR1输入端和输出端分别连接有所述电源U的负极和所述限流电阻。
3.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述系统主回路上串联有多个快速真空断路器用于高电压场合开断。
4.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述统主回路上并联有多个快速真空断路器用于大电流场合开断。
5.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述强迫过零回路的电感值和电容值的振动频率为50KHz-500KHz，短路电流叠加震荡电流后的最长过零时间不大于40us。
6.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述快速真空断路器S1采用为分闸时间低于3.5ms的快速真空断路器。
7.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述强迫过零回路连接有另一条强迫过零回路用于根据故障电流方向来导通某一条强迫过零回路。
8.根据权利要求1所述的一种基于快速开关采用强迫过零原理的快速限流电路，其特征在于，所述火花间隙可以替换为高压球隙和高压硅堆。
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| WO2021135771A1 (zh) * | 2019-12-31 | 2021-07-08 | 江苏智维建设有限公司 | 一种用于物联网射频发射器的过压保护装置 |
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