CN110277777B - 具有过电压保护的故障电流泄流装置和电力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有过电压保护的故障电流泄流装置和电力系统，其中，故障电流泄流装置包括：电流采集器，用于采集输电线路的电流；故障泄流器，故障泄流器包括可控开关、泄流电路和保护电路，可控开关的一端与输电线路相连，另一端与泄流电路的一端相连，泄流电路的另一端接地，保护电路与泄流电路并联，用于在泄流电路两端的电压大于预设电压阈值时，进行保护动作；控制器，控制器分别与电流采集器和可控开关的控制端相连，用于在输电线路的电流大于预设电流阈值时，控制可控开关闭合，以使泄流电路进行泄流工作。该具有过电压保护的故障电流泄流装置，不仅能够保证故障可以安全高效地切除，还能够保障泄流电路自身的安全。

Description

具有过电压保护的故障电流泄流装置和电力系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种具有过电压保护的故障电流泄流装置和一种电力系统。

背景技术

随着我国社会经济的发展，电力负荷迅猛增长，电网规模急速扩张，地区电网之间的互联日趋紧密。虽然电网的快速发展使得线路输电能力得到了极大的提高，但同时也导致了系统短路电流水平的快速增长。短路电流对电力系统的安全稳定运行以及电气设备本身具有很大的危害。过大的短路电流可能会超过断路器的遮断容量，使得故障难以及时切除。如何限制电力系统故障时的短路电流，一直以来备受人们的关注。目前，人们一般从三个方面对故障短路电流进行限制，即调整电网结构、改变系统运行方式以及加装限流设备。相比于前两种，加装限流设备是一种有效的技术措施。故障限流器(Fault CurrentLimiter，FCL)的核心是在电网正常运行时呈现零阻抗特性，基本不对电网的正常运行产生影响；而在电网故障时呈现高阻抗特性，限制电路电流的增大。但是FCL目前还存在着许多的问题：

1)短路故障引发的暂态功角振荡以至失稳威胁到电网的安全运行，而FCL在限制短路电流的同时也参与了系统的暂态过程，因此FCL会对系统暂态行为产生影响；

2)电网系统参数、FCL动态特性、FCL杂散参数都不同程度影响到高压断路器断口间暂态恢复电压的波形。当线路中串联FCL时，断路器的关合与开断条件可能更苛刻；

3)FCL会对断路器自动重合闸产生影响；

4)FCL的限流电抗串入线路可抑制短路电流，但也对线路过电压保护的整定带来影响。

同时，由于FCL改变了输电线路的动态阻抗特性，即故障前后线路的等效电气距离发生改变，这将对安装在FCL上游的距离保护装置造成影响，造成原阻抗继电器发生误动或拒动。

故障限流器是基于“堵电流”思想串联于线路之中，然而大禹治水，宜疏不宜堵，我们先前的研究提出了一种基于“泄电流”思想的故障泄流器(fault current splitter，FCS)，它并联与线路之中，在电网发生故障时可以将故障电流分解为多个小故障电流，从而保证故障电流安全有效地从线路中切除。

由于改变网络结构、改变系统运行方式以及提高断路器开断能力存在技术和经费方面的困难。自上世纪70年代，故障限流器作为新型限制短路电流的技术而被国内外专家学者广泛研究，但真正受到重视和快速发展是在柔性交流输电技术提出以后。FCL实现的功能可以总结为在系统正常运行时，开关装置处于闭合状态，FCL无电抗投入；而只在系统发生短路故障时开关快速断开，在线路中串入电抗器进行限流。FCL模型示意图如图1所示。

FCL按照限流阻抗的类型可以分为阻抗型和非阻抗型。阻抗型又可细分为电阻型、电感型以及整流型；非阻抗型可以分为爆破型和自愈合熔丝型。FCL按照限流材料的不同可以分为特殊材料型和常规材料型。特殊材料型中超导型是主流，常规材料型可以分为电力电子型、常规设备型以及混合型，也可以分为串联谐振型、并联谐振型、整流型和电弧电流转移型等。近年来超导型、电力电子型和以及经济型的FCL是人们研究的热点。图2为一种预击穿式串联谐振型FCL。该类型FCL利用高压开关预击穿原理进行工作，由电容器C、限流电感器L、预击穿型高压开关SW以及串联阻抗Z组成，其中ZnO避雷器作为电容的过电压保护。当电网发生短路故障时，电容器C上的电压在很短时间内迅速上升，超过开关SW触头间的预击穿电压，SW触头间气息被击穿进而将电容器短路，从而破坏了常态下的串联谐振条件，将电抗串入了线路之中，故而实现了对故障电流的抑制。同时预击穿型高压开关快速合闸，防止触头因遭受较长时间的大故障电流电弧而烧损。故障切除后，预击穿型高压开关立刻分闸，电路重新回到正常的串联谐振状态。

然而，该方案对系统暂态稳定、断路器自动重合闸以及线路距离保护整定均具有影响；且该方案运行维护成本高，损耗大。

相关技术中还提出了一种基于快速开关与泄流电阻结合的新型故障电流抑制器，电网故障时它能够对大故障电流进行分流，使断路器可以安全高效地切除故障电路。其拓扑结构如图3所示。该故障泄流装置包括电流互感器、快速开关、限流电阻以及控制单元。快速开关一端连接在母线上，另一端连接在限流电阻上，限流电阻另一端接地。电流互感器可以采集故障电流的信息送往控制单元进行处理，控制单元可以对输入的信息进行判断，进而控制FCS中快速开关的开通与关断。该泄流装置可以根据故障电流的大小自行选择投入并联电阻的数量。

然而，该方案未考虑泄流器自身安全问题，缺乏过电压保护功能，不能保证泄流的成功。电力作为关系国计民生的重要产业，电力系统的安全稳定一直以来都是电力建设的重中之重。在实际工程应用中，电力系统所有关键设备都要被保护或者有后备，以保护电力系统正常稳定运行。当电网出现故障时，如果不能及时处理，可能会造成事故范围的进一步扩大，造成更大的损失。

同时，该方案也未考虑泄流器承受超过自身短路电流的应对措施。泄流电阻有自己能够泄除最大故障电流的阈值，超过该值，会导致泄流电阻烧毁，引起泄流的失败。在工程应用中，应该考虑各种突发故障，设计泄流电阻应对超过自身故障电流的措施。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种具有过电压保护的故障电流泄流装置，以在保证故障可以安全高效地切除的同时，保障泄流电路自身的安全。

本发明的第二个目的在于提出一种电力系统。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种具有过电压保护的故障电流泄流装置，包括：电流采集器，所述电流采集器用于采集输电线路的电流；故障泄流器，所述故障泄流器包括可控开关、泄流电路和保护电路，所述可控开关的一端与输电线路相连，所述泄流电路的一端与所述可控开关的另一端相连，所述泄流电路的另一端接地，所述保护电路与所述泄流电路并联，所述保护电路用于在所述泄流电路两端的电压大于预设电压阈值时，进行保护动作；控制器，所述控制器分别与所述电流采集器和所述可控开关的控制端相连，所述控制器用于在所述输电线路的电流大于预设电流阈值时，控制所述可控开关闭合，以使所述泄流电路进行泄流工作，减小所述输电线路的电流。

本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置，利用泄流电路将大的故障电流分流成多个小的故障电流，减轻故障支路断路器开断压力，保证故障可以安全高效地切除，且能够保障泄流电路自身的安全，同时还可以有效减小断路器、变压器、互感器等电气设备的设计容量，减小投资成本。

另外，本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置还可以具有如下附加的技术特征：

具体地，所述保护电路包括：主保护电路，所述主保护电路包括第一氧化锌变阻器，所述第一氧化锌变阻器与所述泄流电路并联，所述第一氧化锌变阻器用于在所述泄流电路两端的电压大于所述预设电压阈值时，进行保护动作。

进一步地，所述保护电路还包括：第一后备保护电路，所述第一后备保护电路包括晶闸管阀和火花间隙，所述晶闸管阀和所述火花间隙均与所述第一氧化锌变阻器并联，所述第一后备保护电路用于防止所述第一氧化锌变阻器过热烧毁。

可选地，所述第一后备保护电路，还包括：第一电感，所述第一电感与所述晶闸管阀串联后与所述第一氧化锌变阻器并联。

进一步地，所述保护电路还包括：第二后备保护电路，所述第二后备保护电路包括快速开关，所述快速开关与所述火花间隙并联，所述快速开关用于保证泄流成功。

进一步地，所述保护电路还包括阻尼回路，所述阻尼回路与所述并联连接的所述快速开关与所述火花间隙串联后，与所述第一氧化锌变阻器并联，其中，所述阻尼回路包括：串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻，所述串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻与所述并联连接的所述快速开关与所述火花间隙串联；第二电感，所述第二电感与所述串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻并联。

其中，所述泄流电路包括：泄流电阻，所述泄流电阻的一端与所述可控开关的另一端相连，所述泄流电阻的另一端接地。

可选地，所述电流采集器采用电流互感器。

为达上述目的，本发明第二方面提出了一种电力系统，包括上述的具有过电压保护的故障电流泄流装置。

本发明实施例的电力系统，采用上述的具有过电压保护的故障电流泄流装置，利用泄流电路将大的故障电流分流成多个小的故障电流，减轻故障支路断路器开断压力，保证故障可以安全高效地切除，且能够保障泄流电路自身的安全，同时还可以有效减小断路器、变压器、互感器等电气设备的设计容量，减小投资成本。

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

图1是相关技术中的故障限流器的结构示意图；

图2是相关技术中的预击穿式串联谐振型故障限流器的结构示意图；

图3是相关技术中的故障电流抑制器的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图；

图5是本发明第一个示例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图；

图6是本发明第二个示例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图；

图7是本发明第三个示例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图；

图8是本发明第四个示例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图；

图9是本发明实施例的电力系统的结构框图。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置和电力系统。

实施例1

图4是本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的结构示意图。

如图4所示，该具有过电压保护的故障电流泄流装置包括：电流采集器10、故障泄流器20和控制器30。

其中，参见图4，电流采集器10用于采集输电线路L的电流；故障泄流器20包括可控开关K、泄流电路21和保护电路22，可控开关K的一端与输电线路L相连，泄流电路21的一端与可控开关K的另一端相连，泄流电路21的另一端接地，保护电路22与泄流电路21并联，保护电路22用于在泄流电路21两端的电压大于预设电压阈值时，进行保护动作，以防止泄流电路21中电器元件因过压被烧毁；控制器30分别与电流采集器10和可控开关K的控制端相连，控制器30用于在输电线路L的电流大于预设电流阈值时，控制可控开关K闭合，以使泄流电路21进行泄流工作，减小输电线路L的电流。

可选地，电流采集器10可采用电流互感器。

在该实施例中，预设电压阈值可为泄流电路21能够泄除最大故障电流时对应的电压阈值。具体地，参见图4，泄流电路21可包括泄流电阻R0，泄流电阻R0的一端与可控开关K的另一端相连，泄流电阻R0的另一端接地。由此，预设电压阈值可为泄流电阻R0能够泄除最大故障电流时对应的电压阈值。

可选地，输电线路L中连接有断路器，电流采集器10可靠近断路器设置，预设电流阈值可以是断路器的最大开断电流。由此，当输电线路L中的电流大于或等于断路器的触发电流且小于断路器的最大开断电流时，断路器可断开以避免输电线路中电器元件因过流损坏。

由此，该具有过电压保护的故障电流泄流装置，利用泄流电路将大的故障电流分流成多个小的故障电流，减轻故障支路断路器开断压力，保证故障可以安全高效地切除，且能够保障泄流电路自身的安全。

在本发明的一个示例中，如图5所示，保护电路22包括主保护电路221，主保护电路221包括第一氧化锌变阻器MOV1，第一氧化锌变阻器MOV1与泄流电路21并联，第一氧化锌变阻器MOV1用于在泄流电路21两端的电压大于预设电压阈值时，进行保护动作。

进一步地，如图6所示，保护电路22还包括第一后备保护电路222，第一后备保护电路222包括晶闸管阀SCR和火花间隙G，晶闸管阀SCR和火花间隙G均与第一氧化锌变阻器MOV1并联，第一后备保护电路222用于防止第一氧化锌变阻器MOV1过热烧毁。

参见图6，第一后备保护电路222还包括第一电感L1，第一电感L1与晶闸管阀SCR串联后与第一氧化锌变阻器MOV1并联。

更进一步地，如图7所示，保护电路22还包括第二后备保护电路223，第二后备保护电路223包括快速开关S，快速开关S与火花间隙G并联，快速开关S用于保证泄流成功。

在本发明的一个示例中，如图8所示，保护电路22还包括阻尼回路224，阻尼回路224与并联连接的快速开关S与火花间隙G串联后，与第一氧化锌变阻器MOV1并联，其中，阻尼回路224包括第二氧化锌变阻器MOV2、第一电阻R1和第二电感L2。

参见图8，第二氧化锌变阻器MOV2和第一电阻R1串联，串联连接的第二氧化锌变阻器MOV2和第一电阻R1与并联连接的快速开关S与火花间隙G串联；第二电感L2与串联连接的第二氧化锌变阻器MOV2和第一电阻R1并联。该阻尼回路224的设置能够避免电抗器能耗过大，且有泄流迅速的优点。

为便于理解，下面以图8所示的示例为例说明本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置的工作原理：

参见图8，本发明考虑了对泄流电阻R0的过电压保护。第一氧化锌变阻器MOV1是限制泄流电阻R0过电压的主保护，达到其额定值(即预设电压阈值)会立即动作。火花间隙G是作为第一氧化锌变阻器MOV1的后备保护，在几个微秒就可以动作，但是不能自动熄弧。当电网发生故障时，短路电流快速上升，泄流电阻R0面临过电压风险。当泄流电阻R0过电压发生后，第一氧化锌变阻器MOV1开始动作，其上能量开始迅速积累，此时晶闸管阀SCR迅速动作防止第一氧化锌变阻器MOV1过热烧毁。紧接着快速开关S闭合来切换晶闸管阀SCR电流。火花间隙G作为晶闸管阀SCR的后备保护可以预防晶闸管阀SCR失效的风险。火花间隙G在动作时间上较之快速开关S要短些，若在泄流过程中晶闸管阀SCR导通失败，则利用火花间隙G进行泄流，随后快速开关S闭合，为火花间隙G灭弧做好准备。火花间隙G的优势是可以承受很高的电流冲击，晶闸管阀SCR的优势是具有更高的可靠性，火花间隙G和晶闸管阀SCR都不能长时间耐受大电流冲击，而快速开关S可以耐受长时间大电流冲击。

综上所述，本发明实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置，利用泄流电阻将大的故障电流分流成多个小的故障电流，减轻故障支路断路器开断压力，保证故障可以安全高效地切除，且能够保障泄流电路自身的安全，同时还可以有效减小断路器、变压器、互感器等电气设备的设计容量，减小投资成本。

实施例2

图9是本发明实施例的电力系统的结构框图。

如图9所示，该电力系统1000包括本发明上述实施例的具有过电压保护的故障电流泄流装置100。

本发明实施例的电力系统，采用上述的具有过电压保护的故障电流泄流装置，利用泄流电阻将大的故障电流分流成多个小的故障电流，减轻故障支路断路器开断压力，保证故障可以安全高效地切除，且能够保障泄流电路自身的安全，同时还可以有效减小断路器、变压器、互感器等电气设备的设计容量，减小投资成本。

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 (4)

1.一种具有过电压保护的故障电流泄流装置，其特征在于，包括：

电流采集器，所述电流采集器用于采集输电线路的电流；

故障泄流器，所述故障泄流器包括可控开关、泄流电路和保护电路，所述可控开关的一端与输电线路相连，所述泄流电路的一端与所述可控开关的另一端相连，所述泄流电路的另一端接地，所述保护电路与所述泄流电路并联，所述保护电路用于在所述泄流电路两端的电压大于预设电压阈值时，进行保护动作；其中，所述保护电路包括：主保护电路、第一后备保护电路、第二后备保护电路和阻尼回路；所述主保护电路包括第一氧化锌变阻器，所述第一氧化锌变阻器与所述泄流电路并联，所述第一氧化锌变阻器用于在所述泄流电路两端的电压大于所述预设电压阈值时，进行保护动作；所述第一后备保护电路包括晶闸管阀、火花间隙和第一电感，所述第一电感与所述晶闸管阀串联后与所述第一氧化锌变阻器并联，所述第一后备保护电路用于防止所述第一氧化锌变阻器过热烧毁；所述第二后备保护电路包括快速开关，所述快速开关与所述火花间隙并联，所述快速开关用于保证泄流成功；所述阻尼回路与所述并联连接的所述快速开关与所述火花间隙串联后，与所述第一氧化锌变阻器并联，其中，所述阻尼回路包括：串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻，所述串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻与所述并联连接的所述快速开关与所述火花间隙串联；第二电感，所述第二电感与所述串联连接的第二氧化锌变阻器和第一电阻并联；

控制器，所述控制器分别与所述电流采集器和所述可控开关的控制端相连，所述控制器用于在所述输电线路的电流大于预设电流阈值时，控制所述可控开关闭合，以使所述泄流电路进行泄流工作，减小所述输电线路的电流。

2.根据权利要求1所述的具有过电压保护的故障电流泄流装置，其特征在于，所述泄流电路包括：

泄流电阻，所述泄流电阻的一端与所述可控开关的另一端相连，所述泄流电阻的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的具有过电压保护的故障电流泄流装置，其特征在于，所述电流采集器采用电流互感器。

4.一种电力系统，其特征在于，包括如权利要求1-3中任一项所述的具有过电压保护的故障电流泄流装置。

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