CN110912096A - 基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置及其控制方法，故障泄流装置包括：电流互感器，用于检测输电线路中的电流；信号处理器，用于处理电流检测信号；故障泄流器，包括主泄流通路和多个次泄流通路，主泄流通路包括串联连接的第一快速开关和至少一个ZnO压敏电阻，各次泄流通路均包括串联连接的第二快速开关和泄流电阻；控制器，用于在输电线路中的电流大于断路器的额定开断电流时，对第一快速开关和/或各第二快速开关进行闭合控制，以使输电线路的电流小于或等于断路器的额定开断电流，并在断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。该故障泄流装置，能够在不影响电网正常运行的前提下，降低电网故障的保护成本，提高电网故障的保护效果。

Description

基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及电网技术领域，尤其涉及一种基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置及其控制方法。

背景技术

我国电网规模不断扩大，电网结构逐步加强，低阻抗大容量变压器在电网的应用不断增加，系统中单机容量、发电厂容量、负荷及负荷密度持续增长，大区域电网之间的紧密互联、大容量机组投入运行、特高压输电骨干网架建设，这些在大大提高主网架的电力输送能力，增强电网运行的安全性和可靠性的同时，也导致了各重要节点的短路电流水平急剧升高。短路电流发生时电流值瞬时激增，是额定电流的数倍甚至十数倍，暂态过程中的短路冲击电流数值更高。目前我国生产的断路器最大开断容量是63kA，电网普遍使用的断路器开断容量为50kA，而现在500kV变电站220kV出线侧的短路电流已经达到了80kA，远远超过了现有最大开断容量63kA。因此，短路故障电流超标问题已经成为电网中必须加以重视和解决的问题。

短路故障对电力系统的正常运行以及电气设备本身具有很大的危害性。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3个方面来考虑限制短路电流。目前应对短路故障电流超标问题最有效的技术措施是加装FCL(Fault Current Limiter，故障电流限制器)。FCL能够限制电网的短路容量，减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高其动作可靠性和使用寿命。从限流阻抗类型或作用方式可将FCL分为阻抗型和非阻抗型。阻抗型又可分为电阻型、电感型和整流型；非阻抗型可分为爆破型和自愈合熔丝型。

FCL一般采用串联的方式接入电网，如图1所示。FCL一般安装在发电机出线端、高压输电网连接处、低压配电网母线或母线连接处等电网重要节点。FCL的基本原理是在串联电抗器限流的基础上发展起来的，主要由四部分组成，如图2所示：快速故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器以及过电压保护元件。在系统正常运行时，开关装置处于闭合状态，FCL无电抗投入；在系统故障时开关快速断开投入电抗器进行限流。

理想的FCL在正常运行时阻抗为零或很小，接近于零功耗；在电力系统发生短路时，立即转变为很大的阻抗来限制故障电流。但实际应用中，FCL并不能做到零功耗状态，众多的FCL串接在电网中，其产生的功耗损失依然不容忽略。因此，FCL如存在如下缺点：

1)FCL串接在电网中存在一定损耗，大量分布式串接于电网中所造成的功耗将随着数量的增加而增长；

2)超导型等新型材料FCL成本较高，经济性较差；

3)电力电子型FCL中电子器件耐压水平低，稳定性差；

4)FCL的限流电抗串入线路可抑制短路电流，但由于改变了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，给线路过电流保护的整定造成影响。

在FCL的基础上，相关技术中提出了FCS(Fault Current Splitter，故障电流泄流器)，其原理是在电网发生短路时，在故障点邻近的母线或节点增设人为故障点，从而将原故障点过大的短路电流分流至其它故障点，减小故障支路的短路电流水平，实现故障支路的快速切除。现有FCS一般采用快速开关加泄流电阻的物理模型，但是传统电阻阻值恒定，通流能力差，在分流时容易被烧坏，泄流能力较差。

FCS一般采用并联方式接入电网，在未响应故障短路时，FCS处于完全断开状态，不改变电网结构，不会对保护整定及电压可靠性等造成影响。FCS接入电网位置与FCL相似，也是接入电网重要节点，如图3所示。

在母线2处发生短路故障时，电压下降，而两端电网电源仍保持额定输出电压UN，两端节点与故障点处的电压差使得线路上产生巨大的故障电流，该故障电流从电网电源出发，最后汇集流向故障支路，故障支路联接的电网电源越大，汇集到故障点的故障短路电流越大。在没有配备FCS时，由基尔霍夫定律可知，故障支路的短路电流为：

当装配FCS后，相邻母线1和3处电压下降，U12和U23变小，同时由于在母线1和母线3 处主动增设了两个故障点，使得故障电流可由1、3处分流，此时故障支路的短路电流为：

由上式可知，配备FCS后，故障支路处的短路电流要比没有配备FCS时减小很多，可以实现故障电流支路的高效安全切除。

故障泄流器的拓扑结构为快速开关串联电阻构成泄流通道，多条泄流通道并联提高故障泄流器泄流能力，如图4所示。

在系统正常运行时，FCS的快速开关全都处于断开状态，FCS未接入系统，不对系统造成任何影响，功耗为0；发生短路故障时，故障支路产生巨大的短路电流，短路电流大于支路断路器额定开断电流时，FCS接入系统运行，并根据短路电流大小控制各快速开关通断，改变FCS接入系统的等效阻抗，使得故障支路短路电流降至断路器开断电流内，断路器动作切除故障支路，FCS退出运行。

然而，FCS存在如下缺点：

1)固定电阻缺乏适应性，难以兼顾平衡通流能力和泄流效果，阻值较小的电阻额定容量小，通流能力差，阻值较大的电阻通流能力强，但较大的电阻会抬高节点电压，泄流效果差；

2)在短路瞬间会产生数倍于短路周期电流的大冲击电流，传统泄流电阻难以承受如此大的冲击电流，容易被烧坏而失去泄流作用。

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基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，以在不影响电网正常运行的前提下，降低电网故障的保护成本，提高电网故障的保护效果。

为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，包括：电流互感器，所述电流互感器设置在输电线路中断路器的前端，用于检测输电线路中的电流；信号处理器，所述信号处理器与所述电流互感器相连，用于将所述电流互感器的检测信号由模拟信号转换为数字信号；故障泄流器，所述故障泄流器包括主泄流通路和多个次泄流通路，所述主泄流通路包括串联连接的第一快速开关和至少一个ZnO压敏电阻，各次泄流通路均包括串联连接的第二快速开关和泄流电阻，所述串联连接的第一快速开关和至少一个ZnO压敏电阻、各串联连接的第二快速开关和泄流电阻均连接在母线节点与地之间；控制器，所述控制器分别与所述信号处理器、所述第一快速开关和各第二快速开关相连，用于根据所述数字信号判断所述输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流，并在所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流时，对所述第一快速开关和/ 或各第二快速开关进行闭合控制，以使所述输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，以及在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，不改变电网拓扑结构，不对电网正常运行造成影响，且不存在功耗；相比于断路器和新型材料故障限流器，本发明所用器件简单便宜，能有效降低电网故障保护成本：相比于一般故障泄流器，本发明采用ZnO压敏电阻作为主泄流通路的泄流电阻，通流性能强，能应对短路冲击电流，且由于ZnO压敏电阻的良好非线性伏安特性，使得在通过大电流的同时将节点电压控制在较低水平。

另外，本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，所述控制器具体用于：在所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流时，控制所述第一快速开关闭合；在所述第一快速开关闭合后，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关闭合；在一个第二快速开关闭合后，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则再次控制一个第二快速开关闭合，以此类推，直至所述输电线路中的电流小于所述断路器的额定开断电流；在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

其中，所述控制器按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。

其中，所述电流互感器的采样周期为输电线路中短路电流周期的一半。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种故障泄流装置的控制方法，该方法用于上述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，该方法包括以下步骤：S1，获取所述输电线路中的电流；S2，判断所述输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流；S3，如果所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流，则控制所述第一快速开关闭合；S4，再次获取所述输电线路中的电流；S5，判断所述输电线路中的电流是否仍大于所述断路器的额定开断电流；S6，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关闭合，并返回步骤S4；S7，如果所述输电线路中的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，则在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

本发明实施例的故障泄流装置的控制方法，在电网发生短路故障时，首先控制第一快速开关闭合，再依次控制一个或多个第二快速开关闭合，以使输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，由此实现了电网故障时的保护；在输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流时，控制各闭合的快速开关断开，由此通过及时退出泄流保护，避免对电网正常运行造成二次影响。

另外，本发明实施例的故障泄流装置的控制方法还可以具有如下附加的技术特征：

其中，在所述步骤S7中，按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。

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接入方式的示意图；

图2是相关技术中的故障限流器的原理图；

图3是相关技术中的故障泄流器的接入方式的示意图；

图4是相关技术中的故障泄流器的结构示意图；

图5是本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置的结构示意图；

图6是本发明实施例的故障泄流装置的控制方法的流程图。

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基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置及其控制方法。

实施例1

图5是本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置的结构示意图。

如图5所示，基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置包括：电流互感器10、信号处理器20、故障泄流器30和控制器40。

其中，参见图5，电流互感器10设置在输电线路中断路器QS的前端，用于检测输电线路中的电流。信号处理器20与电流互感器10相连，用于将电流互感器10的检测信号由模拟信号转换为数字信号。故障泄流器30包括主泄流通路31和多个次泄流通路32(图5 中示出n个次泄流通路32)，主泄流通路31包括串联连接的第一快速开关S0和至少一个 ZnO压敏电阻RV(图5中示出一个ZnO压敏电阻RV)，各次泄流通路32均包括串联连接的第二快速开关(即图5中的S1、S2、…、Sn)和泄流电阻(即图5中的R1、R2、…、Rn)，串联连接的第一快速开关S0和至少一个ZnO压敏电阻RV、各串联连接的第二快速开关和泄流电阻均连接在母线节点与地之间。控制器40分别与信号处理器20、第一快速开关S0 和各第二快速开关相连，用于根据数字信号判断输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流，并在输电线路中的电流大于断路器的额定开断电流时，对第一快速开关S0和/ 或各第二快速开关进行闭合控制，以使输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，以及在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

其中，相较于普通的泄流电阻，ZnO压敏电阻RV具有良好的非线性伏安特性，具有非线性系数大、响应时间快、通流能力强、较强的浪涌吸收能力等优点。相较于包含一个ZnO压敏电阻RV的主泄流通路，包含多个ZnO压敏电阻RV的主泄流通路，能够提高主泄流通道的上升区触发电压，避免过高的母线电压将其劣化。

作为一个示例，控制器40具体用于：在输电线路中的电流大于断路器的额定开断电流时，控制第一快速开关S0闭合；在第一快速开关S0闭合后，如果输电线路中的电流仍大于断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关如S1闭合；在第二快速开关S1闭合后，如果输电线路中的电流仍大于断路器的额定开断电流，则再次控制一个第二快速开关如S2闭合，以此类推，直至输电线路中的电流小于或等于断路器的额定开断电流；在断路器QS断开之后，控制闭合的快速开关断开。

作为一个示例，控制器40可按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。例如，控制器40在控制第一快速开关S0闭合后，如果输电线路中的电流仍大于断路器的额定开断电流，则控制第二快速开关S1闭合，第二快速开关S1闭合后，如果输电线路中的电流小于断路器的额定开断电流，则在断路器QS断开之后，控制器40先控制该闭合的第二快速开关S1断开，再控制第一快速开关S0断开。

作为一个示例，电流互感器10的采样周期为输电线路中短路电流周期的一半，如电网的频率为50Hz，则电流互感器10的采样周期为0.01s。

为便于理解，下面结合图5描述本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置的工作原理：

当电网正常运行时，故障泄流器30中的快速开关全部处于断开状态，输电线路中的电流不通过故障泄流器30，故障泄流器30未接入电网，不对电网造成任何影响，也没有损耗。

当电网发生短路故障时，输电线路上会出现数倍于断路器的额定开断电流的故障电流，在短路暂态过程中，还会出现更大的冲击电流。若故障电流在断路器的开断容量范围内(即小于或等于断路器的额定开断电流)，则断路器QS动作，切除故障支路，故障泄流器不投入运行。若故障电流大于断路器的额定开断电流，断路器QS无法动作，此时电流互感器10测量到故障电流，信号处理器20将故障电流由模拟信号转换为数字信号，并传送到控制器40，控制器30发送控制指令首先闭合第一快速开关S0，接通主泄流通路31以应对短路冲击电流，并分流部分故障电流，以降低故障支路上的电流。电流互感器10继续测量输电线路中的电流，若故障支路电流仍大于断路器额定开断电流，则控制器40发送控制指令闭合一个第二快速开关，以此类推，直到故障支路电流小于断路器额定开断电流，此时断路器QS 动作切除故障支路，进而控制器40控制各闭合快速开关依次逐个断开，故障泄流器30快速退出电网。

本发明实施例的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，具有如下有益效果：

1)有效降低成本，相比于断路器和新型材料故障限流器，本发明所用器件简单便宜，能有效降低电网故障保护成本；

2)无影响&零功耗，本发明并联接入电网节点，不改变电网拓扑结构，不对电网正常运行造成影响，且不存在功耗；

3)通流性能强，非线性伏安特性好，相比于一般故障泄流器，本发明采用ZnO压敏电阻作为主泄流通道泄流电阻，通流性能强，能应对短路冲击电流，良好的非线性伏安特性能在通过大电流的同时将节点电压控制在较低水平。

实施例2

图6是本发明实施例的故障泄流装置的控制方法的流程图。

在该实施例中，故障泄流装置的控制方法用于上述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，如图6所示，该方法包括以下步骤：

S1，获取输电线路中的电流。

S2，判断输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流。

S3，如果输电线路中的电流大于断路器的额定开断电流，则控制第一快速开关闭合。

S4，再次获取输电线路中的电流。

S5，判断输电线路中的电流是否仍大于断路器的额定开断电流。

S6，如果输电线路中的电流仍大于断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关闭合，并返回步骤S4。

S7，如果输电线路中的电流小于或等于断路器的额定开断电流，则在断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

作为一个示例，按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。

本发明实施例的故障泄流装置的控制方法，在电网发生短路故障时，首先控制第一快速开关闭合，再依次控制一个或多个第二快速开关闭合，以使输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，由此实现了电网故障时的保护；在输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流时，控制各闭合的快速开关断开，由此通过及时退出泄流保护，避免对电网再次正常运行造成影响。

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 (6)

1.一种基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，其特征在于，包括：

电流互感器，所述电流互感器设置在输电线路中断路器前端，用于检测输电线路中的电流；

信号处理器，所述信号处理器与所述电流互感器相连，用于将所述电流互感器的检测信号由模拟信号转换为数字信号；

故障泄流器，所述故障泄流器包括主泄流通路和多个次泄流通路，所述主泄流通路包括串联连接的第一快速开关和至少一个ZnO压敏电阻，各次泄流通路均包括串联连接的第二快速开关和泄流电阻，所述串联连接的第一快速开关和至少一个ZnO压敏电阻、各串联连接的第二快速开关和泄流电阻均连接在母线节点与地之间；

控制器，所述控制器分别与所述信号处理器、所述第一快速开关和各第二快速开关相连，用于根据所述数字信号判断所述输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流，并在所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流时，对所述第一快速开关和/或各第二快速开关进行闭合控制，以使所述输电线路的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，以及在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

2.如权利要求1所述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，其特征在于，所述控制器具体用于：

在所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流时，控制所述第一快速开关闭合；

在所述第一快速开关闭合后，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关闭合；

在一个第二快速开关闭合后，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则再次控制一个第二快速开关闭合，以此类推，直至所述输电线路中的电流小于所述断路器的额定开断电流；

在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

3.如权利要求2所述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，其特征在于，所述控制器按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。

4.如权利要求2所述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，其特征在于，所述电流互感器的采样周期为输电线路中短路电流周期的一半。

5.一种故障泄流装置的控制方法，其特征在于，该方法用于如权利要求1-4中任一项所述的基于ZnO压敏电阻的故障泄流装置，该方法包括以下步骤：

S1，获取所述输电线路中的电流；

S2，判断所述输电线路中的电流是否大于断路器的额定开断电流；

S3，如果所述输电线路中的电流大于所述断路器的额定开断电流，则控制所述第一快速开关闭合；

S4，再次获取所述输电线路中的电流；

S5，判断所述输电线路中的电流是否仍大于所述断路器的额定开断电流；

S6，如果所述输电线路中的电流仍大于所述断路器的额定开断电流，则控制一个第二快速开关闭合，并返回步骤S4；

S7，如果所述输电线路中的电流小于或等于所述断路器的额定开断电流，则在所述断路器断开之后，控制闭合的快速开关断开。

6.如权利要求5所述的故障泄流装置的控制方法，其特征在于，在所述步骤S7中，按照快速开关闭合顺序的倒序依次控制闭合的快速开关断开。

Images