CN203504171U - 一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路 - Google Patents

Abstract

一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，涉及一种干式空心电抗器的过电压保护电路。解决了传统的电抗器过电压保护中，单独使用阻容吸收电路时所需电容体积大，造价高，单独使用间隙保护装置时，保护间隙频繁动作会增大间隙击穿电压的分散性，降低保护间隙的寿命问题。可以根据被截断的电流选择合适的元件参数使本实用新型的保护电路满足，被截断电流较低时，阻容吸收装置控制电抗器两端的过电压幅值，使其不能达到保护间隙的击穿电压，保护间隙处于断路状态，电抗器和各自的阻容元件构成RLC振荡电路，被截断电流较大时，电抗器两端的过电压幅值较高，保护间隙被击穿，电容及其保护电阻被短路，本实用新型应用在对电抗器保护领域。

Description

一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路

技术领域

本实用新型涉及一种干式空心电抗器的过电压保护电路。

背景技术

在超高压大容量电网中，为了补偿电网的无功功率，要求安装一定数量的电抗器。干式空心电抗器采用多包封并绕结构型式，与铁心电抗器相比较，具有价格低、结构简单、重量轻、电抗值线性、损耗低、维护方便等技术优势。从上世纪九十年代开始，电力系统广泛使用干式空心电抗器。随着干式空心电抗器投运数量及投运时间的增加，事故也逐步增多，并经常着火燃烧，给电力系统安全运行带来了很大影响。现场调查和解剖研究表明干式空心电抗器故障多数是匝间绝缘缺陷造成匝间短路引发的。大量的数据表明，各种过电压是引起电抗器匝间绝缘缺陷，最终导致短路的主要原因。降低干式空心电抗器上过电压水平不仅可以有效地减缓匝间绝缘劣化，而且可以避免高幅值过电压造成匝间绝缘击穿，这对提高干式空心电抗器安全运行水平非常必要。

根据电工理论的基础知识，能量不能发生突变，即电感上的电流不能发生突变，在电流连续快速变化的过程中会在电感的两端产生一定的电压值，满足e=Ldi/dt。电抗器的投合过程中，由于断路器的机械特性，会存在的弹跳现象（断路器触头结合、弹开、在结合的过程中）。触头结合的过程中，电抗器中的电流已经增大到了一定数值（电抗器中储存一定的磁场能），触头弹开的过程中，该电流会在触头两端产生多次重燃过电压。同理，在电抗器切断的过程中，切断之前电抗器中流过较大的额定电流（储存一定的磁场能），在断开断路器的过程中（投切截流产生过电压描述），该电流会在电抗器的两端产生截断过电压。

常用的过电压保护方法主要有为氧化锌避雷器、阻容吸收电路、保护间隙。无间隙金属氧化物避雷器存在固有的热稳定问题，会因多次承受过电压作用而老化，最终在持续运行电压或过电压作用下，失去热稳定而损坏或爆炸。此外，运行多年的电抗器绝缘水平会降低，可能会出现其绝缘水平低于避雷器保护电压的情况，不能达到满意的保护效果。在干式空心电抗器保护领域，为了达到保护的效果，阻容吸收法常常需要额定电压较高的大电容，其体积、造价等问题限制了其在电网中大范围推广。间隙保护装置在间隙击穿时产生的高能电弧会导致电极表面出现缺陷，频繁动作会增大间隙击穿电压的分散性，最终使间隙损坏（一般间隙保护没有电阻，造成母线短路）；此外现有的保护间隙装置中大都无电阻，动作时击穿电流较大，易导致电极的烧蚀；此外，在回路中安装有电流互感器，间隙发生击穿，电流发生突变，互感器发出信号控制系统继电保护动作，导致断电。

实用新型内容

本实用新型是为了解决传统的电抗器过电压保护中，单独使用阻容吸收电路时所需电容体积大，造价高，单独使用间隙保护装置时，保护间隙频繁动作会增大间隙击穿电压的分散性，降低保护间隙的寿命问题，本实用新型提供了一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路。

一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，它包括断路器、第一电抗器、第二电抗器、第三电抗器、第一阻容吸收装置、第二阻容吸收装置、第三阻容吸收装置、第一保护间隙、第二保护间隙和第三保护间隙，所述的第一阻容吸收装置包括第一主电阻和第一吸收电容，所述的第二阻容吸收装置包括第二主电阻和第二吸收电容，所述的第三阻容吸收装置包括第三主电阻和第三吸收电容，

所述的断路器的三相输入端与电网连接，所述的断路器三相输出端中A相输出端同时与第一电抗器的一端和第一主电阻的一端连接，所述的断路器三相输出端中B相输出端同时与第二电抗器的一端和第二主电阻的一端连接，所述的断路器三相输出端中C相输出端同时与第三电抗器的一端和第三主电阻的一端连接，所述的第一主电阻的另一端同时与第一吸收电容的一端和第一保护间隙的一端连接，所述的第二主电阻的另一端同时与第二吸收电容的一端和第二保护间隙的一端连接，所述的第三主电阻的另一端同时与第三吸收电容的一端和第三保护间隙的一端连接，所述的第一电抗器的另一端、第一吸收电容的另一端、第一保护间隙的另一端、第二电抗器的另一端、第二吸收电容的另一端、第二保护间隙的另一端、第三电抗器的另一端、第三吸收电容的另一端和第三保护间隙的另一端同时和电源地连接。

原理分析：本实用新型所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路以两种工作方式工作，即阻容吸收方式和保护间隙—电阻方式，

（A）：阻容吸收方式：在被截断电流较低时，阻容吸收装置可以限制电抗器两端过电压幅值，使其不能达到保护间隙的击穿电压，保护间隙处于断路状态，简化电路原理如附图4所示，

当断路器断开产生截流后，电抗器和各自的阻容元件构成RLC振荡电路，回路电流方程满足：

$\mathrm{LC}\frac{{\mathrm{di}}^2}{\mathrm{dt}}+\mathrm{RC}\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+i=0---\left(1\right)$

其中，i表示回路电流；

R表示电阻元件的电阻；

C表示电容元件的电容；

L表示电抗器的电抗；

在

的条件下，i₀为截流值，回路电流方程的解为：

$i=\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\ω}}{i}_0{e}^{-\mathrm{\δt}}\sin (\mathrm{\ωt}+\mathrm{\π}/2)---\left(2\right)$

其中：

为固有振荡角频率，

为衰减系数，

为实际振荡频率，

当δ足够小时，ω=ω₀；

则：

i=i₀e^-δtsin(ωt+π/2)  （3）

可见，流过电抗器上电流波形是衰减振荡波。

电抗器上的电压e_阻容为：

则有,

由公式（5）可知，电抗器上产生过电压的大小与断路器截流值成正比，与吸收电路电容1/2次方成反比。显然，通过对吸收电容大小的设定，可以降低过电压的幅值。

（B）：保护间隙—电阻方式：在被截断电流较大时，阻容吸收装置已不能限制住过电压的幅值，电抗器两端的过电压幅值较高，此时保护间隙被击穿，电容及其保护电阻被短路，此时的保护间隙与主电阻构成保护间隙—电阻保护装置，简化电路原理如附图5所示，原理如下：

断路器投切动作时形成截流，电抗器两端形成过电压

过电压达到保护间隙击穿电压e_b时，保护间隙击穿，电抗器对电阻放电，i₀为截流值，则电抗器上的电流i_a变化为：

$i_a=i_0\exp (-\frac{R}{L}t)---\left(6\right)$

其中：t表示时间；

电抗器上的电压e_间隙变化规律为：

则有，

|e_间隙|=i₀R   （8）

由公式（8）可以看出，电抗器上电压的幅值与截流大小成正比，随着保护电阻阻值的增大而增大。通过对保护电阻大小的设定，可以在满足对母线保护要求、吸收电抗器能量的同时，把过电压的幅值控制在一定的范围内。

假定限制的过电压为3倍的额定值，参照公式（8）可知，保护电阻阻值应为被保护电抗器阻抗值的3倍，保护装置工作的过程中，需母线提供的电流仅为正常工作时的1/3，不会对系统产生任何影响。

由公式（5）和公式（8）可以看出，两种保护方式中，过电压的大小都与截流值的大小有关，所有可以根据截断操作中彻底截断时电流值的统计数据，确定一个临界值。在通过其它电路元件参数的确定，使被截断电流小于临界值时，保护间隙不击穿，由阻容吸收装置承担过电压的防护工作；在被截断电流值大于临界值时，保护间隙击穿，由保护间隙和电阻承担过电压的防护工作。以断路器的三相输出端中A相输出端所连接的电路为例分析，设保护间隙限定的过电压幅值为3U_L额定，其中U_L额定为电抗器的额定电压，即无论以阻容吸收方式工作，还是以保护间隙方式工作，过电压的幅值始终满足e≤3U_L额定。过电压的最大值e_m=3U_L额定，可据此值选定保护间隙球电极的直径与间距。在投切电抗器产生的过电压中，切断过程中产生的过电压远大于投合过程中的过电压。而在切断电抗器的过程中，无论何时动作，绝大多数是在电流过零点附近彻底断开，少有截断电流

的情况，i_m为额定电流的幅值，所以取截流电流

为两种保护方式的临界电流:

a、当

时，以阻容吸收方式工作，把截断电流

时，电抗器上过电压e_阻容=3U_L额定，代入公式（5）可得吸收电容

b、当

时，阻容吸收方式已不能满足保护间隙过电压限定需要，保护球间隙击穿，以保护间隙的方式工作，当截断电流|i₀|=i_m时，把电抗器上过电压e_间隙=3U_L额定，代入公式入公式（8）可得电阻

假定临界值为

其中，i_m表示额定电流，被截断电流小于该临界值的概率为90%。由公式（5），与传统的过电压保护比，在把过电压控制在相同值的情况下，本实用新型的保护电路电容C_新型与传统单独采用阻容吸收装置中电容C_传统满足

这将大大的减小所需电容体积、降低成本；本实用新型的保护电路中间隙的动作次数减少为传统只采用保护间隙时的

同时由于主电阻的存在将减小保护间隙的电弧电流，从而大大的延长保护间隙的使用寿命和损坏概率。

根据上述原理分析能够获得本实用新型带来的有益效果有，本实用新型所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路所需的电容体积小、造价低，降低了保护间隙的动作次数，延长了保护间隙的使用寿命和损坏率。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的原理示意图。

图2为具体实施方式二所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的原理示意图。

图3为具体实施方式三所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的原理示意图。

图4为保护间隙为断路时，本实用新型所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的等效原理示意图。

图5为保护间隙被击穿时，本实用新型所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的等效原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，它包括断路器QF、第一电抗器DK-1、第二电抗器DK-2、第三电抗器DK-3、第一阻容吸收装置、第二阻容吸收装置、第三阻容吸收装置、第一保护间隙Ga、第二保护间隙Gb和第三保护间隙Gc，所述的第一阻容吸收装置包括第一主电阻R_SA和第一吸收电容C_SA，所述的第二阻容吸收装置包括第二主电阻R_SB和第二吸收电容C_SB，所述的第三阻容吸收装置包括第三主电阻R_SC和第三吸收电容C_SC，

所述的断路器QF的三相输入端与电网连接，所述的断路器QF三相输出端中A相输出端同时与第一电抗器DK-1的一端和第一主电阻R_SA的一端连接，所述的断路器QF三相输出端中B相输出端同时与第二电抗器DK-2的一端和第二主电阻R_SB的一端连接，所述的断路器QF三相输出端中C相输出端同时与第三电抗器DK-3的一端和第三主电阻R_SC的一端连接，所述的第一主电阻R_SA的另一端同时与第一吸收电容C_SA的一端和第一保护间隙Ga的一端连接，所述的第二主电阻R_SB的另一端同时与第二吸收电容C_SB的一端和第二保护间隙Gb的一端连接，所述的第三主电阻R_SC的另一端同时与第三吸收电容C_SC的一端和第三保护间隙Gc的一端连接，所述的第一电抗器DK-1的另一端、第一吸收电容C_SA的另一端、第一保护间隙Ga的另一端、第二电抗器DK-2的另一端、第二吸收电容C_SB的另一端、第二保护间隙Gb的另一端、第三电抗器DK-3的另一端、第三吸收电容C_SC的另一端和第三保护间隙Gc的另一端同时和电源地连接。

本实施方式中，在较低过电压下为第一阻容吸收装置中的第一主电阻R_SA、第二阻容吸收装置中第二主电阻R_SB和第三阻容吸收装置中第三主电阻R_SC起吸收过电压的能量的作用，在较高过电压下均为保护电阻，防止保护间隙击穿时母线对地短路，同时在保护间隙击穿时吸收电抗器的能量。

具体实施方式二：参见图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的区别在于，它还包括第一保护电阻Ra、第二保护电阻Rb和第三保护电阻Rc；

所述的第一保护电阻Ra串联在第一主电阻R_SA和第一吸收电容C_SA之间，并且第一保护电阻Ra和第一吸收电容C_SA串联连接后与第一保护间隙Ga并联连接，

所述的第二保护电阻Rb串联在第二主电阻R_SB和第二吸收电容C_SB之间，并且第二保护电阻Rb和第二吸收电容C_SB串联连接后与第二保护间隙Gb并联连接，

所述的第三保护电阻Rc串联在第三主电阻R_SC和第三吸收电容C_SC之间，并且第三保护电阻Rc和第三吸收电容C_SC串联连接后与第三保护间隙Gc并联连接。

具体实施方式三：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的区别在于，它还包括第一熔断器FUa、第二熔断器FUb和第三熔断器FUc；所述的第一熔断器Fua串联在断路器QF的A相输出端和第一主电阻R_SA之间，所述的第二熔断器FUb串联在断路器QF的B相输出端和第二主电阻R_SB之间，所述的第三熔断器FUc串联在断路器QF的Ｃ相输出端和第三主电阻R_SC之间。

具体实施方式四：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路的区别在于，所述的第一电抗器DK-1、第二电抗器DK-2和第三电抗器DK-3均为干式空心电抗器。

Claims (4)

1.一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，其特征在于，它包括断路器（QF）、第一电抗器（DK-1）、第二电抗器（DK-2）、第三电抗器（DK-3）、第一阻容吸收装置、第二阻容吸收装置、第三阻容吸收装置、第一保护间隙（Ga）、第二保护间隙（Gb）和第三保护间隙（Gc），所述的第一阻容吸收装置包括第一主电阻（R_SA）和第一吸收电容（C_SA），所述的第二阻容吸收装置包括第二主电阻（R_SB）和第二吸收电容（C_SB），所述的第三阻容吸收装置包括第三主电阻（R_SC）和第三吸收电容（C_SC），所述的断路器（QF）的三相输入端与电网连接，所述的断路器（QF）三相输出端中A相输出端同时与第一电抗器（DK-1）的一端和第一主电阻（R_SA）的一端连接，所述的断路器（QF）三相输出端中B相输出端同时与第二电抗器（DK-2）的一端和第二主电阻（R_SB）的一端连接，所述的断路器（QF）三相输出端中C相输出端同时与第三电抗器（DK-3）的一端和第三主电阻（R_SC）的一端连接，所述的第一主电阻（R_SA）的另一端同时与第一吸收电容（C_SA）的一端和第一保护间隙（Ga）的一端连接，所述的第二主电阻（R_SB）的另一端同时与第二吸收电容（C_SB）的一端和第二保护间隙（Gb）的一端连接，所述的第三主电阻（R_SC）的另一端同时与第三吸收电容（C_SC）的一端和第三保护间隙（Gc）的一端连接，所述的第一电抗器（DK-1）的另一端、第一吸收电容（C_SA）的另一端、第一保护间隙（Ga）的另一端、第二电抗器（DK-2）的另一端、第二吸收电容（C_SB）的另一端、第二保护间隙（Gb）的另一端、第三电抗器（DK-3）的另一端、第三吸收电容（C_SC）的另一端和第三保护间隙（Gc）的另一端同时和电源地连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，其特征在于，它还包括第一保护电阻（Ra）、第二保护电阻（Rb）和第三保护电阻（Rc）；

所述的第一保护电阻（Ra）串联在第一主电阻（R_SA）和第一吸收电容（C_SA）之间，并且第一保护电阻（Ra）和第一吸收电容（C_SA）串联连接后与第一保护间隙（Ga）并联连接，

所述的第二保护电阻（Rb）串联在第二主电阻（R_SB）和第二吸收电容（C_SB）之间，并且第二保护电阻（Rb）和第二吸收电容（C_SB）串联连接后与第二保护间隙（Gb）并联连接，

所述的第三保护电阻（Rc）串联在第三主电阻（R_SC）和第三吸收电容（C_SC）之间，并且第三保护电阻（Rc）和第三吸收电容（C_SC）串联连接后与第三保护间隙（Gc）并联连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，其特征在于，它还包括第一熔断器（FUa）、第二熔断器（FUb）和第三熔断器（FUc）；所述的第一熔断器（FUa）串联在断路器（QF）的A相输出端和第一主电阻（R_SA）之间，所述的第二熔断器（FUb）串联在断路器（QF）的B相输出端和第二主电阻（R_SB）之间，所述的第三熔断器（FUc）串联在断路器（QF）的Ｃ相输出端和第三主电阻（R_SC）之间。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于干式空心电抗器投切过电压保护的保护电路，其特征在于，所述的第一电抗器（DK-1）、第二电抗器（DK-2）和第三电抗器（DK-3）均为干式空心电抗器。

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