CN205335830U - 一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置。旨在使装置正常运行时为低功率损耗，电路发生短路时能增加电抗器的电抗值数，减轻短路故障的损害程度。该装置具有20～500kV的交流母线，送电馈线上依次接有馈线断路器、馈线电流互感器和两个隔离开关，在馈线的两个隔离开关之间串入一个可变电抗限流器，可变电抗限流器包括由铁芯体、初级绕组和次级绕组组成的主电抗器、气隙电抗器、主断路器和高抗电抗器，初级绕组串接于馈线之中，为第Ⅰ回路；次级绕组与气隙电抗器和主断路器构成第Ⅱ回路；并联于次级绕组两端的高抗电抗器构成第Ⅲ回路；同时，由馈线电流互感器、次级绕组侧电流互感器和安装于变电所中的继电保护控制系统构成检测控制回路。

Description

一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置

技术领域

本实用新型涉及一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置。防止电网中的高压电气设备因短路故障而毁坏。

背景技术

目前，随着我国电网规模的日益扩大、电力系统中负荷的迅速增长，特别是在2014年底，我国的发电装机容量已经达到12.5亿千瓦，居世界第一，如此众多、大容量机组的投入运行及各大区电网的互联使得电力系统短路电流水平也日益增高，许多地区特别是沿海经济发达地区如上海、江苏、浙江、广东等电网的短路电流水平，已经达到甚至超过《电力规程》所限定的最大允许值。

在一些负荷密度大的城市和地区的500kV和220kV变电站中，预期短路电流水平将可能超过100KA。资料表明，三峡水电站可能的最大短路电流周期分量可达到300KA。目前国际上可生产的开关设备，如目前国际上500kV电压等级的最大开断电流为80KA，如果不及时采取行之有效的技术措施限制短路电流，那么在今后的电网发展中将可能导致电网无高压断路器(开关)可选，这就意味着无法控制驾驭大电网的调度运行。为此，这对电网公司是一个非常迫切而需要解决的大问题。而为限制短路电流值而制作的器件装置称之为电网故障限流器，简称(FCL)。

对电网故障限流器(FCL)的基本技术要求是：

在电网正常运行时表现为零阻抗或微小阻抗，功耗接近于零，最大不超过输送功率的0.25～1％，在电网发生短路故障时，迅速呈现高阻抗以遏制故障电流。要求动作速度快，反应时间小于10ms甚至更短(几毫秒)，即限制到预期值一半以下；具有快速自动复位功能，可实现多次动作；可靠性应高于同时运行的断路器等设备，设备运行维护成本低。

然而在现有的限流技术中，存在着如下问题：

1、固定阻抗和半导体元件的限流作用越大，则在正常工作时的损耗比例越大；

2、超导限流器有良好的限流效果，但需要超低温的运行环境，设备投资近1亿元以及运行维护成本高，在工程上难以推广。

3、经申请人检索，同类型的专利如宁夏电力公司电力科学院授权公告号CN103023000B，该方案存在的问题为，由于平时是将高速开关与限流电抗器并联运行，当短路电流发生时、继电保护装置需要先将高速开关断开后，限流电抗器才能串入发挥限流作用，但实际情况是任何高速开关在交流电路短路瞬间的第一个周波的上半波的时间内即0.01秒(10ms)内，根据开关电弧理论，是无法完全消除灭弧室内的电弧的，而只能在第一个周波的过零点后，即10ms(毫秒)后才能灭弧，这就意味着要经过10ms后上述电抗限流器才能有效地投入工作。在该专利的说明书第[0045]段中也明确写明“该第一智能高速开关在15ms内即刻断开，将第一限流器投入限流运行中”。而在电网实际情况中，短路后的第一个周波(即0～10ms内)对限制短路电流值最为迫切，因为此时位于限流电抗器下端的断路器有可能已经动作，若等待到15ms以后再投入限流器，下端的断路器可能因为灭弧室遮断容量的不足，而无法熄弧，使电弧一直处于燃烧状态，使得电路不能开断或者致使断路器发生爆炸。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置，该装置在正常运行时为低功率损耗(约为5‰～1％)，而在电路发生短路时能够迅速、大幅度、突变地增加电抗器的电抗值数，至少应限制20～50％量值的短路电流，明显减轻短路故障的损害程度。

本实用新型所采用的技术方案是：交流电网中自动限制短路故障电流的装置，具有20～500kV的交流母线，送电馈线上依次接有馈线断路器、馈线电流互感器和两个隔离开关，其特征在于在馈线的两个隔离开关之间串入一个可变电抗限流器，该可变电抗限流器包括由铁芯体、初级绕组和次级绕组组成的主电抗器、气隙电抗器、主断路器和高抗电抗器，其中，初级绕组串接于馈线之中，为第Ⅰ回路；次级绕组与气隙电抗器和主断路器构成第Ⅱ回路；并联于次级绕组两端的高抗电抗器构成第Ⅲ回路；同时，由馈线电流互感器、次级绕组侧电流互感器和安装于变电所中的继电保护控制系统构成检测控制回路。

一种方案在第Ⅱ回路中，主断路器与次级绕组末端之间串入备用分断组件，该备用分断组件包括并联的备用断路器和快速熔断器。

另一种方案在第Ⅱ回路中，主断路器与次级绕组末端之间仅串入快速熔断器。

所述初级绕组与出线侧隔离开关之间串入有载分接开关。

所述气隙电抗器包括绕有线圈的固定铁芯，该固定铁芯呈回字形，两竖直侧臂之间设有平行的滑动锁扣，在固定铁芯的一侧臂上通过转轴销接活动铁芯，活动铁芯的活动端正对另一侧臂的端面并在常态保持间隙δ，在活动铁芯与滑动锁扣之间设有弹簧，滑动锁扣上还装有橡胶垫块。所述间隙δ控制在30～100mm。

所述主断路器为六氟化硫高压断路器、油断路器或真空断路器。

所述快速熔断器为雷管式快速熔断器，动作时间为1～5ms。

所述高抗电抗器为高阻抗带气隙的电抗器，其电抗阻值为气隙电抗器上限值的10～20倍。

本实用新型的有益效果是：本装置通过取自电网故障短路电流的能量来自动抬高母线电压值，重新在回路中建立起常态电压，从而使系统自动地恢复到能承受的短路电流范围中。本装置协同现有等级的断路器在短路故障发生的第一时间及时有效地遏制短路电流，保障电网系统的运行安全。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的电气接线原理图。

图2是本实用新型实施例2的电气接线原理图。

图3是本实用新型中主电抗器的三相接线示意图。

图4是本实用新型中气隙电抗器的结构图。

图5是本实用新型中主电抗器初级绕组侧电压短路后的变化曲线。

图6是交流电正弦波随时间变化曲线图。

具体实施方式

如图6所示，由于本实用新型要解决的一个关键问题是在短路故障发生后的交流系统正弦波中第一个周波的上半波即0～10ms(即0.01秒)内，要将本限流器串入第Ⅰ回路之中，且在20ms内将短路电流限制30～45％。实现这一目的三个限流过程如下：

1、0～5ms时间段内：

本设计中主电抗器B相当于一台双绕组的变压器，其一次侧绕组(初级绕组N₁)流过额定电流Ie时，在二次侧绕组(次级绕组N₂)处于短路状态。假如此时额定电流达2000A，由于变压器一、二次绕组的磁势不平衡性将会在一次绕组上产生约0.5～1％·Ue(额定电压)的电压值，本方案中该感应电压值取U₀＝6.5‰·Ue＝0.0065×500kV＝3.25kV。当有短路电流通过时，该感应电压会随着短路电流与额定电流之比的倍数而线性增加，假如此时，短路电流为50KA(即50000安培)，也就是为额定电流2KA的25倍，因而此时在初级绕组N₁产生的电压为U₁＝3.25kV×25＝81.25kV，即在0～5ms时间内，通过主电抗器B，由磁势不平衡产生的限流瞬变电压高达81.25kV，由于这个电压值的产生，对限流的作用可占5～10％的贡献率，如图5中的0-A中“1”的斜线即为短路瞬间0～5ms内U₁的变化曲线。因此在0～5ms内所产生的限流贡献主要是主电抗器B因磁势不平衡引起的差值感应电势U₁而产生的。

2、短路故障发生后5～10ms时间段内：

如图4所示，当短路故障电流流过超过5ms左右的时间时，主电抗器B的二次侧(次级绕组N₂)电流使得气隙电抗器DK的活动铁芯1-1与固定铁芯1-2闭合，使气隙δ消失，根据电抗器原理，电抗器电抗值为： $Xm=8{\mathrm{\π}}^2{\mathrm{fW}}^2\mathrm{\μ}r\frac{A_{\mathrm{\δ}}}{N\mathrm{\δ}}\×{10}^{-7}\mathrm{\Ω},$

其中：式中：f为频率，f＝50Hz；w为电抗器绕组的匝数；μr为铁芯相对导磁率，对于硅钢片取300～1000；Az为电抗器铁芯柱净截面积m²；Kdp为铁芯叠片系数；N为电抗器气隙的数量；δ为电抗器铁芯饼间气隙长度(单位m)。

当气隙δ消失后，总导磁率μr也急剧增大，使流过气隙电抗器DK的电压U₃也急剧增大，此时二次侧短路电流I₃仍然流过气隙电抗器DK，造成U₃值的量值增加20～60倍，这个量值大大抬高了主电抗器B二次侧(次级绕组N₂)电压U₂的量值，而U₂的提高，最终使第Ⅰ回路中U₁电压值由81.25kV提高到约155-200kV的水平，反映在图5中的A-B段“2”号线即为电压U₁直陡式突变增加的曲线，由于U₁的提高使主电抗器B的阻抗又增加了约10～20％，即在5～10ms内起到了明显的限流作用。

3、短路故障发生后10～20ms时间段内：

如图1和图5所示，经过0～5ms～10ms时间后，分别由主电抗器B和气隙电抗器DK动作后，U₁的电压(以500kV系统设计限流器为例)，由初始U₀＝3.25kV上升到了约155kV。此时仍有较大的感应短路电流流过次级绕组N₂，实际上主断路器DL－1是在短路的瞬间就开始启动分闸的，但由于交流SF₆(六氟化硫)断路器通常要等交流正弦波的周波过零点时才能灭弧，一般需要10～20ms时间才能熄灭电弧，因此在20ms这个熄弧时间时，是图5中的C-D“3”号线，这个曲线是短路开断后U₁电压直陡式上升的情况，这是因为主断路器DL－1开断后使得主电抗器B二次侧绕组N₂开路，这样主电抗器B就等于没有了反电势影响，致使一次侧(初级绕组N₁)呈现最高值的电压，这相当于变压器二次侧开路或者是空载的情况。由于巨大的短路电流作用，U₁的电压可达到平时负载电流下二次侧开路电压的3～4倍，即可达约240～350kV，而利用这个电压值正好来限制短路电流，量值约可达25～45％的贡献率，因此本方案逐步一级级地提高第Ⅰ回路的U₁值，使综合阻抗值逐步增加，来达到限制短路电流总值约35％～50％的量值，可以确保将故障点短路的功率控制在满足断路器的遮断容量的范围以内。

根据上述限流原理，下面通过具体实施例加以进一步说明。

实施例一，如图1、图3～6所示，本自动限制短路故障电流的装置应用于额定电压等级为500kV的交流电网中，送电馈线上依次接有馈线断路器DL、馈线电流互感器CT－1、进线侧隔离开关GL和出线侧隔离开关GL，本装置(可变电抗限流器)串接于两个隔离开关GL之间，所述可变电抗限流器包括由铁芯体、初级绕组N₁和次级绕组N₂组成的主电抗器B、气隙电抗器DK、主断路器DL－1(本例采用六氟化硫高压断路器)和高抗电抗器GDK(本例采用高阻抗带气隙的电抗器，其电抗阻值为气隙电抗器DK上限值的10～20倍)。其中，初级绕组N₁串接于馈线之中，为第Ⅰ回路；次级绕组N₂与气隙电抗器DK和主断路器DL－1构成第Ⅱ回路；并联于次级绕组N₂两端的高抗电抗器GDK构成第Ⅲ回路；同时，由馈线电流互感器CT－1、次级绕组N₂侧电流互感器CT－2和安装于变电所中的继电保护控制系统构成检测控制回路。

本例在第Ⅱ回路中，主断路器DL－1与次级绕组N₂末端(a2)之间还串入备用分断组件，该备用分断组件包括并联的备用断路器DL－2和快速熔断器RD(本例采用雷管式快速熔断器，动作时间为1～5ms)。同时，在初级绕组N₁与出线侧隔离开关GL之间串入有载分接开关FK。

所述气隙电抗器DK包括绕有线圈1－3的固定铁芯1－2，该固定铁芯呈回字形，两竖直侧臂之间设有平行的滑动锁扣1－6(固定于固定铁芯的内侧)，在固定铁芯的一侧臂上通过转轴1－5销接活动铁芯1－1，活动铁芯的活动端正对另一侧臂的端面并在常态保持间隙δ，在活动铁芯1－1与滑动锁扣1－6之间设有弹簧1－4。滑动锁扣1－6上还装有橡胶垫块1-7，目的是缓解动、静铁芯在短路电流作用下由电磁吸力产生的巨大冲击力，橡胶垫块的材料可选择耐候轮胎硬橡胶制作。

正常运行时，馈线断路器DL，进线侧隔离开关GL和出线侧隔离开关GL均处于合闸位置。假设线路的额定电流Ie＝2000A，主电抗器B初级(一次)、次级(二次)绕组设计变比为N₁：N₂＝1：2，由变压器原理可知：N₁：N₂＝U₁：U₂＝I₂：I₁＝1：2，即一次绕组流过电流I_e＝2000A时，二次绕组电流I_e2＝1000A。气隙电抗器DK运行，主断路器DL－1、备用断路器DL－2均处于合闸位置，由于要求气隙电抗器DK在正常时所呈现的阻抗很小，使得主电抗器B的二次绕组N₂近乎在短路状态运行，在本例中，额定电压为500kV，一次侧的感应电压U₀＝3.25kV，约占额定电压500kV的千分之6.5，电力用户可以正常运行。

所述主电抗器B，其结构为双绕组的单相或三相变压器体，并配置一台有载电压的分接开关FK，分接开关型号为英国MR公司的V型，或是长征电器一厂生产的ZY1A(m)，由于该变压器的一次绕组是直接串联接入500kV电压等级的主供电回路，即第Ⅰ回路之中，因此要求线圈能够随相应电压等级的绝缘能力外，还要求线圈是有抗击巨大短路时电动力的水平，因为在60kA大短路电流作用下，绕组匝间极易发生变形，因此需要对变压器的一次、二次绕组进行用绝缘材料加装固定装置，或者是使用环氧复合材料整体浇注的方法，以确保线圈的抗短路时电动力冲击的能力。所述主电抗器B的铁芯为导磁性能良好的(相对导磁率μr>1000)硅钢片叠装而成，电抗变压器的线圈采用铜导线、铜铝合金导线或铝导线绕制。如果耐压绝缘要求为初级绕组500kV/次级绕组500kV，300000kVA，初级绕组N₁线圈工作电压75kV，可以选择保定天威变压器厂生产的型号：SFP-300000/500变压器，或者是具有大型电炉变压器生产经验的厂家。

本例的气隙电抗器DK由于应用于500kV的高压电网中，冲击电流量值大，又必须在短路后交流正弦波的第一个周波即10ms内将变压器的一次侧U₁快速抬高到一个较大的量值，这就需要气隙电抗器DK在瞬间能有一个阻抗值的突变增加，本例采用的弹簧式气隙型的电抗器，就可以满足这种要求，如图4所示，气隙电抗器正常工作时，由于弹簧1-4拉力大于由于负荷电流所产生的电磁吸引力而使活动铁芯1-1、固定铁芯1-2处于气隙δ＝3cm～10cm左右间距位置的距离(由于间隙的存在，相对导磁率μr减小，U₃变小，)，而当短路电流流过气隙电抗器DK线圈时，电流增大，瞬间产生强大的电磁吸力使动、静铁芯克服弹簧弹力而闭合，铁芯闭合后总导磁率μr将增加几十倍至一百多倍，使U₃急剧增大。

一般高达几吨或者几十吨的电磁引力即可使活动铁芯1－1产生约8～10m/秒的初速度，这个速度足以使铁芯在5ms内运动3～5厘米，正好满足了要求在交流电正弦波的第一个周波的上半波10ms之内串入电抗器的要求。

本例中主断路器DL－1发挥的作用是在10～20ms左右，在短路故障发生的同时，由检测控制回路已将故障信息送达主断路器DL－1，使该断路器跳闸，由前述可知，该主断路器DL－1的灭弧时间仍需要10～20ms。如果选择电压等级选取500kV，额定电流2500A，开断电流63kV，该主断路器DL-1查阅产品手册后可选择西安高压开关厂的500kV/2500A，型号为LW₁₂-500的六氟化硫断路器。该主断路器DL－1还可以选用油断路器或真空断路器。

除了主断路器DL－1外，本例还配置了备用断路器DL－2，其作用是当短路故障发生时如果检测控制回路无法将主断路器DL－1断开，为保证装置的高可靠性，在第Ⅱ回路中又安装了次级绕组N₂侧电流互感器CT－2，即只要在主电抗器B二次侧绕组中有感应的短路电流，则继续向备用断路器DL－2发出跳闸指令，使备用断路器DL－2断开，从而确保主电抗器B次级线圈在短路故障发生时开断。考虑到产品的差异性，备用断路器DL－2应选择不同厂家的不同型号，且两个断路器跳闸的控制信号也应分别取自不同的互感器，在实际使用过程中也有可能是两个断路器同时跳闸，这也正是本发明所要求的结果。

在防止主断路器DL－1、备用断路器DL－2误动作的措施中，本实施例还采用了高抗电抗器GDK作为第Ⅲ回路的限压装置，如果主断路器DL－1或备用断路器DL－2因故误动作跳闸(此时并未发生短路故障)，若此时负荷电流很大，如超过2600A，即可能会使U₁由3.25kV大大超过50kV的电压水平，从而影响用户的供电，为保证供电用户端电压在±10％内波动，第Ⅲ回路上的高抗电抗器GDK阻值的大小以在负载下运行的额定电流Ie时，主断路器DL－1误动时，确保U₁值不大于10％的Ue为准。本例中取经验数据X_GDK＝15×X_DK，其中：X_GDK为高抗电抗器GDK的电抗值，X_DK为气隙电抗器DK的电抗值。

当短路故障消失后，短路电流随即消失，只有正常的额定电流Ie从变压器的初级绕组N₁流过，此时检测控制回路不输出跳闸信号，由人工控制或者重合闸装置将主断路器DL－1、备用断路器DL－2分别合闸，装置又处于正常运行状态。

从上述描述可知，本限流装置实质是一个升压器，因为短路故障的本质是电压的瞬间跌落而造成的巨大的短路电流，而电网中能量是守恒的，它不能瞬间消失，只能由一种状态转换为另一种状态，电压突然跌落减少，功率不变，P＝IU，若要维持P不变，电流只能迅速增大，若要恢复到原来的状态，就必须重新建立起电压，才能减小短路电流，因此，本限流装置实质是电压恢复装置。

实施例二，如图2、图3～6所示，本实施例的基本结构与例一相同，不同之处仅在于用快速熔断器RD替代备用断路器DL－2；本装置应用于60万千瓦的大型发电机组的短路保护。

Claims (9)

1.一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置，具有20～500kV的交流母线，送电馈线上依次接有馈线断路器(DL)、馈线电流互感器(CT－1)和两个隔离开关(GL)，其特征在于：在馈线的两个隔离开关(GL)之间串入一个可变电抗限流器，该可变电抗限流器包括由铁芯体、初级绕组(N₁)和次级绕组(N₂)组成的主电抗器(B)、气隙电抗器(DK)、主断路器(DL－1)和高抗电抗器(GDK)，其中，初级绕组(N₁)串接于馈线之中，为第Ⅰ回路；次级绕组(N₂)与气隙电抗器(DK)和主断路器(DL－1)构成第Ⅱ回路；并联于次级绕组(N₂)两端的高抗电抗器(GDK)构成第Ⅲ回路；同时，由馈线电流互感器(CT－1)、次级绕组(N₂)侧电流互感器(CT－2)和安装于变电所中的继电保护控制系统构成检测控制回路。

2.根据权利要求1所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：在第Ⅱ回路中，主断路器(DL－1)与次级绕组(N₂)末端之间还串入备用断路器(DL－2)。

3.根据权利要求1所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：在第Ⅱ回路中，主断路器(DL－1)与次级绕组(N₂)末端之间还串入快速熔断器(RD)。

4.根据权利要求1或2或3所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述初级绕组(N₁)与出线侧隔离开关(GL)之间串入有载分接开关(FK)。

5.根据权利要求4所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述气隙电抗器(DK)包括绕有线圈(1－3)的固定铁芯(1－2)，该固定铁芯呈回字形，两竖直侧臂之间设有平行的滑动锁扣(1－6)，在固定铁芯的一侧臂上通过转轴(1－5)销接活动铁芯(1－1)，活动铁芯的活动端正对另一侧臂的端面并在常态保持间隙δ，在活动铁芯(1－1)与滑动锁扣(1－6)之间设有弹簧(1－4)，滑动锁扣(1－6)上还装有橡胶垫块(1-7)。

6.根据权利要求5所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述间隙δ控制在30～100mm。

7.根据权利要求1所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述主断路器(DL－1)为六氟化硫高压断路器、油断路器或真空断路器。

8.根据权利要求3所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述快速熔断器(RD)为雷管式快速熔断器，动作时间为1～5ms。

9.根据权利要求1所述的交流电网中自动限制短路故障电流的装置，其特征在于：所述高抗电抗器(GDK)为高阻抗带气隙的电抗器，其电抗阻值为气隙电抗器(DK)上限值的10～20倍。