CN218005872U - 基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电力系统限流技术领域，特别涉及一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，包括在110kV系统的A、B、C三相中分别串接深度限流主回路，深度限流主回路包括并联在K1端和K2端之间的快速断路器、深度限流电抗器和断口陡波吸收器；快速断路器为基于涡流斥力操作机构快速断路器，所述快速断路器上串联有短路CT模块；深度限流电抗器和断口陡波吸收器并联后与返回电流CT模块串接；短路CT模块和返回电流CT模块均连接至内置测控模块；基于专有的双断口涡流斥力操作机构快速断路器技术，通过特殊布置方式，将专有设计的分压取电、电流传感器、控制装置、限流电抗器技术优化组合，形成了一种节能型110kV无损耗深度限流方案。

Description

基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置

技术领域

本实用新型涉及电力系统限流技术领域，特别涉及一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置。

背景技术

当前，随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，对电力的需求也提出了更高的要求，电力负荷节节攀升，电力系统负荷超标现象也越来越严重。电力系统发生短路故障时，短路电流一般为额定电流的十几倍，这给变压器、发电机、断路器、输电线路等电气设备造成很大危害，随着用电负荷大举攀升，主变压器容量也相应增大，各企业电网系统面临短路电流已经接近和达到负载使用极限，负载侧真空断路器开断容量不足、变压器抗短路电流冲击能力设计不足等问题，严重威胁着企业安全运行。

在110kV系统母线短路电流接近甚至超过原设计水平，系统有时会运行在其设计预留的安全臃余区间，这给电力变压器、断路器等的安全性带来运行威胁。更为严重的是，抗短路能力超过原设计的电流水平，使得110kV及电压以上大型变压器等电力设备，因外部短路导致严重损坏的事故时有发生，给企业带来重大经济损失，社会影响巨大。此外，大型变电站往往建造在地理条件苛刻的山区，空间有限，只有在110kV电压水平实施限流综合效益最好。

在110kV超高压领域，目前还没有无损耗快速深度限流方法及装置。

现有一般采用普通串联限流电抗器，没有从根本上解决限流深度问题(电抗率均在百分之十几左右)，同时带来了有功无功损耗、母线压降、漏磁场等弊病，系统发生短路时由于限流深度不够，不能有效的保护发电机、变压器等主要电气设备，在巨大的短路电流冲击下产生绕组变形而损坏，灾难性事故发生。

采用长期串联限流电抗器限流存在如下不足：

1、由于限流电抗器串联在主回路中，这必将加大线路电压降，甚至影响系统的暂态稳定和动态稳定性。

2、限流电抗器多为空心电抗器，正常运行时产生的漏磁场不仅会恶化周围设备的电磁环境，导致通讯系统异常或继电保护不正常动作，而且漏磁场还将造成附近金属构架或金属壳体的附加涡流发热损耗。

3、也有采用高阻抗变压器来限制短路电流的，与串联限流电抗器相比没有什么大的区别，同样存在电能损耗和电压降落的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的就是提供一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110KV深度限流装置，实现深度限流的无损耗。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，包括在110kV系统的A、B、C三相中分别串接深度限流主回路，所述深度限流主回路包括并联在K1端和K2端之间的快速断路器、深度限流电抗器和断口陡波吸收器；

所述快速断路器为基于涡流斥力操作机构快速断路器，所述快速断路器上串联有短路CT模块；

所述深度限流电抗器和断口陡波吸收器并联后与返回电流CT模块串接；

所述短路CT模块和返回电流CT模块均连接至内置测控模块；

其中，110kV系统正常运行时，所述快速断路器处于合闸状态，K1端与K2端之间处于短路状态；

当110kV系统短路时，所述短路CT模块采集故障信号，通过内置测控模块运算判断后，控制快速断路器分闸，投入深度限流电抗器和断口陡波吸收器进行深度限流，

所述返回电流CT模块检测短路故障切除后的电流，并通过内置测控模块运算判断后，控制快速断路器合闸，深度限流电抗器和断口陡波吸收器退出，系统恢复运行。

在进一步的技术方案中，所述短路CT模块采用罗氏线圈，所述返回电流CT模块采用含有铁芯的普通电流互感器。

在进一步的技术方案中，所述快速断路器的壳架设有110kV控制和通讯光纤接口，深度限流的控制信号和运行参数以及远方操控通过110kV光纤接口进出，实行A、B、C三相应答和联动或供上位机远方控制。

在进一步的技术方案中，所述深度限流主回路采取自供电方式，由分段式电容取电电压互感器组合从中段取出控制电源。

在进一步的技术方案中，所述的分段式电容取电电压互感器组合、快速断路器、深度限流电抗器、断口陡波吸收器、短路CT模块和返回电流CT模块均装设于下有支撑绝缘子的支撑上，所述支撑再装到支撑铁架上以调整各自高度，以保证主元件在统一的架空高度上。

在进一步的技术方案中，所述快速断路器的等电位机壳内还装设有高能蓄电池作为后备电源，用于110kV系统失电或日常检修调试使用。

与现有技术相比，本实用新型具有以下技术效果：

本实用新型基于专有的双断口涡流斥力操作机构快速断路器技术，通过特殊布置方式，将专有设计的分压取电、电流传感器、控制装置、限流电抗器等技术优化组合，形成了一种节能型110kV无损耗深度限流方案。

附图说明

图1示出为本实用新型提供的一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流的组成示意图；

图2示出为本实用新型提供的一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流平面布置方案示意图；

图3示出为本实用新型中的绝缘方案示意图；

图4示出为本实用新型中等电位操控平台布置方案示意图；

图5示出为本实用新型中分段式电容取电电压互感器组合示意图；

图6示出为本实用新型中分段式电容取电电压互感器和等电位平台的示意图；

图7示出为本实用新型中涡流斥力机构的示意图；

图8示出为本实用新型中基于涡流斥力操作机构快速断路器构成及原理示意图；

图9示出为本实用新型提供的一种双断口涡流斥力操作机构快速断路器结构示意图。

图中标号说明：1、快速断路器；2、深度限流电抗器；3、断口陡波吸收器；4、短路CT模块；5、返回电流CT模块；6、内置测控模块；7、分段式电容取电电压互感器组合；8、户外型固封极柱；9、涡流斥力操作及保持机构；10、断路器壳架；11、驱动摆杆；12、绝缘拉杆；13、合闸缓冲和触头压力保持器；14、储能电容；15、高能蓄电池；16、户外型洛克CT和母线组合；17、快速断路器测控部分；18、控制和通讯光纤出口；19、真空灭弧室；191、动触头；192、静触头；20、软连接；22、驱动顶杆；23、调节拉杆；30、双稳态永磁保持机构；301、分闸保持磁铁；302、合闸保持磁铁；303、保持铁芯；31、涡流斥力操动机构；311、合闸线圈；312、分闸线圈；313、涡流驱动盘；32、储能模块；321、合闸控制开关；322、分闸控制开关；323、合闸储能电容；324、分闸储能电容；325、充电电源。

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体附图，进一步阐明本实用新型。

如前所述，结合图1所示，本实用新型提供了一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，包括在110kV系统的A、B、C三相中分别串接深度限流主回路，所述深度限流主回路包括并联在K1端和K2端之间的快速断路器1、深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3；

所述快速断路器1为基于涡流斥力操作机构快速断路器，所述快速断路器1上串联有短路CT模块4；

所述深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3并联后与返回电流CT模块5串接；

所述短路CT模块4和返回电流CT模块5均连接至内置测控模块6；所述短路CT模块4和返回电流CT模块5负责状态电流采集；

其中，110kV系统正常运行时，所述快速断路器1处于合闸状态，由于并联的快速断路器1、深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3使得K1端与K2端之间处于短路状态；此时，110kV系统无损耗运行，节能。

当110kV系统短路时，所述短路CT模块4采集故障信号，通过内置测控模块6运算判断后，控制快速断路器1分闸，投入深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3进行深度限流，此时，深度限流电抗器2抑制故障电流，可在首半波快速深度限制短路电流；

所述断口陡波吸收器3可在快速断路器1分闸瞬间，抑制快速断路器断口间的瞬态恢复电压上升率，保证可靠熄弧，保障设备安全；

所述返回电流CT模块5检测短路故障切除后的电流，并通过内置测控6模块运算判断后，控制快速断路器1合闸，深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3退出，系统恢复运行。

本实用新型中，通过合理配置深度限流电抗器和110kV系统阻抗比例，串入深度限流装置可将系统预期短路电流降至原有值的30％以下，限流深度达到70％。

本实用新型中，内置测控模块6置于快速断路器1内，110kV系统的A、B、C三相，各相单独测量信号，各相单独实施保护。

根据本实用新型提供的装置，本实用新型中，所述短路CT模块4采用罗氏线圈，所述返回电流CT模块5采用含有铁芯的普通电流互感器。

在短路CT模块4中，因其没有铁芯，无磁滞效应，几乎为零的相位误差，不存在铁芯饱和现象，适合直接测量很大的短路电流。

本实用新型中，所述快速断路器1的壳架设有110kV控制和通讯光纤接口，深度限流的控制信号和运行参数以及远方操控通过110kV光纤接口进出，实行A、B、C三相应答和联动或供上位机远方控制。

本实用新型中，考虑到系统属于超高压，为了简化二次控制回路的绝缘，所述深度限流主回路采取自供电方式，由分段式电容取电电压互感器组合7从中段取出控制电源。

进一步的，所述的分段式电容取电电压互感器组合7、快速断路器1、深度限流电抗器2、断口陡波吸收器3、短路CT模块4和返回电流CT模块5均装设于下有支撑绝缘子的支撑上，所述支撑再装到支撑铁架上以调整各自高度，以保证主元件在统一的架空高度上，对地绝缘按110kV标准设计。

进一步的，本实用新型中，所述快速断路器1的等电位机壳内还装设有高能蓄电池15作为后备电源，用于110kV系统失电或日常检修调试使用。

在本实用新型的一个具体的实施例中，考虑到110kV系统的运行习惯，以及安装、检修维护的便捷，特别是尽可能的照顾现场场地环境，留有调整余地。本实用新型中110kV深度限流采取A、B、C三相独立成组，成“川”字型布置，每相各主要元器件采用独立元件，各自对地绝缘，平面布置方式见图2。

110kV深度限流每相主回路由分段式电容取电电压互感器组合7、快速断路器1、深度限流电抗器2、断口陡波吸收器3、短路CT模块4和返回电流CT模块5等一次元器件组合而成，分别独立的A、B、C三相再成组，构成本110kV深度限流系统。

在每一相中，个独立元件之间主回路用110kV高压电缆连接，连接方式见图2，其中快速断路器1、深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3并联。

组成110kV深度限流的主回路分段式电容取电电压互感器组合7、快速断路器1、深度限流电抗器2、断口陡波吸收器3、短路CT模块4和返回电流CT模块5等一次元器件，均装设于下有支撑绝缘子的支撑上，支撑再装到支撑铁架上调整各自高度，以保证主元件在统一的架空高度上，对地绝缘按110kV标准设计。见图3。

110kV深度限流系统A、B、C三相，各相单独测量信号，实施保护，各相内置测控系统置于该相快速断路器断路器壳架内，其控制信号和运行参数、以及远方操控通过110kV光纤口进出，供上位机实行A、B、C三相联动或远方控制。

考虑到系统属于超高压，为了简化二次控制回路的绝缘，本110kV深度限流控制回路采取自供电方式，由本方案独特的分段式电容取电电压互感器组合7从中段取出控制电源，控制电源和快速断路器壳架之间形成一个等电位平台(图4)，内置测控模块6置于快速断路器1壳架内，这样将所有的二次控制部分限制在一个等电位区间，和110kV线路形成一个35kV压差，这个区间和110kV线路的绝缘按35kV标准设计；快速断路器壳架内置测控系统置于快速断路器1内，其控制信号和运行参数、以及远方操控通过110kV光纤口进出，供上位机实行A、B、C三相联动或远方控制。等电位平台对地绝缘按110kV标准设计。

110kV深度限流的快速断路器采用双断口，由于断口并接深度限流电抗器2、断口陡波吸收器3，因此，由于钳位作用快速断路器采用双断口的绝缘按70kV标准设计。

本方案独特的控制电源取得和快速断路器壳架之间形成一个等电位平台(见图4)，控制电源从分段式电容取电电压互感器组合7从中段取出，2段电容按35:75的比例配比进行分压取电，控制电源取电点和110kV线路形成一个35kV压差，取电点对地电压为(110-35)kV；如果取电点和110kV线路故障短路，则取电点对地绝缘为110kV标准。分段式电容取电电压互感器组合7中部取出200V 100VA控制电源，在等电位区间，供本方案设备作为控制保护电源使用，分段式电容取电电压互感器组合7可从底部取出控制保护所用的电压信号，供其他的控制保护所用，具体见图5、图6：

后备电源：分段式电容取电电压互感器组合7中部取出控制电源，在等电位区间，在供本方案设备作为控制保护电源使用的同时，还给快速断路器1等电位机壳内还装设高能蓄电池15充电，作为110kV失电或日常检修调试使用。

请参阅图7所示为本实用新型中提供的涡流斥力操作机构，其具有结构简单、机械延迟时间短、初始运动速度快的特点，能良好匹配快速断路器的速度需求，图7中C为储能电容，U为充电电压，K为开关，F为电磁斥力。

其基本原理是：预充电的电容器向驱动线圈放电,在线圈中产生脉冲电流，脉冲电流使线圈周围产生交变磁场,并在金属盘上产生反向的感应涡流,涡流产生的磁场与线圈电流产生的磁场相互作用产生电磁力,带动传动杆以及灭弧室触头运动,实现开关的分合闸操作。它具有结构简单、机械延迟时间短、初始运动速度快的特点。

请参阅图9为本实用新型中基于涡流斥力操作机构快速断路器的构成；本实用新型采用Y型布置的多断口断路器主要由户外型固封极柱8、涡流斥力操作及保持机构9、断路器壳架10、驱动摆杆11、绝缘拉杆12、合闸缓冲和触头压力保持器13、储能电容14、高能蓄电池15、户外型洛克CT和母线组合16、快速断路器测控部分17、控制和通讯光纤出口18等部分组成。

一次导电系统：2只分别置于2个户外固封极柱8内的真空灭弧室19，由软连接20、户外型洛克CT和母线组合16构成。通过真空灭弧室19里的动触头191的分合运动，来控制110kV主回路的直接导通或断开，从而达到深度限流电抗器2和断口陡波吸收器3投入、退出，实现深度限流；户外型洛克CT 21用于采集短路电流供操控装置使用。

传动机构：由2套Y型布置的绝缘拉杆12、合闸缓冲和触头压力保持器13、调节拉杆23、驱动摆杆11构成，驱动摆杆11在驱动顶杆22驱动下，带动传动机构，联动真空灭弧室19里的动触头191的分合运动，实现快速断路器1的分合操作。

双断口同步运动可以成倍减小各分断口距离，减小机械惯量，成倍增加合分闸的动作响应速度，减少动作时间，实现快速合分闸。此外分闸时，双断口可以在相同的时间内成倍的加大断路器的断口距离，快速灭弧，保证快分的完成。

Y型布置可以最大限度的保证真空灭弧室各断口的同步性，提升断路器断口动作的一致性，分压一致性，达到断路器的最佳机械特性匹配。

操动机构：双稳态永磁保持机构30、涡流斥力操动机构31、驱动顶杆22、储能模块32组合而成，由储能模块32提供能量。双稳态永磁保持机构30包含分闸保持磁铁301、合闸保持磁铁302、保持铁芯303；涡流斥力操动机构31包含合闸线圈311、分闸线圈312、涡流驱动盘313(导电性能优越的金属材料制成)；储能模块32提供能量包含合闸控制开关321、分闸控制开关322、合闸储能电容323、分闸储能电容324、充电电源325。其中的驱动顶杆22、保持铁芯303、涡流驱动盘313组合成一个刚性的整体，同步运动，驱动传动机构。

工作原理：

以合闸为例：当内置操控发出合闸命令时，储能模块32组合的合闸控制开关导通，合闸储能电容323与合闸线圈311之间导通形成放电回路，合闸线圈311产生瞬变磁场，磁场穿过紧挨合闸线圈311的涡流驱动盘313，涡流驱动盘313产生反向涡流，涡流产生的磁场与线圈电流产生的磁场相互作用产生电磁力,克服分闸保持磁铁301的保持力，同时产生很大的加速度带动涡流驱动盘313向下运动；涡流驱动盘313与驱动顶杆22和保持铁芯303组合成一个刚性的整体同步运动，使得驱动顶杆22同时带动2边的驱动摆杆11沿着支点转动，从而带动2边的驱动顶杆22向上运动，驱动合闸缓冲和触头压力保持器13、绝缘拉杆12一起向上运动，绝缘拉杆12与真空灭弧室19里的动触头191连接在一起，推动动触头191向上与静触头192闭合，压到一起，一次回路导通。本专利快速断路器1分闸时间可达到＜4ms、合闸时间可达到＜18ms。

由于，保持铁芯303与驱动顶杆22组装在一起，此时保持铁芯303同步运动，保持铁芯303从分闸保持磁铁301处脱开，到达下面的合闸保持磁铁302处，被合闸保持磁铁302捕捉，牢牢的吸附在合闸位置，同时产生必要的触头压力，完成合闸操作。

分闸操作依然，运动反向，不再累述。

合闸缓冲和触头压力保持器13：内部装有匹配的弹簧系统，用于合闸缓冲和维持动静触头之间的压力，保证安全运行。

绝缘拉杆12对断路器壳架维持等电位分压，2个绝缘拉杆12串联组合维持断路器断口耐压。

请参阅图9为本实用新型提供的一种双断口涡流斥力操作机构快速断路器结构，其具体是由单机构驱动Y型布置的传动机构，驱动2个户外固封极柱8内的真空灭弧室19，实现断路器的分合。

户外固封极柱8的2个上接线端作为110kV的进出线端子，户外固封极柱8下接线端子由户外型洛克CT和母线组合16短接到一起，构成双断口一次回路。户外型洛克CT用于采集短路电流供操控装置使用。

户外固封极柱8内和断路器壳架上下布置，绝缘拉杆12对断路器壳架维持等电位分压，便于等电位操控平台的分压；串联组合的2套真空灭弧室19、绝缘拉杆12和传动机构维持断路器断口耐压。

双稳态永磁保持机构30、涡流斥力操动机构31、储能模块32、高能蓄电池15、快速断路器测控部分17、储能电容14等内置与按户外标准设计的断路器壳架10内，构成等位操作平台。

断路器壳架10设有110kV控制和通讯光纤接口，深度限流的控制信号和运行参数、以及远方操控通过110kV光纤口进出，实行A、B、C三相应答和联动或供上位机远方控制。

等电位机壳内还装设高能蓄电池15充电，作为后备电源，为110kV失电或日常检修调试提供能量使用。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的特点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型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说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型的范围内。本实用新型要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，包括在110kV系统的A、B、C三相中分别串接深度限流主回路，所述深度限流主回路包括并联在K1端和K2端之间的快速断路器、深度限流电抗器和断口陡波吸收器；

所述快速断路器为基于涡流斥力操作机构快速断路器，所述快速断路器上串联有短路CT模块；

所述深度限流电抗器和断口陡波吸收器并联后与返回电流CT模块串接；

所述短路CT模块和返回电流CT模块均连接至内置测控模块；

其中，110kV系统正常运行时，所述快速断路器处于合闸状态，K1端与K2端之间处于短路状态；

当110kV系统短路时，所述短路CT模块采集故障信号，通过内置测控模块运算判断后，控制快速断路器分闸，投入深度限流电抗器和断口陡波吸收器进行深度限流，

所述返回电流CT模块检测短路故障切除后的电流，并通过内置测控模块运算判断后，控制快速断路器合闸，深度限流电抗器和断口陡波吸收器退出，系统恢复运行。

2.根据权利要求1所述的基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，所述短路CT模块采用罗氏线圈，所述返回电流CT模块采用含有铁芯的普通电流互感器。

3.根据权利要求1所述的基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，所述快速断路器的壳架设有110kV控制和通讯光纤接口，深度限流的控制信号和运行参数以及远方操控通过110kV光纤接口进出，实行A、B、C三相应答和联动或供上位机远方控制。

4.根据权利要求1所述的基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，所述深度限流主回路采取自供电方式，由分段式电容取电电压互感器组合从中段取出控制电源。

5.根据权利要求4所述的基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，所述的分段式电容取电电压互感器组合、快速断路器、深度限流电抗器、断口陡波吸收器、短路CT模块和返回电流CT模块均装设于下有支撑绝缘子的支撑上，所述支撑再装到支撑铁架上以调整各自高度，以保证主元件在统一的架空高度上。

6.根据权利要求4所述的基于涡流斥力操作机构快速断路器的110kV深度限流装置，其特征在于，所述快速断路器的等电位机壳内还装设有高能蓄电池作为后备电源，用于110kV系统失电或日常检修调试使用。

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