零損耗深度限流裝置的優(yōu)化與運用

程艷兵，汪志鵬，祁福

(1.江西銅業(yè)集團公司武山銅礦，江西瑞昌 332204;2.江西銅業(yè)集團公司材料設(shè)備公司，江西貴溪 335424; 3.安徽恒凱電力保護設(shè)備有限公司，安徽合肥 230088)

零損耗深度限流裝置的優(yōu)化與運用

程艷兵1，汪志鵬2，祁福3

(1.江西銅業(yè)集團公司武山銅礦，江西瑞昌 332204;2.江西銅業(yè)集團公司材料設(shè)備公司，江西貴溪 335424; 3.安徽恒凱電力保護設(shè)備有限公司，安徽合肥 230088)

電力系統(tǒng)中，由于主變的擴容，主變?nèi)萘吭黾?，隨之帶來了系統(tǒng)短路電流的增加、斷路器開斷能力不足、系統(tǒng)動、熱穩(wěn)定不夠等一系列問題。為了解決上述問題，設(shè)計時在主變下方加裝限流電抗器以降低系統(tǒng)的三相短路電流，確保廠用電系統(tǒng)發(fā)生短路時，斷路器能可靠切斷故障。ZLB型零損耗深度限流裝置，在系統(tǒng)無短路電流故障發(fā)生時，電抗器阻抗很小——零損耗;在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電抗器阻抗很大——深度限流;系統(tǒng)短路故障切除后，裝置立即返回原工作狀態(tài)。

斷路器;短路故障;電抗器阻抗;零損耗;深度限流;開斷能力

1 引言

眾所周知，電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流一般為額定電流的十幾倍，這給變壓器、發(fā)電機、斷路器、輸電線路等電氣設(shè)備造成很大危害，而目前較為經(jīng)濟實用的真空斷路器［1］的開斷能力均在40KA以下，開斷時間需要幾十個毫秒。隨著各類型用電企業(yè)的發(fā)展壯大，用電負荷大舉攀升，主變壓器容量也相應(yīng)增大，各企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)面臨短路電流已經(jīng)接近和達到負載真空斷路器開斷容量，真空斷路器開斷容量不足、變壓器抗短路電流沖擊能力設(shè)計不足等問題，嚴重威脅著企業(yè)安全運行。面臨越來越嚴重的短路電流超標問題，很多企業(yè)采用高阻抗變壓器限制系統(tǒng)短路電流。但變壓器加大阻抗沒有最終解決限流深度問題，電動力減少甚微，還帶來了有功無功損耗，投資成本上升。采用普通串聯(lián)限流電抗器也沒有從根本上解決限流深度問題(限流深度均在百分之十幾左右)，同時帶來了有功無功損耗、母線壓降、漏磁場等弊病，系統(tǒng)發(fā)生短路時由于限流深度不夠，不能有效的保護發(fā)電機、變壓器等主要電氣設(shè)備，在巨大的短路電流沖擊下產(chǎn)生繞組變形而損壞，災(zāi)難性事故發(fā)生。

目前市場上使用的爆炸型大容量高速開斷裝置［2］和電抗器并聯(lián)運行［3］，雖然解決了電抗器有功無功損耗、電壓降、漏磁場問題，但是當發(fā)生短路故障后其一次元器件動作，電抗器投入運行工作并沒有解決限流深度問題。該類型裝置需要更換新的備件，方可重新投入運行。企業(yè)運行費用不僅增加，而且增加了安裝柜體的空間及電抗器裝置之間的母線連接，人為的設(shè)置了故障隱患點。

因而開發(fā)一種能快速、可靠的深度限制短路電流的電抗器［4］，這不僅對電力系統(tǒng)安全、可靠的運行顯得十分重要，而且對降低電氣設(shè)備使用廠家的設(shè)備成本也有著十分重要的意義。為滿足電力系統(tǒng)對短路保護的需求，安徽恒凱電力保護設(shè)備有限公司研發(fā)了零損耗深度限流裝置(ZLB)，它可在短路電流的初始階段，快速投入深度限流電抗器，即將短路電流限制在可靠的范圍內(nèi)，從而達到了保護配電設(shè)備及供電線路的目的。

2 關(guān)鍵詞定義

限流比、限流深度

系統(tǒng)電壓:U系統(tǒng)原有阻抗:X1深度限流裝置的阻抗X

串入深度限流裝置后系統(tǒng)的總阻抗為X2

圖1 供電一次系統(tǒng)圖

假設(shè)與5臺FSR并聯(lián)的限流電抗器限流10kA則

由于流向短路點的短路電流超過50kA，這樣對斷路器的開斷容量要求就比較高。系統(tǒng)如果要安全運行，必需降低流向短路點的短路電流，才能選用合適的斷路器進行開斷。若線路斷路器的額定短路開斷電流為31.5kA，為了增加開斷的可靠性，將系統(tǒng)總的短路電流限制到斷路器額定開斷容量的80%，即31.5×0.8=25kA，則需將主變提供的短路電流降低到IK1＇=25kA－10kA=15kA，這樣斷路器才能安全的開斷短路點的電流。

此方案在從根本上解決了，斷路器的開斷容量不足，電抗器限流深度等問題。

3 ZLB工作原理

本裝置通過羅克線圈，監(jiān)視系統(tǒng)電流，當短路電流大于設(shè)定的幅值，高速DCP通過專用算法，快速精確的預(yù)測出三相電流過零點的精確時間，分別在每相電流過零之前發(fā)出信號。

高速開關(guān)在電流接近過零點時三相分別準確分閘開斷，短路電流換流進入深限流電抗器中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低。測控單元向后臺發(fā)出動作指示信號。

本裝置可在7～15ms內(nèi)可將短路電流限制在原幅值50%以下，使系統(tǒng)所受到的短路沖擊大大降低，保護系統(tǒng)內(nèi)變壓器發(fā)電機等電氣設(shè)備，同時提高了短路點負載真空斷路器使用壽命，保證了系統(tǒng)的安全運行。短路故障切除后，測控單元自動檢測母線電壓回升立即給高速開關(guān)發(fā)出合閘命令，深限流電抗器退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運行。

4 采用零損耗深度限流裝置的優(yōu)點

4.1 大容量高速開關(guān)與深度限流裝置的比較

表1 大容量高速開關(guān)與深度限流裝置優(yōu)缺點的比較

4.2 提高了供電的可靠性

在廠用系統(tǒng)正常運行時，電抗器使得母線上電壓降低;而在最大電動機啟停時，將使電壓波動加劇，帶來晃電問題，提高了供電的可靠性。

4.3 減少了電抗器的功耗

在正常運行時，運行電流通過電抗器上時會產(chǎn)生大量的能量損耗。僅有功損耗可能會有近十萬元，無功損耗更大?？招碾娍蛊鲝姶蟮穆┐艌鰧炷恋挠绊懠皩νㄓ嵉母蓴_。樓板或基礎(chǔ)混凝土中的鋼筋在強大的漏磁場作用下，產(chǎn)生附加損耗，而且在長期的震動下，將使混凝土松軟，影響混凝土基礎(chǔ)和廠房的壽命。強大的漏磁場將使通訊系統(tǒng)及計算機監(jiān)控系統(tǒng)受到嚴重干擾，甚至無法正常工作［5］。

4.4 動作速度快

ZLB 裝置能在系統(tǒng)發(fā)生短路的7～15ms內(nèi)將短路電流開斷，深度限流電抗器將短路電流將至50%以下。短路保護裝置的開斷時間有四部分組成;監(jiān)控單元采樣、計算、發(fā)出動作命令時間;專用斷路器固有分閘時間;熄弧時間;短路電流換流進入深限流電抗器時間。一般微機保護采樣需要一個周波20ms;快速FFT計算及發(fā)出命令需30ms;普通斷路器固有分閘時間需50ms以上;開斷后熄弧時間達十幾毫秒左右;電流才能通過零熄弧。故其需要100ms左右方能切斷短路電流。長時間的短路電流對變壓器、母線、開關(guān)和發(fā)電機等設(shè)備的動、熱穩(wěn)定有著極高的要求。ZLB裝置中使用高速渦流驅(qū)動開關(guān)［6］，能實現(xiàn)5ms以內(nèi)分閘，10ms合閘。同時測控單元使用高精度、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，不斷對系統(tǒng)電流進行檢測，當電流大于設(shè)定值，通過高速DSP技術(shù)和專用算法，在2ms內(nèi)快速計算短路電流及電流過零點的精確時刻，并在過零點之前發(fā)生動作信號，驅(qū)動開關(guān)在過零點之前切斷電路，確保熄弧時間最短，在7～15ms內(nèi)將短路電流換入深度限流電抗器中。

4.5 開斷能力強

ZLB裝置中的進口開關(guān)為三相獨立動作，利用對觸頭剛分時間的合理控制，確保各相動作均為臨界過零開斷，使熄弧時間最小。大大增加了滅弧室的開斷余量，短路開斷能力可輕松達到80kA。

4.6 限流電抗器限流效果好

ZLB裝置中深度限流電抗器由于正常運行時，無電流通過。從而無能損耗，無壓降，同時也不會產(chǎn)生漏磁場。只有在短路發(fā)生時投入工作，電抗值可根據(jù)系統(tǒng)需要，將短路電流限制在預(yù)期短路電流的50%以下，從而在發(fā)生短路的過程中將短路電流大大降低，變壓器免受巨大的短路電流沖擊，系統(tǒng)內(nèi)斷路器開斷能力也相應(yīng)降低。

4.7 使用壽命長

ZLB裝置中的開關(guān)使用高速渦流驅(qū)動機構(gòu)，比普通斷路器所使用的彈簧操作機構(gòu)運動部件減少80%，且使用簡單的直線運動，沒有復(fù)雜的傳動機構(gòu)，磨損極小，機械壽命及可靠性大大提高，同時，本裝置系過零點開斷，熄弧期間的燃弧量不到普通斷路器的10%，開斷容量大大提高，觸頭燒灼小，其觸頭電壽命呈級數(shù)上升，深度限流電抗器無短路發(fā)生時，處于零損耗，不發(fā)熱、無電壓降，使用壽命長。

4.8 性能高可靠

ZLB裝置核心部件均為國外生產(chǎn)，即使在強電磁干擾環(huán)境下，仍能可靠運行。同時，電子控制器帶有實時自檢功能，確保其始終可靠運行，各功能信息均能通過通訊發(fā)送后臺報警監(jiān)控。

4.9 動作分散度小

由于大幅度的縮短了合閘時間并配置了直接驅(qū)動的高速渦流驅(qū)動機構(gòu)，合閘分散度可以控制在0.1ms以內(nèi)。

4.10 合閘無反彈

根據(jù)現(xiàn)場情況，可以加裝防觸頭撞擊裝置，確保合閘無反彈。

5 零損耗深度限流裝置的工作原理

本裝置通過羅克線圈，監(jiān)視系統(tǒng)電流，當短路電流大于設(shè)定的幅值，高速DCP通過專用算法，快速精確的預(yù)測出三相電流過零點的精確時間，分別在每相電流過零之前發(fā)出信號。

高速開關(guān)在電流接近過零點的三相分別準確分閘開斷，短路電流換流進入深度限流電抗器中，限流短路電流，短路電流幅值大大降低。

測控單元向后臺發(fā)出動作指示信號。

本裝置可在7～15ms內(nèi)將短路電流限制在原幅值50%以下，使系統(tǒng)所受到的短路沖擊大大降低，保護系統(tǒng)內(nèi)變壓器發(fā)電機等電氣設(shè)備，同時提高了短路點負載真空斷路器使用壽命，保證了系統(tǒng)的安全運行。

短路故障切除后，測控單元自動檢測母線電壓回升立即給高速開關(guān)發(fā)出合閘命令，深度限流電抗器退出，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運行。

6 結(jié)論

零損耗深度限流裝置為最佳節(jié)能和最經(jīng)濟有效的限流方案，大大減少系統(tǒng)擴建或聯(lián)網(wǎng)運行所需要的投資。

本裝置可替代高阻抗變壓器、普通串聯(lián)限流電抗器、爆炸型大容量高速開斷裝置，在新供用電系統(tǒng)設(shè)計及企業(yè)系統(tǒng)改造時，可利用本裝置深度限流電抗器，加大系統(tǒng)阻抗，使負荷側(cè)斷路器的開斷電流進一步減小，降低造價。

短路發(fā)生時本裝置快速投入母聯(lián)深度限流電抗器，加大系統(tǒng)內(nèi)抗，故障點切除后，深度限流電抗器退出，不影響整個系統(tǒng)的正常運行，聯(lián)網(wǎng)運行使變壓器的使用價值得到提高。對不允許瞬時間斷供電須強行自啟動的重要負載，可提高供電質(zhì)量。線路短路時，本裝置快速投入電抗器，深限流電抗器上的殘壓可完全滿足維持重要負荷繼續(xù)運行而不受影響。系統(tǒng)短路故障切除后，裝置立即返回原工作狀態(tài)。

［1］陳天祥.高壓斷路器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.高壓電器，1980 (2):25－29.

［2］姜壇，王川.大容量快速開斷裝置［J］.銅業(yè)工程，2006(3):40－44.

［3］周宏云，張樂中.大容量高速開關(guān)與限流電抗器并聯(lián)運行應(yīng)用分析［J］.湖南電力，2008(5):51－53.

［4］祝瑞金，蔣躍強，楊增輝，高凱.串聯(lián)電抗器限流技術(shù)的應(yīng)用研究［J］.華東電力，2005(5):18－22.

［5］高峰.運用大容量高速開關(guān)解決供電系統(tǒng)增容問題［J］.銅業(yè)工程，2007(2):41－43.

［6］鐘建朋，李黎川.一種開關(guān)驅(qū)動的電渦流式位移傳感器的原理與實驗研究［J］.儀器儀表學報，2010(11):53－60.

Optimization and Application of Zero Loss Depth Limiting Device

CHENG Yan－bing1，WANG Zhi－peng2，QI Fu3
(1.JCC Wushan Copper Mine，Ruichang，Jiangxi 332204，China; 2.JCC Materials and Equipment Companie，Guixi，Jiangxi 335424，China; 3.Anhui Heng Kai power protection equipment technology Ltd.，Hefei，Anhui 230088，China)

In power system，because of the expansion of main transformer and increased transformer capacity，a series of problems come out such as increase of short circuit current，inadequacy of circuit breaker ability and system dynamic，thermal stability.In order to solve the above problems，the current limiting reactor is designed and installed under the main transformer to reduce system threephase short－circuit current，to ensure that the circuit breaker can cut off the breakdown reliably when factory short circuit occurs.In the system without short circuit fault occurs，the reactor impedance is very small－zero loss for ZLB type zero loss depth limiting device.When short circuit fault occurs in the system，reactor impedance becomes very large－－depth limiting;after resection of system short circuit fault，device will back to the original state at once.

circuit breaker;short－circuit impedance;reactor;zero loss;depth limiting;breaking capacity

TM471

:B

:1009－3842(2012)04－0041－04

2012－05－22

程艷兵(1968－)，男，江西九江人，工程師，主要從事企業(yè)生產(chǎn)運行電氣管理工作。E－mail:13979275516@139.com