一種交流電網(wǎng)中自動限制短路故障電流的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及一種交流電網(wǎng)中自動限制短路故障電流的裝置。防止電網(wǎng)中的高 壓電氣設(shè)備因短路故障而毀壞。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大、電力系統(tǒng)中負荷的迅速增長，特別是在2014 年底，我國的發(fā)電裝機容量已經(jīng)達到12.5億千瓦，居世界第一，如此眾多、大容量機組的投 入運行及各大區(qū)電網(wǎng)的互聯(lián)使得電力系統(tǒng)短路電流水平也日益增高，許多地區(qū)特別是沿海 經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)如上海、江蘇、浙江、廣東等電網(wǎng)的短路電流水平，已經(jīng)達到甚至超過《電力規(guī) 程》所限定的最大允許值。
[0003] 在一些負荷密度大的城市和地區(qū)的500kV和220kV變電站中，預(yù)期短路電流水平將 可能超過100KA。資料表明，Ξ峽水電站可能的最大短路電流周期分量可達到300KA。目前國 際上可生產(chǎn)的開關(guān)設(shè)備，如目前國際上500kV電壓等級的最大開斷電流為80KA，如果不及時 采取行之有效的技術(shù)措施限制短路電流，那么在今后的電網(wǎng)發(fā)展中將可能導(dǎo)致電網(wǎng)無高壓 斷路器(開關(guān))可選，運就意味著無法控制駕馭大電網(wǎng)的調(diào)度運行。為此，運對電網(wǎng)公司是一 個非常迫切而需要解決的大問題。而為限制短路電流值而制作的器件裝置稱之為電網(wǎng)故障 限流器，簡稱巧化）。
[0004] 對電網(wǎng)故障限流器(F化)的基本技術(shù)要求是：
[0005] 在電網(wǎng)正常運行時表現(xiàn)為零阻抗或微小阻抗，功耗接近于零，最大不超過輸送功 率的0.25~1%，在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，迅速呈現(xiàn)高阻抗W遏制故障電流。要求動作速度 快，反應(yīng)時間小于10ms甚至更短(幾毫秒），即限制到預(yù)期值一半W下;具有快速自動復(fù)位 功能，可實現(xiàn)多次動作;可靠性應(yīng)高于同時運行的斷路器等設(shè)備，設(shè)備運行維護成本低。
[0006] 然而在現(xiàn)有的限流技術(shù)中，存在著如下問題：
[0007] 1、固定阻抗和半導(dǎo)體元件的限流作用越大，則在正常工作時的損耗比例越大；
[000引2、超導(dǎo)限流器有良好的限流效果，但需要超低溫的運行環(huán)境，設(shè)備投資近1億元W 及運行維護成本高，在工程上難W推廣。
[0009] 3、經(jīng)申請人檢索，同類型的專利如寧夏電力公司電力科學(xué)院授權(quán)公告號 CN103023000B，該方案存在的問題為，由于平時是將高速開關(guān)與限流電抗器并聯(lián)運行，當(dāng)短 路電流發(fā)生時、繼電保護裝置需要先將高速開關(guān)斷開后，限流電抗器才能串入發(fā)揮限流作 用，但實際情況是任何高速開關(guān)在交流電路短路瞬間的第一個周波的上半波的時間內(nèi)即 0.01秒（10ms)內(nèi)，根據(jù)開關(guān)電弧理論，是無法完全消除滅弧室內(nèi)的電弧的，而只能在第一個 周波的過零點后，即10ms(毫秒）后才能滅弧，運就意味著要經(jīng)過10ms后上述電抗限流器才 能有效地投入工作。在該專利的說明書第[0045]段中也明確寫明"該第一智能高速開關(guān)在 15ms內(nèi)即刻斷開，將第一限流器投入限流運行中"。而在電網(wǎng)實際情況中，短路后的第一個 周波（即0~10ms內(nèi)）對限制短路電流值最為迫切，因為此時位于限流電抗器下端的斷路器 有可能已經(jīng)動作，若等待到15msW后再投入限流器，下端的斷路器可能因為滅弧室遮斷容 量的不足，而無法焰弧，使電弧一直處于燃燒狀態(tài)，使得電路不能開斷或者致使斷路器發(fā)生 爆炸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 本實用新型要解決的技術(shù)問題是:提供一種交流電網(wǎng)中自動限制短路故障電流的 裝置，該裝置在正常運行時為低功率損耗（約為5%。~1%)，而在電路發(fā)生短路時能夠迅 速、大幅度、突變地增加電抗器的電抗值數(shù)，至少應(yīng)限制20~50%量值的短路電流，明顯減 輕短路故障的損害程度。
[0011] 本實用新型所采用的技術(shù)方案是:交流電網(wǎng)中自動限制短路故障電流的裝置，具 有20~500kV的交流母線，送電饋線上依次接有饋線斷路器、饋線電流互感器和兩個隔離開 關(guān)，其特征在于在饋線的兩個隔離開關(guān)之間串入一個可變電抗限流器，該可變電抗限流器 包括由鐵忍體、初級繞組和次級繞組組成的主電抗器、氣隙電抗器、主斷路器和高抗電抗 器，其中，初級繞組串接于饋線之中，為第I回路;次級繞組與氣隙電抗器和主斷路器構(gòu)成第 Π 回路;并聯(lián)于次級繞組兩端的高抗電抗器構(gòu)成第m回路；同時，由饋線電流互感器、次級 繞組側(cè)電流互感器和安裝于變電所中的繼電保護控制系統(tǒng)構(gòu)成檢測控制回路。
[0012] -種方案在第Π 回路中，主斷路器與次級繞組末端之間串入備用分?jǐn)嘟M件，該備 用分?jǐn)嘟M件包括并聯(lián)的備用斷路器和快速烙斷器。
[0013] 另一種方案在第Π 回路中，主斷路器與次級繞組末端之間僅串入快速烙斷器。
[0014] 所述初級繞組與出線側(cè)隔離開關(guān)之間串入有載分接開關(guān)。
[0015] 所述氣隙電抗器包括繞有線圈的固定鐵忍，該固定鐵忍呈回字形，兩豎直側(cè)臂之 間設(shè)有平行的滑動鎖扣，在固定鐵忍的一側(cè)臂上通過轉(zhuǎn)軸銷接活動鐵忍，活動鐵忍的活動 端正對另一側(cè)臂的端面并在常態(tài)保持間隙S，在活動鐵忍與滑動鎖扣之間設(shè)有彈黃，滑動鎖 扣上還裝有橡膠墊塊。所述間隙δ控制在30~100mm。
[0016] 所述主斷路器為六氣化硫高壓斷路器、油斷路器或真空斷路器。
[0017] 所述快速烙斷器為雷管式快速烙斷器，動作時間為1~5ms。
[0018] 所述高抗電抗器為高阻抗帶氣隙的電抗器，其電抗阻值為氣隙電抗器上限值的 10~20倍。
[0019] 本實用新型的有益效果是:本裝置通過取自電網(wǎng)故障短路電流的能量來自動抬高 母線電壓值，重新在回路中建立起常態(tài)電壓，從而使系統(tǒng)自動地恢復(fù)到能承受的短路電流 范圍中。本裝置協(xié)同現(xiàn)有等級的斷路器在短路故障發(fā)生的第一時間及時有效地遏制短路電 流，保障電網(wǎng)系統(tǒng)的運行安全。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本實用新型實施例1的電氣接線原理圖。
[0021] 圖2是本實用新型實施例2的電氣接線原理圖。
[0022] 圖3是本實用新型中主電抗器的Ξ相接線示意圖。
[0023] 圖4是本實用新型中氣隙電抗器的結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖5是本實用新型中主電抗器初級繞組側(cè)電壓短路后的變化曲線。
[0025] 圖6是交流電正弦波隨時間變化曲線圖。
【具體實施方式】
[0026] 如圖6所示，由于本實用新型要解決的一個關(guān)鍵問題是在短路故障發(fā)生后的交流 系統(tǒng)正弦波中第一個周波的上半波即0~10ms(即0.01秒）內(nèi)，要將本限流器串入第I回路之 中，且在20ms內(nèi)將短路電流限制30~45%。實現(xiàn)運一目的Ξ個限流過程如下：
[0027] 1、〇~5ms時間段內(nèi)：
[00%]本設(shè)計中主電抗器B相當(dāng)于一臺雙繞組的變壓器，其一次側(cè)繞組（初級繞組化）流 過額定電流le時，在二次側(cè)繞組(次級繞組化)處于短路狀態(tài)。假如此時額定電流達2000A， 由于變壓器一、二次繞組的磁勢不平衡性將會在一次繞組上產(chǎn)生約0.5~1% · Ue(額定電 壓）的電壓值，本方案中該感應(yīng)電壓值取化= 6.5%。·化= 0.0065X500kV = 3.25kV。當(dāng)有短 路電流通過時，該感應(yīng)電壓會隨著短路電流與額定電流之比的倍數(shù)而線性增加，假如此 時，短路電流為50KA(即50000安培），也就是為額定電流2KA的25倍，因而此時在初級繞組化 產(chǎn)生的電壓為化=3.25kVX25 = 81.2化V，即在0~5ms時間內(nèi)，通過主電抗器B，由磁勢不平 衡產(chǎn)生的限流瞬變電壓高達81.2化V，由于運個電壓值的產(chǎn)生，對限流的作用可占5~10% 的貢獻率，如圖5中的0-A中"Γ的斜線即為短路瞬間0~5ms內(nèi)化的變化曲線。因此在0~5ms 內(nèi)所產(chǎn)生的限流貢獻主要是主電抗器B因磁勢不平衡引起的差值感應(yīng)電勢化而產(chǎn)生的。
[0029] 2、短路故障發(fā)生后5~10ms時間段內(nèi)：
[0030] 如圖4所示，當(dāng)短路故障電流流過超過5ms左右的時間時，主電抗器B的二次側(cè)(次 級繞組化）電流使得氣隙電抗器DK的活動鐵忍1 -1與固定鐵忍1 -2閉合，使氣隙δ消失，根據(jù) 電抗器原理，電抗器電抗值為：
[0031] 其中：
式中：f為頻率，f = 50化;W為電抗器繞組的應(yīng)數(shù);化為鐵忍相對 導(dǎo)磁率，對于娃鋼片取300~1000;Az為電抗器鐵忍柱凈截面積m2;K化為鐵忍疊片系數(shù);N為 電抗器氣隙的數(shù)量;δ為電抗器鐵忍餅間氣隙長度(單位m)。
[0032] 當(dāng)氣隙δ消失后，總導(dǎo)磁率yr也急劇增大，使流過氣隙電抗器DK的電壓化也急劇增 大，此時二次側(cè)短路電流13仍然流過氣隙電抗器DK，造成化值的量值增加20~60倍，運個量 值大大抬高了主電抗器B二次側(cè)(次級繞組化）電壓化的量值，而化的提高，最終使第I回路中 化電壓值由81.25kV提高到約155-200kV的水平，反映在圖5中的A-B段ッ'號線即為電壓化直 睹式突變增加的曲線，由于化的提高使主電抗器B的阻抗又增加了約10~20%，即在5~ 10ms內(nèi)起到了明顯的限流作用。
[0033] 3、短路故障發(fā)生后10~20ms時間段內(nèi)：
[0034] 如圖1和圖5所示，經(jīng)過0~5ms~10ms時間后，分別由主電抗器B和氣隙電抗器DK動 作后，化的電壓（W500kV系統(tǒng)設(shè)計限流器為例），由初始U〇 = 3.25kV上升到了約15化V。此時 仍有較大的感應(yīng)短路電流流過次級繞組化，實際上主斷路器DL-1是在短路的瞬間就開始 啟動分閩的，但由于交流SF6(六氣化硫)斷路器通常要等交流正弦波的周波過零點時才能 滅弧，一般需要10~20ms時間才能焰滅電弧，因此在20ms運個焰弧時間時，是圖5中的C-D "3"號線，運個曲線是短路開斷后化電壓直睹式上升的情況，運是因為主斷路器化一1開斷 后使得主電抗器B二次側(cè)繞組化開路，運樣主電抗器B就等于沒有了反電勢影響，致使一次 偵u(初級繞組化）呈現(xiàn)最高值的電壓，運相當(dāng)于變壓器二次側(cè)開路或者是空載的情況。由于 巨大的短路電流作用，Ui的電壓可達到平時負載電流下二次側(cè)開路電壓的3~4倍，即可達 約240~350kV，而利用運個電壓值正好來限制短路電流，量值約可達25~45%的貢獻率，因 此本方案逐步一級級地提高第I回路的化值，使綜合阻抗值逐步增加，來達到限制短路電流 總值約35 %~50 %的量值，可W確保將故障點短路的功率控制在滿足斷路器的遮斷容量的 范圍W內(nèi)。
[0035] 根據(jù)上述限流原理，下面通過具體實施例加 W進一步說明。
[0036] 實施例一，如圖1、圖3~6所示，本自動限制短路故障電流的裝置應(yīng)用于額定電壓 等級為500kV的交流電網(wǎng)中，送電饋線上依次接有饋線斷路器化、饋線電流互感器CT-1、進 線側(cè)隔離開關(guān)化和出線側(cè)隔離開關(guān)化，本裝置何變電抗限流器）串接于兩個隔離開關(guān)化之 間，所述可變電抗限流器包括由鐵忍體、初級繞組化和次級繞組化組成的主電抗器B、氣隙電 抗器DK、主斷路器化一1(本例采用六氣化硫高壓斷路器)和高抗電抗器GDK(本例采用高阻 抗帶氣隙的電抗器