零損耗深度限流裝置的性能特點及應用分析

萬新新

(安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

零損耗深度限流裝置的性能特點及應用分析

萬新新

(安徽徽電科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

介紹了一種基于電磁斥力原理的高速渦流驅動開關，闡述了零損耗深度限流裝置的基本原理，分析了零損耗深度限流裝置的性能特點:可將高速渦流驅動開關與深度限流電抗器并聯，具有動作速度快、限流效果好、自行復歸、零損耗、零壓降等優點，應用前景好。

高速渦流;驅動開關；零損耗；限流裝置

0 引言

由于國家工業化的快速發展，電力系統的不斷擴容、新建以及各大電網的緊密互聯，各級電網短路電流不斷增加。常規真空斷路器額定開斷容量均小于40 kA，開斷時間60—80 ms，已無法適應現代電力系統的發展，出現了短路遮斷容量不足、無法開斷等問題。爆炸式高速開斷裝置曾被廣泛應用于電力系統，以解決短路遮斷容量不足、線路開斷等問題，但也存在以下的應用局限性：

(1) 動作后無法自行復歸，需停機處理；

(2) 電抗率在6 %—14 %，導致系統壓降過大；

(3) 裝置及維護成本偏高。

目前，爆炸式高速開斷裝置的性能已被零損耗深度限流裝置所超越。

零損耗深度限流裝置采用基于電磁斥力原理的渦流驅動技術，是一種可高速投入、高速退出、深度限流的新型故障電流限流器(簡稱FCL，Fault Current Limmer)，可限制電網短路容量，減輕斷路器等各種高壓電氣設備的動、熱穩定負擔，提高設備動作可靠性和使用壽命。

1 高速渦流驅動開關技術

高速渦流驅動開關采用電磁斥力原理的“渦流驅動”技術，是一種電容器儲能、渦流盤驅動、永磁保持、直動式快速永磁真空斷路器，其機械分閘時間小于5 ms，最大開斷電流不小于80 kA。

1.1 “渦流驅動”開關工作原理

渦流盤平時與線圈非常接近。當電容對線圈放電時，在線圈中產生磁場，磁場穿過渦流盤，在渦流盤中感應出渦流，伴隨渦流出現感應磁場。因感應磁場的方向與線圈磁場的方向相反，2個磁場間就會產生斥力，驅動渦流盤運動到另一個線圈附近，從而通過連桿帶動開關動觸頭運動，完成開關合、分閘動作。

1.2 “渦流驅動”開關特性

“渦流驅動”開關的關鍵參數如表1所示。

表1 “渦流驅動”開關關鍵參數 ms

“渦流驅動”開關可靠性分析如表2所示。

表2 “渦流驅動”開關可靠性分析

高速渦流驅動開關在國家認可的高壓電器研究所通過了型式試驗，并已進入商業運用階段。

2 零損耗深度限流裝置的工作原理

零損耗深度限流裝置主要由換流器、限流電抗器并聯組成，換流器核心部件為高速渦流驅動開關，其一次原理如圖1所示。

發生短路故障時，換流器將短路電流接入限流電抗器回路，限制短路電流至幅值的50 %以下；故障解除后，限流電抗器退出運行，電流接入換流器回路。

圖1 一次原理

3 零損耗深度限流裝置的性能特點

3.1 動作速度快

當發生短路故障時，內置的Lokowski線圈感應短路電流信號，通過高速數模轉換計算，可在2 ms左右判斷短路電流大小。一旦短路電流超過預先整定的閾值，則觸發高速渦流驅動開關的可控硅導通，向分閘線圈放電，渦流盤感應出反向磁場，瞬間起力，實現快速分閘，可在短路電流第1次過零時刻將電流接入并聯的限流電抗器中。

3.2 限流效果好

零損耗深度限流裝置使用深度限流電抗器，電抗率比普通限流電抗器大得多。

現以吉林某單位工程案例說明，圖2為該單位變電站一次主接線簡化圖。

(1) 已知發電機參數：額定功率Pe=30 MW；額定電壓Un=6．3 kV；cosΦ=0．8；額定電流Ie= 3 436．6 A；超瞬變電抗=0．128 6。

在最大運行方式下，發電機未并網前，6 kV母線短路電流為23．3 kA；并網后，短路電流肯定超標，故在發電機側加裝零損耗深度限流裝置(簡稱ZLB)。

(2) 短路等值阻抗如圖3所示。取基準容量100 MVA，基準電壓6．3 kV。

(3) 動作前、后的d0點短路電流如表3所示。

圖2 變電站一次主接線簡化示意

圖3 短路等值阻抗示意

表3 動作前、后的d0點短路電流

(4) 深度限流電抗器參數計算。電抗有名值：XL=0．71×6．32/100≈0．281 8 Ω；電抗率：Xk=

(5) 限流效果。限流比：K1=8．7/26．7≈0．33；限流深度：K2=1-K1≈0．67。

3.3 自行復歸

動作后，高速渦流驅動開關可在短路故障切除后自行合閘，將深度限流電抗器退出系統，使系統恢復正常運行。

3.4 零損耗、零壓降

3.5 開斷能力強

高速渦流驅動開關為三相獨立動作，合理控制觸頭的剛分時間，確保各相動作均為臨界過零開斷，使燃弧時間最小，增加了滅弧室的開斷容量，短路開斷能力可輕松達到80 kA。

3.6 使用壽命長

高速渦流驅動機構采用的彈簧操作機構，運動部件比普通斷路器減少80 %，且為簡單的直線運動，沒有復雜的傳動機構，磨損極小，提高了機械的使用壽命和可靠性。同時，本裝置可提前準確預判過零點，確保過零點可靠開斷，提高了開斷容量，燃弧期間的燃弧量不到普通斷路器的10 %，觸頭燒灼小，觸點電壽命呈級數上升。

3.7 安裝空間及其適用性

零損耗深度限流裝置為一體式結構設計，即深度限流電抗器固封在換流器外絕緣層上，單相直徑僅為常規電抗器的60 %—80 %，高度與常規電抗器近似；整體結構采用法蘭式連接，可以適用于戶內、戶外、污穢等場所，如圖4所示。

圖4 一體式零損耗深度限流裝置

4 零損耗深度限流裝置的應用分析

4.1 變電站及用戶系統中主變低壓側的應用

隨著電網系統擴容，主變容量變大，且短路故障時電機會反饋電流，總短路電流將超標。若在變電站及用戶系統中主變低壓側串入零損耗深度限流裝置，可大幅限制主變側提供的短路電流，再由故障支路的斷路器切斷故障電流。

4.2 發電機直連母線處的應用

分析短路點短路電流的計算結果，可知如果發電機向短路點提供的短路電流比上級系統向短路點提供的短路電流大，在發電機出口位置串入零損耗深度限流裝置，則限制短路電流至各支路點的斷路器均可開斷。

4.3 變電站及用戶系統中母聯處的應用

下列2種情況下，可考慮在母聯處加裝零損耗深度限流裝置：

(1) 系統運行方式發生改變，導致母聯并列運行，總短路電流超標；

(2) 系統因擴容需要與其他系統并聯，短路電流可能超標。

5 結論

在十余年以前，爆炸式高速開斷裝置是解決短路電流超標最有效、最實用和最先進的技術；但由于其存在不可避免的設計缺陷，且因電網對生產連續性及安全性要求的不斷提高，已不能適應現代智能電網發展的需求。

零損耗深度限流裝置符合現代限流器的要求：

(1) 正常阻抗近似為0，需要時投入深度限流電抗器，短路切除后恢復近似為零的阻抗；

(2) 解決了數年來困擾業界的難題——關于故障限流器動作后如何自動恢復正常狀態；

(3) 零損耗深度限流裝置的渦流驅動開關及其控制單元均為等電位設計，采用高壓隔離變供電，利用多斷口原理，可運用于110 kV，220 kV，330 kV等系統中，具有廣闊的開發前景和市場潛力。

1 宮志堅．零損耗深度限流裝置在廠用電系統中的應用[J]．泰州職業技術學院學報，2016，16(2)：53-56．

2017-01-06。

萬新新(1986—)，男，助理工程師，主要從事電力產品的設計及開發，email：18949837512@163．com。