一种交流电网中自动限制短路故障电流的装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明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】
[0002] 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。
[0003] 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)。
[0004] 对电网故障限流器(FCL)的基本技术要求是：
[0005] 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l〇ms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。
[0006] 然而在现有的限流技术中，存在着如下问题：
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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l〇ms(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~l〇ms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】
[0010] 本发明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。
[0011] 本发明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Π回 路;并联于次级绕组两端的高抗电抗器构成第m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。
[0012] -种方案在第Π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。
[0013] 另一种方案在第Π回路中，主断路器与次级绕组末端之间仅串入快速熔断器。
[0014] 所述初级绕组与出线侧隔离开关之间串入有载分接开关。
[0015] 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S，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。
[0016] 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。
[0017] 所述快速熔断器为雷管式快速熔断器，动作时间为1~5ms。
[0018] 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。
[0019] 本发明的有益效果是: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】
[0020] 图1是本发明实施例1的电气接线原理图。
[0021] 图2是本发明实施例2的电气接线原理图。
[0022]图3是本发明中主电抗器的三相接线示意图。
[0023] 图4是本发明中气隙电抗器的结构图。
[0024] 图5是本发明中主电抗器初级绕组侧电压短路后的变化曲线。
[0025] 图6是交流电正弦波随时间变化曲线图。
【具体实施方式】
[0026]如图6所示，由于本发明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〇~l〇ms(S卩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：
[0027] 1、0~5ms时间段内：
[0028]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（初级绕组他）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Uq= 6.5%〇 ·Ue= 0.0065X500KV= 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(S卩50000安培），也就是为额定电流2KA的25倍，因而此时在初级绕组见 产生的电压为1^ = 3.251^X25 = 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"Γ的斜线即为短路瞬间0~5ms内U!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山而产生的。 [0029] 2、短路故障发生后5~10ms时间段内：
[0030]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：
[0031]其中：
式中：f为频率，f=50Hz;w为电抗器绕组的匝数;yr为铁芯相 对导磁率，对于硅钢片取300~1000;Αζ为电抗器铁芯柱净截面积m2;Kdp为铁芯叠片系数;Ν为电抗器气隙的数量;S为电抗器铁芯饼间气隙长度(单位m)。
[0032] 当气隙δ消失后，总导磁率μΓ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13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 Ui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"号线即为电压山直 陡式突变增加的曲线，由于山的提高使主电抗器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。
[0033] 3、短路故障发生后10~20ms时间段内：
[0034] 如图1和图5所不，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，山的电压（以500KV系统设计限流器为例），由初始U〇 = 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山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 侦叭初级绕组NO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，山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回路的山值，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。
[0035] 根据上述限流原理，下面通过具体实施例加以进一步说明。
[0036]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一 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、初级绕组见和次级绕组他组成的主电抗器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⑶K(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