瞬变电抗式电网短路故障限流器

摘要

本发明涉及一种瞬变电抗式电网短路故障限流器。本发明的目的是提供一种安全可靠，造价相对较低的大容量500KV及以上电压等级的瞬变电抗式电网短路故障限流器。本发明的技术方案是：该限流器由电抗变压器组件、滑动与接触组件、金属封闭罩、操作机构和绝缘平台组成，电抗变压器组件由硅钢片叠成回字形的铁芯，铁芯两侧为由裸铜线绕制而成的串联形式的线圈，铁芯与裸铜线之间设有绝缘套管，裸铜线外露部分与绝缘套管外表面齐平；滑动与接触组件由滑动导电环、导电圆桶体、弹簧触指、陶瓷灭弧环、导电滑杆、分闸加速弹簧、合闸位导电底板和绝缘垫板组成；操作机构包括动力部分、绝缘拉杆和密封波纹管。本发明适用于电力系统的短路安全保护。

说明书

技术领域

本发明涉及限流器，尤其是一种瞬变电抗式电网短路故障限流器。适用于 电力系统的短路安全保护。

背景技术

近年来，电力系统容量逐年增加，电网短路电流也随之增大，目前已成为 制约电网运行和发展的重要因素。因此，限制电力系统短路电流已成为一个正 待解决的问题。

故障限流器的开发研制，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能 力，为高压和超高压输电性能的创新改造指出了方向。

故障限流器(FCL)早在70年代出现在国内的文献中，但真正受到重视和 快速发展是在柔性交流输电技术提出以后，从近十年的发展来看可以将故障限 流器分为两大类：第一类是采用功率电子器件控制线路阻抗的限流器，第二类 就是采用具有特殊性质的材料作为限流器的基本组成部分。

目前国内外电力设备制造厂所能生产的大部分高压断路器中，电压等级在 500KV及以上的额定短路开断电流一般在63KA以下，很难满足系统需要开断 较大短路电流的要求，而且随着电网容量的不断扩大和全国联网的不断加强， 这种矛盾会越来越突出。尽管采用改变电网结构的方法可以解决电网短路电流 的抑制问题，但同时损害了电网运行的灵活性与经济性，同时也增加了不同段 上母线负荷变化的调配难度。因此，如何限制系统短路故障电流已成为现代电 网发展中所面临的一个不可回避的重大技术和经济问题。

电力系统短路故障对高压电气设备本身和系统的正常运行具有很大的危害 性。短路故障造成系统中巨大的功率分布的突变，发电机的输出功率也相应发 生急剧变化。无论在哪一点发生短路，均可能导致并列运行的发电机失去同步， 破坏系统稳定，危及大电网的安全。

目前电网对故障限流器的一般要求如下：

(1)正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功率和无功 率损耗小，对系统无任何影响(降为零)；

(2)故障发生后，装置应能在极短时间内(25毫秒)动作，在故障电流到 达第一个峰值前有效限制短路电流；

(3)动作时不引起系统暂态振荡、过电压等副作用；

(4)设备的成本及运行费用低，可以承受的体积和重量，可靠性高，维修 和维护费用低。

现有故障限流器(FCL)技术主要有：

1、串联短路故障限流器；

2、永磁饱和串联短路电力电子限流器；

3、氧化锌式故障限流器；

4、超导式故障限流器；

据现场运行考察，现有的限流器技术均很难满足在500KV以上及冲击电流 超过80KA的冲击水平。

此外，大部分大容量500KV电压等级限流器造价均超过8000万元，这是 限流器装置无法在工程中推行的另一个重要原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种安全可靠，造价相对较低的大容量 500KV及以上电压等级的瞬变电抗式电网短路故障限流器。

本发明所采用的技术方案是：瞬变电抗式电网短路故障限流器，其特征在 于：所述限流器由电抗变压器组件、滑动与接触组件、金属封闭罩、操作机构 和绝缘平台组成，其中：

所述电抗变压器组件由硅钢片叠成回字形的铁芯，铁芯两侧为由裸铜线绕 制而成的串联形式的线圈，铁芯与裸铜线之间设有绝缘套管，裸铜线外露部分 与绝缘套管外表面齐平；

所述滑动与接触组件由滑动导电环、导电圆桶体、弹簧触指、陶瓷灭弧环、 导电滑杆、分闸加速弹簧、合闸位导电底板和绝缘垫板组成，所述滑动导电环 经弹簧触指可压紧滑动的套在绝缘套管外面，陶瓷灭弧环嵌于滑动导电环的下 内壁，导电圆桶体一端与滑动导电环连接、另一端的底部沿口可分离的与合闸 位导电底板接触，该合闸位导电底板固定在绝缘垫板上；所述导电滑杆滑动配 合穿过滑动导电环，导电滑杆上端与电力进线连接、下端与合闸位导电底板相 连并固定于绝缘垫板；

所述操作机构包括动力部分、绝缘拉杆和密封波纹管，绝缘拉杆一端与滑 动导电环连接、另一端连接于动力部分，绝缘拉杆外套有密封波纹管；

上述电抗变压器组件和滑动与接触组件密封于金属封闭罩内，且除动力部 分外的其余部件均固定在平台上，平台由绝缘支柱支撑在地面上。

所述合闸位导电底板呈圆环形，其上装有缓冲装置，缓冲装置包括两环导 电板及夹装在两环导电板之间的弹簧。

所述分闸加速弹簧经吊板与铁芯固定。

所述滑动导电环从合闸位至分闸位的行程范围为0.5～1m。

所述金属封闭罩采用不锈钢材料，厚度为2.5～4mm，箱体内抽真空或充满 六氟化硫气体。

本发明的有益效果是：本限流器正常运行时限流器的阻挠基本于零，装置 万一发出错误动作时，串入系统的阻抗值仅为1～2Ω左右，电压约降为35KV～ 40KV，只占总电压的8％左右，几乎对系统没有产生影响；而在发生短路故障 时，可抬高500KV母线上的电压值约120KV～160KV，非常有利短路点故障电 流的限制和恢复系统的电压水平。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1中表示有弹簧触指的剖视图。

图3是图1中表示铁芯、线圈、导电滑杆和绝缘拉杆位置的剖视图。

图4是本发明中铁芯、滑动与接触组件的竖向剖视图。

图5是本发明中电抗变压器组件的示意图。

具体实施方式

参见图1～5，本实施例瞬变电抗式电网短路故障限流器包括电抗变压器组件 1、滑动与接触组件2、金属封闭罩3、操作机构4和绝缘平台5组成，其中：

所述电抗变压器组件1由硅钢片叠成回字形的铁芯1－1(如图1、图4、图 5)，铁芯两侧采用裸铜线1－2绕制成串联形式的线圈(本例有两个串联的线圈)， 铁芯与裸铜线之间设有绝缘套管1－3，绝缘套管上制有螺旋形的凹槽，裸铜线 嵌入凹槽内，并使裸铜线外露部分与绝缘套管外表面齐平。

所述滑动与接触组件2由滑动导电环2－0、导电圆桶体2－1、弹簧触指2 －2、陶瓷灭弧环2－3、导电滑杆2－4、分闸加速弹簧2－5、合闸位导电底板 2－7和绝缘垫板2－8组成(如图1～4)。所述滑动导电环2－0经弹簧触指2－2 (提供径向的弹力)可压紧滑动的套在绝缘套管1－3外面，陶瓷灭弧环2－3 嵌于滑动导电环2－0的下端内壁(与线圈应贴合且可滑动)；导电圆桶体2－1 上端与滑动导电环2－0焊接固定，另一端可分离的与合闸位导电底板2－7接 触，该合闸位导电底板2－7固定在绝缘垫板2－8上。滑动导电环2－0上开有 圆孔，所述导电滑杆2－4穿过该圆孔并与底部的绝缘垫板2－8固定，导电滑 杆2－4上端与电力进线侧连接，下端与合闸位导电底板2－7相连，合闸位导 电底板接出线侧。

如图4所示，本例的合闸位导电底板2－7呈圆环形，为减小合闸时的冲击 力，在合闸位导电底板2－7上安装一缓冲装置，该缓冲装置包括两块环形的铜 导电板及夹在两块导电板之间的螺旋弹簧，弹簧6的数量按设计均布于两导电 板间，导电板与弹簧之间、及下导电板与合闸位导电底板2－7均采用焊接连接。

所述分闸加速弹簧2－5通过吊板2－9固定在铁芯1－1上，可以是在吊板 上开孔与铁芯焊接，也可以用机械连接方式与铁芯上缘连接，当然也可以做一 个固定于绝缘平台5上的支架。

所述滑动导电环2－0从合闸位至分闸位的行程范围一般为0.5～1m。

所述操作机构4包括动力部分4－1、绝缘拉杆4－2和密封波纹管4－3， 绝缘拉杆4－2一端与滑动导电环2－0连接、另一端连接于动力部分4－1，绝 缘拉杆外套有密封波纹管4－3。所述动力部分4－1有多种市售产品可供选择， 如液压操作机构(西安安高压开关厂，型号CY-8A)、气动操作机构(西安安高 压开关厂，型号CQA-1)、弹簧型操作机构(福州第一开关厂，型号CT8-I)或 电磁操作机构等。绝缘拉杆4－2的数量可根据需要设置两根(呈180°)或四 根(90°均布)。图1仅为示意图，简化为安装在一侧线圈上的滑动与接触组件 2。

上述电抗变压器组件1和滑动与接触组件2密封于金属封闭罩3内，金属 封闭罩3采用不锈钢材料，厚度为2.5～4mm，箱体内抽真空或充满六氟化硫(SF6) 气体。除动力部分4－1外，其余部件均固定在平台5上，平台由大截面积承载 型的陶瓷绝缘支柱5－1支撑在地面上。选用绝缘子的耐压等级与进线的电气电 压等级相同。

交流系统为三相系统，下面以单相为例描述本发明的工作原理：

正常运行时，动力部分4－1动作，通过绝缘拉杆4-2来拉动滑动导电环2 －0，向下方运动，行程h2约为0.5～1m之间，即由N点运动至M点，此时， 滑动导电环2－0通过与其连接的导电圆桶体2-1的底部沿口2－1－1与合闸位 导电底板2-7紧密接触，电阻值为零，此位称为合闸位置状态。负载电流由进线 通过导电滑杆2-4，流经滑动导电环2－0、导电圆桶体2-1后即由合闸位导电底 板2-7外流向出线侧。

在铁芯1－1的电感柱体设计中，由O点至M点之间h1长度段的线圈(裸 铜线1－2)匝数为N1，设电抗值为X1；由M点至N点，h2长度段的线圈匝 数N2，电抗值设为X2。

当发生短路故障时，动力部分4－1动作，其上的脱扣机构(图中未显示) 脱开，此时由于滑动导电环2-0受到绝缘拉杆4-2及分闸加速弹簧2-5的巨大拉 力，迅速向上方向运动，即由M点向N点运动。运动的行程约0.5～1m左右， 此时，由于与滑动导电环2-0连接的导电圆桶体2-1的底部沿口2－1－1与合闸 位导电底板2-7迅速分离，电路中的电流流向的路径发生了改变，短路电流路径 为由进线侧经导电滑杆2-4，流经滑动导电环2-0后，流向与位于其内侧的弹簧 触指2-2再流向电抗器的线圈，经线圈(裸铜线1－2)下方通过合闸位导电底 板2-7与出线侧连接至馈线。

在发生短路故障时，导电圆桶体底部沿口2－1－1与合闸位导电底板2-7 分离的瞬间(5ms内)，分闸加速弹簧2－5向上拉动滑动导电环2－0，相当于 在主回路中串入了一个初始电感器N1，N1一般为10～15匝，匝数的X1电抗 量，当滑动导电环2-0运动至N点时，在电流回路中又增加了N2匝数，电抗值 为X1+X2的量值，通常设计N1+N2的匝数为45～70匝，电抗值为2～10Ω左 右，由于短路电流巨大，U＝I·X_L，由此方法抬高了故障线路上的母线电压Ue， 因此，装置起到限制短路电流的作用。当故障消失后，通过操作机构4的绝缘 拉杆4-2仍旧将滑动导电环2-0拉至合闸状态，即图1中“O”的位置，装置恢 复正常运行状态。

需说明的是，在实际操作过程中，导电圆桶体2-1的底部沿口2－1－1与导 电底板2-7分离时会产生电弧，但由于运动速度快，约10m/s，且密封金属箱3 内为真空或充有六氟化硫气体绝缘，配合陶瓷灭弧环2-3电弧会很快熄灭。

本实施例的电网电压等级为500KV，电网总装机容量假设为4000万千瓦， 设定在变电站近距离三相的短路电流为80KA，近距离短路点在3～5公里左右， 假设此时的母线电线值为U_i＝1/3Ue＝166KV。

电抗变压器铁芯截面选择计算如下，

由变压器铁芯截面积选择计算公式：

式中D为电抗变压器铁芯直径(单位：mm)，K为经验系数， 一般对于采用冷轧硅钢片材料K取54～60之间，常规取K＝55，S为变压器每 柱容量值，单位：千伏安(KVA)。

设计选择电抗器以20倍过载情况能正常工作，铁芯处于饱和的临界点，以 电网短路点容量取1500万KVA计算，

S＝1500万/20＝750000KVA，

变压器直径$D=K·\sqrt[4]{S}=55\times \sqrt[4]{750000}=55\times 29.4=1618mm,$

所选电抗变压器铁芯直径选择1.62米，

铁芯截面积Sc＝πR²＝3.14×81²＝20611.4cm²，

线圈导线截面积按额定电流2500A设计，选用20mm×50mm的扁铜排制作。

工作匝数选择设计要求在短路电流时将80KA冲击电流降至50～60KA 每匝电势e＝0.0356Sc＝0.0356×20611.4＝314V，设计要求产生125～135KV压降 的匝数，考虑满电流时磁系数取N＝100～120匝，设两组线圈，每组线圈50～ 60匝，初始行程为15匝。

计算串入电阻值大小S＝1·U＝1²·R

若短路电流为60KA，U＝135KV，X_L＝2.25Ω

为使短路电流80KA电流降至60KA，需串入电阻为2.25Ω电抗值，本装置 在操作机构以12米/秒的速度行程约35cm，耗时约0.029秒，即29毫秒，可满 足现场40ms的断路器保护动作的要求。