一体化集成快速开关型限流器及其与线路断路器配合方法

摘要

本发明公开了一体化集成快速开关型限流器及其与线路断路器配合方法，该限流器将快速真空开关集成于限流电抗器内部并与之电气并联连接，其与线路断路器的配合方法为：限流器控制系统监测系统短路电流，并控制快速真空开关分闸，实现短路电流在20ms内的快速限制，线路断路器在电力系统继电保护控制系统的作用下，开断被限短路电流，快速真空开关在线路断路器完成首次开断后合闸。若线路断路器重合于暂时性故障，限流器呈微损耗运行状态；若线路断路器重合于永久性故障，限流器再次动作，线路断路器再次分断被限短路电流。本发明实现了快速开关型限流器的一体化集成，可大幅降低其体积成本，同时可有效降低限流电抗器动、热稳定度技术指标。

说明书

技术领域

本发明涉及快速开关型限流器技术领域，特别涉及一体化集成快速开关型限流器及其与线路断路器配合方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，电网规模的不断扩大，各级电网短路电流持续攀升，尤其大型能源基地和负荷密集区域，短路电流水平甚至已超过现有断路器开断能力，严重威胁着电网和设备的安全稳定运行。为提升电力系统供电的可靠性，现阶段电网被迫采用母线分段、环网解列、延长输电线路等方式进行短路电流的限制，在显著增加设备投资的同时，降低了系统运行的稳定性。

故障电流限制器(简称限流器)是解决超高压电网短路电流超标的关键设备，可满足可靠性、快速性、经济性要求。现有超导型、固态型、谐振型限流器存在制造成本高、运行损耗大等不足，在电网中未得到广泛应用。在短路电流超标回路加装串联限流电抗器是限制线路短路电流最为有效的方法之一，但随之会出现系统电压降低、功率损耗增加和电磁环境污染等问题，同时限流电抗器因动、热稳定性能需求，其体积和成本也大幅增加。为解决这些问题，传统的方法是在限流电抗器两端通过开关柜并联一台大容量快速开关，形成快速开关型限流器，线路正常工作时限流电抗器被快速真空开关旁路，运行损耗仅为开关支路的回路电阻造成的损耗，故障时由快速真空开关开断短路电流并将其转移至限流电抗器，虽然可显著降低限流器对限流电抗器动、热稳定的性能指标，但一方面增加了连接母线排的长度，使得故障概率增加；另一方面快速真空开关与限流电抗器的分立式布置，在很大程度上限制该技术方案的应用推广。

采用快速开关与常规电抗器并联的限流器，具有制造成本低、正常运行损耗接近于零的优点，是经济型限流器的优选方案。本发明与以往快速开关型限流器的并联连接电气拓扑无本质区别，但通过将快速真空开关集成于限流电抗器内部，实现了快速开关型限流器的一体化设计方案，并提出了快速开关型限流器与线路断路器重合闸操作的配合方法。现阶段一体化集成设计的快速开关型限流器研究尚属空白，且缺乏快速开关型限流器与线路断路器配合使用方法。

发明内容

为解决快速开关与限流电抗器分离式电气并联，造成的连接母线过长、故障概率增加等问题，并加速快速开关型限流器产品的推广应用，本发明提出一体化集成快速开关型限流器及其与线路断路器配合方法。

一体化集成快速开关型限流器，其特征在于：包括限流电抗器、限流器控制系统以及集成于限流电抗器内部且与之电气并联连接的快速真空开关；

所述限流电抗器包括进线法兰101、上导电座102、电抗器线包103、下导电座104和出线法兰105；进线法兰101一端与线路直接连接，另一端与上导电座102和电抗器线包103进线电气连接；出线法兰105一端与线路直接连接，另一端与下导电座104和电抗器线包103出线电气连接，在限流电抗器内部实现线包103与快速真空开关的电气并联连接；

所述快速真空开关包括真空灭弧室201、支撑法兰202、导电夹203、软连接204、绝缘拉杆205、斥力机构206和合分闸缓冲器207；其中，真空灭弧室201静端与上导电座104固定电气连接，灭弧室201动导电杆通过导电夹203、软连接204与下导电座104固定电气连接，同时灭弧室201的动导电杆通过绝缘拉杆205和斥力机构206的输出导杆固定连接，绝缘拉杆205一方面实现合分闸传动操作，另一方面实现灭弧室201部分与斥力机构206部分的电气隔离；合分闸缓冲器207与斥力机构206可动部件固定连接，实现快速真空开关合、分闸操作的缓冲；斥力机构206中的分闸线圈Coil_O和合闸线圈Coil_C分别通过限流器控制系统实现快速开关的分闸驱动和合闸驱动；

所述限流器控制系统包括监测控制单元和快速真空开关合分闸控制回路，限流器控制系统与线路断路器用电力系统继电保护控制系统相互独立：

其中，监测控制单元包括低通滤波器、磁通隔离DI、隔离异步AD、AD转换器、处理器、限流器状态显示模块、IGBT和SCR驱动回路；监测控制单元实时采集线路电流互感器CT信号和电压互感器PT信号，经低通滤波器后，传至AD转换器进行信号的模数转换，并将数字信号传至处理器，处理器依据该数字信号进行短路故障的快速辨识以及短路电流首个大半波过零点的快速预测，同时结合限流器状态信号和合分闸储能电容电压状态信号，向快速真空开关合分闸控制回路发送第一晶闸管SCR1合闸驱动信号，或在电流过零前3ms发送第二晶闸管SCR2分闸驱动信号或第三晶闸管SCR3分闸驱动信号；限流器状态信号和急停按钮信号通过磁通隔离DI，发送高电平或低电平信号至处理器；储能电容电压状态信号经隔离异步AD转换为数字信号后，发送至处理器；当限流器动作后，监测控制单元依据限流器状态信号和储能电容电压状态，分别向快速真空开关合分闸控制回路中的第一储能电容充电控制晶体管IGBT1、第二储能电容充电控制晶体管IGBT2和第三储能电容充电控制晶体管IGBT3发送驱动信号，确保合、分储能电容电压保持在合分闸操作所需的数值，以备限流器可靠动作；

快速真空开关合分闸控制回路包括由依次相串联的合闸储能电容C1、第一晶闸管SCR1和合闸线圈Coil_C以及与合闸线圈Coil_C并联的第一续流二极管D1组成的合闸放电回路，由依次相串联的第一分闸储能电容C2、第二晶闸管SCR2和分闸线圈Coil_O以及与分闸线圈Coil_O并联的第二续流二极管D2组成的第一分闸放电回路，以及由依次相串联的第二分闸储能电容C3、第三晶闸管SCR3和分闸线圈Coil_O以及与分闸线圈Coil_O并联的第二续流二极管D2组成的第二分闸放电回路，由依次相串联的直流恒流源、第一储能电容充电控制晶体管IGBT1和合闸储能电容C1构成的合闸储能电容充电回路，由依次相串联的直流恒流源、第二储能电容充电控制晶体管IGBT2和第一分闸储能电容C2构成的分闸储能电容第一充电回路，由依次相串联的直流恒流源、第三储能电容充电控制晶体管IGBT3和第二分闸储能电容C3构成的分闸储能电容第二充电回路，由依次相串联的第一按钮开关S1和第一放电电阻R1和合闸储能电容C1组成的合闸储能电容手动放电回路，由依次相串联的第二按钮开关S2和第二放电电阻R2和第一分闸储能电容C2组成的分闸储能电容第一手动放电回路，由依次相串联的第三按钮开关S3和第三放电电阻R3和第二分闸储能电容C3组成的分闸储能电容第二手动放电回路组成；

合闸储能电容C1通过第一储能电容充电控制晶体管IGBT1控制直流恒流源导通向其充电，同理第一分闸储能电容C2通过第二储能电容充电控制晶体管IGBT2控制导通向其充电，第二分闸储能电容C3通过第三储能电容充电控制晶体管IGBT3控制导通向其充电；在合闸储能电容C1或第一分闸储能电容C2或第二分闸储能电容C3充电过程中，对应的第一储能电容充电控制晶体管IGBT1或第二储能电容充电控制晶体管IGBT2或第三储能电容充电控制晶体管IGBT3导通，对应第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2或第三晶闸管SCR3保持关断；当上述各储能电容充电至合、分闸操动所需电压时，监测控制单元依据检测到的电压状态信号，向快速真空开关合分闸控制回路中的第一储能电容充电控制晶体管IGBT1、第二储能电容充电控制晶体管IGBT2或第三储能电容充电控制晶体管IGBT3发送驱动信号，第一储能电容充电控制晶体管IGBT1、第二储能电容充电控制晶体管IGBT2或第三储能电容充电控制晶体管IGBT3执行关断并保持；

限流电抗器中的快速真空开关执行合、分闸操作时，监测控制单元向快速真空开关合分闸控制回路中的晶闸管发送合、分闸驱动信号；当快速真空开关执行合闸操作时，第一晶闸管SCR1接收监测控制单元发送的“SCR1合闸驱动信号”后保持导通；当快速真空开关执行第一次分闸操作时，第二晶闸管SCR2接收监测控制单元发送的“SCR2分闸驱动信号”后保持导通；当快速真空开关执行第二次分闸操作时，第三晶闸管SCR3接收监测控制单元发送的“SCR3分闸驱动信号”后保持导通；当限流器配合线路断路器延迟180s的第二次重合闸操作时，限流电抗器中快速真空开关的在合闸放电回路的驱动下执行合闸操作，在第一分闸放电回路的驱动下执行分闸操作；

快速真空开关合分闸控制回路中的第一按钮开关S1、第二按钮开关S2、以及第三按钮开关S3，仅在需要执行手动放电操作或急停运行时才导通，其它任何情况下，各按钮开关均保持关断状态。

所述的一体化集成的快速开关型限流器与线路断路器的配合方法，具体如下：

1)当线路发生短路故障时，限流器控制系统依据监测到的线路电压和电流信号，控制快速真空开关采用短时燃弧的方式，在短路故障发生后20ms内分断快速真空开支路的短路电流，并将其转移至限流电抗器支路，实现短路电流的快速限制，线路断路器接收电力系统继保控制系统的分闸动作指令，分断被限制后的短路电流；

2)线路断路器分断被限短路电流后，限流器内部的快速真空开关在限流器控制系统合闸放电回路的作用下，执行合闸操作，当系统短路故障为暂时性故障时，线路断路器重合闸操作后，限流器运行于低损耗状态；

3)当线路断路器重合闸于永久故障时，限流器控制系统监测并重新辨识线路短路短路故障并预测短路电流首个大半波过零点，同时控制限流电抗器内部的快速真空开关在20ms内分断并转移短路电流至限流电抗器，线路断路器执行第二次分断操作，开断被限后的短路电流；

4)在线路断路器延迟180s执行第二次重合闸操作期间，限流电抗器中的快速真空开关执行合闸操作，且合闸储能电容C1、第一分闸储能电容C2和第二分闸储能电容C3，分别充电至合分闸操作所需电压；

5)若线路断路器第二次合分闸操作重合于暂时性故障，则限流器运行于低损耗状态；若重合于永久故障，则限流器控制系统在20ms内控制限流器动作，使之运行于限流运行状态，然后线路断路器第三次开断被限短路电流。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：一方面通过快速真空开关与限流电抗器的一体化集成，可显著降低现有快速开关型限流器体积成本；另一方面采用本发明所提的快速真空开关型限流器与线路断路器重合闸操作的配合方法，可有效降低限流器对限流电抗器动、热稳定度的技术指标要求；此外，限流器控制系统与线路断路器用电力系统继电保护控制系统相互独立，一方面可不受现有电力系统继电保护出口动作时间≥10ms的限制，在20ms内完成短路电流的快速限制，提升系统运行的暂态稳定性；另一方面若限流器控制系统因意外而发生误判，导致限流电抗器在系统正常运行工况下投入电网时，仅增加线路运行阻抗，并不会对系统的安全稳定运行产生影响。

附图说明

图1为本发明一体化集成快速真空开关型限流器结构图。

图2为本发明一体化集成快速开关型限流器与线路断路器配合应用的电气拓扑图。

图3为本发明一体化集成快速开关型限流器控制系统监测控制单元结构原理框图。

图4为本发明一体化集成快速开关型限流器控制系统快速真空开关合分闸控制回路原理图。

图5为本发明一体化集成快速真空开关型限流器与线路断路器重合闸操作的时序控制图。

图6为本发明一体化集成快速开关型限流器与线路断路器重合闸操作配合应用图效果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，以用于10kV配网系统的快速开关型限流器为例，对一体化集成快速开关型限流器及其与线路断路器重合闸的配合方法做进一步详细说明。

如图1所示为用于10kV配网系统的一体化集成的快速开关型限流器结构图，包括限流电抗器以及集成于限流电抗器内部且与之电气并联连接的快速真空开关。其中，限流电抗器包括进线法兰101、上导电座102、电抗器线包103、下导电座104和出线法兰105；进线法兰101一端与线路直接连接，另一端与上导电座102和电抗器线包103进线电气连接；出线法兰105一端与线路直接连接，另一端与下导电座104和电抗器线包103出线电气连接，在限流电抗器内部实现线包103与快速真空开关的电气并联连接。

快速真空开关包括真空灭弧室201、支撑法兰202、导电夹203、软连接204、绝缘拉杆205、斥力机构206和合分闸缓冲器207；其中，真空灭弧室201静端与上导电座104固定电气连接，灭弧室201动导电杆通过导电夹203、软连接204与下导电座104固定电气连接，同时灭弧室201的动导电杆通过绝缘拉杆205和斥力机构206的输出导杆固定连接，绝缘拉杆205一方面实现合分闸传动操作，另一方面实现灭弧室201部分与斥力机构206部分的电气隔离；合分闸缓冲器207与斥力机构206可动部件固定连接，实现快速真空开关合、分闸操作的缓冲；斥力机构206中的分闸线圈Coil_O和合闸线圈Coil_C分别通过限流器控制系统实现快速开关的分闸驱动和合闸驱动。

为满足12kV真空灭弧室分闸触头开距要求，斥力机构206输出行程设置为10mm，合闸线圈Coil_C和分闸线圈Coil_O皆采用ABS材料进行一体化成型浇注制备，且其外径为150mm、线圈内径为80mm、线圈匝数为15匝、线圈高度为15mm、斥力盘直径为150mm、斥力盘厚度为10mm。据此，当快速真空开关在第一分闸储能电容C2或第二分闸储能电容C3为10mF、充电电压为800V时，其满开距平均分闸速度可达4.5m/s。此外，为防止合闸线圈Coil_C和分闸线圈Coil_O在冲击应力作用下发生损坏，设置合分闸缓冲器207的同时，在斥力机构上下法兰设置有导向和限位结构，当快速真空开关处于合闸或分闸位置时，斥力盘与线圈间隙距离为1mm。

图2所示为一体化集成的快速开关型限流器与线路断路器配合应用的电气拓扑。限流器控制系统与线路断路器用电力系统继电保护控制系统相互独立，二者同时实时监测并接收线路电流互感器CT和电压互感器PT信号。限流器控制系统通过综合电压跌落和电流突变量检测算法，可在短路故障发生后的0.5ms内辨识短路故障，同时综合采用渐消卡尔曼滤波算法和神经网络算法，可在短路故障发生后的5ms内预测是短路电流首个大半波过零点。

图3所示为一体化集成的快速开关型限流器的限流器控制系统的监测控制单元结构原理框图。监测控制单元通过低通滤波器，实时采集电流互感器CT和电压互感器PT模拟信号，同时送至AD转换器将电压电流模拟信号转变为数字信号，送至处理器。在本具体实施方案中，采用STM32F系列ARM芯片作为处理器，进行短路故障辨识算法和短路电流首个大半波过零点预测算法的运算。监测控制单元同时实时检测限流器状态信号、快速真空开关合分闸控制回路中的合闸储能电容C1、第一分闸储能电容C2、第二分闸储能电容C3的电压状态，以及第一按钮开关S1、第二按钮开关S2和第三按钮开关S3状态，并实时显示限流器运行状态。

图4所示为一体化集成的快速开关型限流器控制系统快速真空开关合分闸控制回路原理图。该控制回路由依次相串联的合闸储能电容C1、第一晶闸管SCR1和合闸线圈Coil_C以及与合闸线圈Coil_C并联的第一续流二极管D1组成的合闸放电回路，由依次相串联的第一分闸储能电容C2、第二晶闸管SCR2和分闸线圈Coil_O以及与分闸线圈Coil_O并联的第二续流二极管D2组成的第一分闸放电回路，以及由依次相串联的第二分闸储能电容C3、第三晶闸管SCR3和分闸线圈Coil_O以及与分闸线圈Coil_O并联的第二续流二极管D2组成的第二分闸放电回路，由依次相串联的直流恒流源、第一储能电容充电控制晶体管IGBT1和合闸储能电容C1构成的合闸储能电容充电回路，由依次相串联的直流恒流源、第二储能电容充电控制晶体管IGBT2和第一分闸储能电容C2构成的分闸储能电容第一充电回路，由依次相串联的直流恒流源、第三储能电容充电控制晶体管IGBT3和第二分闸储能电容C3构成的分闸储能电容第二充电回路，由依次相串联的第一按钮开关S1和第一放电电阻R1和合闸储能电容C1组成的合闸储能电容手动放电回路，由依次相串联的第二按钮开关S2和第二放电电阻R2和第一分闸储能电容C2组成的分闸储能电容第一手动放电回路，由依次相串联的第三按钮开关S3和第三放电电阻R3和第二分闸储能电容C3组成的分闸储能电容第二手动放电回路组成。

合闸储能电容C1和第一分闸储能电容C2、第二分闸储能电容C3皆采用1.5kV-10mF脉冲电容器，当第一分闸储能电容C2或第二分闸储能电容C3充电至800V时，快速真空开关分闸时间仅1.0±0.05ms。设置两组分闸储能电容的目的在于配合线路断路器延时0.3s二分重合闸操作；通过第一晶闸管SCR1、第二晶闸管SCR2、第三晶闸管SCR3分别对合闸线圈Coil_C和分闸线圈Coil_O进行放电；在斥力机构的合闸线圈Coil_C上并联第一续流二极管D1，或在分闸线圈Coil_O上并联第二续流二极管D2的目的在于获得较高的驱动效率。在线路断路器执行额定重合闸操作序列O-0.3s-CO-180s-CO过程中，限流器中的快速真空开关为满足第二次合闸操作和第三次分闸操作要求，合闸储能电容C1、第一分闸储能电容C2和第二分闸储能电容C3，在直流恒流源作用下可在1min内充至合分闸所需电压800V。限流器动作过程中，快速真空开关采用相控短时燃弧方案进行完成支路短路电流开断和转移，燃弧时间在本具体实施方案中为2.0ms。当快速真空开关在上述燃弧时间条件下，以4.5m/s的分闸速度进行开断时，可完成50kA短路电流的可靠开断。

图5所示为一体化集成的快速真空开关型限流器与线路断路器重合闸操作的时序控制图。首先，当线路发生短路故障时，限流器控制系统，控制快速真空开关在短路故障发生后20ms内分断开关支路短路电流，并将其转移至限流电抗器支路，实现短路电流限制，线路断路器收到电力系统继电保护控制系统发出的分闸指令后，分断被限的短路电流；其次，线路断路器开断被限短路电流后，限流器内部的快速真空开关执行合闸操作，当系统短路故障为暂时性故障时，线路断路器重合闸操作后，限流器运行于低损耗状态。

当线路断路器重合闸于永久故障时，限流器控制系统监测并重新辨识线路短路电流首个大半波过零点，并控制限流器内部的快速真空开关在20ms内分断并转移短路电流至限流电抗器，线路断路器执行第二次分断操作，开断被限制的短路电流；在线路断路器延迟180s执行第二次重合闸操作期间，限流器控制系统中的快速真空开执行合闸操作，同时合闸储能电容C1、第一分闸储能电容C2和第二分闸储能电容C3充电至800V；若线路断路器第二次重合闸操作重合于暂时性故障，则限流器运行于低损耗状态；若重合于永久故障，则限流器控制系统在20ms内控制限流器动作，限制短路电流，然后线路断路器第三次分断被限短路电流。

图6所示为一体化集成的快速开关型限流器与线路断路器重合闸操作配合应用效果。本具体实施方案中，采用10kV配网单机无穷大系统仿真对比了三相接地短路故障时，线路不加装快速开关型限流器和加装限流器后A相短路电流波形。模型中限流电抗器为0.015mH，线路模型采用PI型等效电路长度为100km，线路断路器分闸时间设置为30ms，电力系统继电保护控制系统故障检测时间设置为10ms，线路断路器合闸时间为80ms，金短时间为80ms。限流器控制系统短路故障辨识时间和过零点预测时间总共为5.0ms，快速开关分闸时间为1ms，燃弧时间为2.0ms，合闸时间为15ms。在距离电源侧10km处发生三相短路故障。由图6中的电流波形对比可见，采用一体化集成的快速开关型限流器后，短路电流首各大半波过零后，即可实现短路电流的快速限制，且在上述限流电抗器数值条件下，短路电流第二个半波峰值-5.9kA显著降低至-2.3kA，短路电流限制率达61％。