CN102790382A - 一种限流软开断装置 - Google Patents

Abstract

一种限流软开断装置，采用紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1和第一断路器K1先串联，然后和第二绕组L2并联，可以采用开断容量为短路电流50%的断路器实现对单个支路绕组的开断。在第一绕组L1断开后，紧耦合双绕组电抗器的电抗迅速增加，***短路电流下降。通过合理设计紧耦合双绕组电抗器各支路绕组的电抗值，可以实现紧耦合双绕组电抗器在***稳态运行时电抗小，对***运行影响不大；而在发生短路故障时，紧耦合双绕组电抗器的电抗值增加至***的额定阻抗，如果***发生的是临时故障，第二断路器K2可以不再需要断开。第一断路器K1自动重合闸后，如果***短路电流仍然超标，第一断路器K1和第二断路器K2相继断开。

Description

一种限流软开断装置

技术领域

本发明涉及一种限流软开端装置。

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力***的不断发展，单机容量和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力***之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高。尽管如此，一般的做法仍然是采用断路器对故障线路进行开断，一方面保护电力设备，另一方面也避免由于母线电压过低而对用户造成不利影响。随着短路电流水平的不断提高，就需要不断提高断路器的开断容量。为此，研究人员对断路器的电磁与机械结构、触头材料、灭弧介质等方面开展了大量的研究，低压交流断路器的开断容量已经达到了125kA，应用于220kV、330kV、500kV等高压和超高压电力***的交流断路器的开断容量达到了75kA。然而，进一步提高断路器的开断容量，不仅在技术上已经越来越困难，而且造价也将大幅度提高。此外，断路器不能直接并联使用。因此，电网故障短路电流的开断容量不足已经越来越成为限制电网发展的重要瓶颈问题。

考虑到断路器的开断容量不足，近几年来，多种限制电网短路电流的方法也开始被关注和应用。限制电网短路电流的方法主要有：（1）提高电网电压；（2）解开电网连接，包括断开一些输电线路或双母线间的连接。在出现短路故障时，可以关合备用断路器保障供电；（3）提高电力变压器短路阻抗；（4）装设限流电抗器；（5）装设故障电流限制器。然而，提高电网电压等级的成本太高；解开电网连接的方法，会导致电网的供电可靠性大大降低；采用高阻抗变压器或限流电抗器是目前限制短路电流最简单也是最成熟的方案，但需要消耗无功功率且不利于电网暂态稳定。为了消除限流电抗器的缺点，研究人员提出了故障电流限制器这一解决方案。故障电流限制器在正常条件下阻抗很小，在短路故障时阻抗变大而限流。故障电流限制器分为超导型和非超导型两种。超导型故障限流器分为电阻型、饱和铁芯型、桥路型、感应屏蔽型等结构型式，非超导型故障限流器分为桥路型、串联谐振型、并联谐振型、磁饱和型、并联开关投电抗型等结构型式。超导型和非超导型故障限流器均存在造价高、运行损耗大或可靠性低等缺点，面临很大的挑战。

考虑到现有高压大容量断路器开断容量不足、无法直接并联，超导型和非超导型故障限流器技术尚不成熟，如果在当前能够用一种非常廉价的方式构造大容量断路器，将具有非常积极的意义。中国专利200710052947.7公开了一种并联型断路器，由2~4条支路并联组成，每条支路包括串联的电感线圈和断路器，各支路的电感线圈匝数相等，在铁芯的各磁路中产生的磁通两两相反。该专利采用2~4台相同开断容量的断路器相并联，实现对大电流的开断。但是该断路器在开断过程中，故障电流最大仅能限制到***短路电流的25%~50%，不具备对线路的软开断能力；并且该专利公开的并联型断路器采用的断路器数量也较多，断路器的开断容量下降不明显。

发明内容

本发明的目的在于克服常规断路器和限流电抗器的缺点，提出一种同时具有限流功能和软开断功能的限流软开断装置。本发明首先将紧耦合双绕组电抗器单个支路与断路器先串联，然后此串联支路再与该紧耦合双绕组电抗器的另一个支路并联，将断路器的开断容量降至短路容量的50%。同时，当该断路器断开后，电抗器的阻抗迅速增加，这样另一台断路器可以不再需要断开，从而实现对故障线路的软开断。本发明提出的限流软开断装置，灵活、易实施，可应用于各种不同电压等级、不同容量的电网***中。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明限流软开断装置由紧耦合双绕组电抗器、第一断路器、第二断路器、或者再加上电容器构成，所述的紧耦合双绕组电抗器可以为一台或两台。紧耦合双绕组电抗器由第一绕组、第二绕组和矩形的闭合或半闭合铁芯组成，所述的第一绕组和第二绕组的匝数相同，以反并联方式绕制在所述铁芯的两个芯柱上。

本发明可以采用以下几种技术方案：

紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第一断路器先串联，然后紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第二绕组并联，最后紧耦合双绕组电抗器和第二断路器串联。

紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第一断路器先串联，然后紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第二绕组并联，并和电容器并联，最后紧耦合双绕组电抗器和第二断路器串联。

两台紧耦合双绕组电抗器采用二级级联连接方式，二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第一断路器先串联，然后和二级紧耦合双绕组电抗器的第二绕组进行并联；接下来，整个二级紧耦合双绕组电抗器与一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组串联，然后和一级紧耦合双绕组电抗器的第二绕组进行并联，最后一级紧耦合双绕组电抗器和第二断路器串联。

两台紧耦合双绕组电抗器采用二级级联连接方式，还可以是：二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组和第一断路器先进行串联，然后和二级紧耦合双绕组电抗器的第二绕组进行并联；接下来，整个二级紧耦合双绕组电抗器与一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组串联，然后和一级紧耦合双绕组电抗器的第二绕组进行并联，并和电容器并联，最后一级紧耦合双绕组电抗器和第二断路器串联。

该限流软开断装置在正常运行时表现为低阻抗，在***突发短路时由于第一断路器开断，装置的总电抗值迅速增加，***的短路电流降低到额定电流水平，这样第二断路器可以不再需要断开，从而实现对故障线路的软开断。如果***发生了永久故障，第二断路器也很容易断开。本发明限流软开断装置采用的电抗器为紧耦合双绕组电抗器，电抗器可以采用铁芯或半铁芯结构；电抗器和断路器都可以采用三相独立结构或三相组合结构。

本发明具有以下主要优点：

1）本发明通过断路器开断过程中紧耦合双绕组电抗器自身的阻抗变化来实现限流和开断功能，不需要外加控制***。因此，该限流软开断装置结构简单、易实现，且可靠性高。

2）本发明限流软开断装置对电网的稳态影响小。在正常运行时，电抗器的稳态阻抗很小，不会增加***无功，稳态性能优于已有的限流电抗器。

3）本发明可用于构造大容量的断路器。采用紧耦合双绕组电抗器单个支路与断路器串联的方式降低断路器的开断容量，降低了大型断路器制作的技术难度和成本，更有市场竞争力。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1为本发明具体实施例1限流软开断装置在稳态运行时的电路和磁路示意图；

图2为本发明具体实施例1限流软开断装置在短路时的电路和磁路示意图；

图3为本发明具体实施例1限流软开断装置的等效电路图；

图4为本发明具体实施例2并联谐振型限流软开断装置的等效电路图；

图5为本发明具体实施例3二级级联结构限流软开断装置的等效电路图；

图6为本发明具体实施例4并联谐振型二级级联结构限流软开断装置的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

本发明将紧耦合双绕组电抗器应用于对故障线路的软开断，即在***发生偶发短路故障时，故障线路可以不需要开断而能保障非故障线路的正常运行。

图1所示为本发明实施例1限流软开断装置在稳态运行时的电路和磁路示意图。所述的限流软开断装置由第一绕组L1、第二绕组L2、矩形闭合或半闭合铁芯组成的紧耦合双绕组电抗器，以及第一断路器K1和第二断路器K2组成。所述的紧耦合双绕组电抗器中，第一绕组L1和第二绕组L2的匝数相同，以反并联方式绕制在所述铁芯的两个芯柱上。紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1先和第一断路器K1串联，然后再和第二绕组L2并联，最后整个紧耦合双绕组电抗器再和第二断路器K2串联。在正常工作时，第一断路器K1和第二断路器K2都处于闭合状态，第一绕组L1和第二绕组L2通过的电流相同，产生的磁通大小相等，方向相反。由于该铁芯电抗器在正常工作时产生的磁通主要为漏磁通，漏感相对很小，因此对电网影响很小。另外，由于该紧耦合双绕组电抗器的绕组在正常运行时铁芯磁通很小，第一绕组L1和第二绕组L2的载流量为***电流的一半，因此，第一断路器K1可以选择开断容量为***短路容量50%的断路器。同时，该紧耦合双绕组电抗器总的铁耗和铜耗都可控制在较低的水平。

图2所示为本发明实施例1限流软开断装置在***发生短路故障时的运行情况。如上所述，在正常运行时，第一断路器K1的载流量为1/2的***电流。在短路故障发生时，通过参数整定，使第一断路器K1先断开，电抗器的磁通将主要从铁芯中通过，电抗器的电抗会迅速增大，从而将短路电流限制下来，选择合理设计第一绕组L1和第二绕组L2的电抗值，可以将短路电流限制到额定电流附近，这样第二断路器可以不需要断开，从而实现对故障线路的软开断。

如图3所示，为实施例1限流软开断装置的等效电路图。紧耦合双绕组电抗器两个绕组L1和L2的自感分别为L₁和L₂，互感为M。由于双绕组匝数相同，同名端相反，因此L₁＝L₂，互感M与L₁和L₂非常接近；紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1先和第一断路器K1串联，然后再和第二绕组L2并联，最后整个紧耦合双绕组电抗器再和第二断路器K2串联。在***正常运行时，电抗器的电抗值

为一非常小的数值，对***影响很小，第一断路器K1的载流量为输电线路电流的50%。在***发生短路故障时，通过断路器的参数整定，使第一断路器K1先开断，电抗器的电抗值L′＝L₂，***的短路电流迅速下降。通过选择合适的设计参数，可以使短路电流降低到接近额定运行电流的值，因此，如果***发生的是非永久性故障，只需要断开第一断路器K1，第二断路器K2可以不需要断开，从而实现对故障线路的软开断。如果***发生了永久性短路故障，由于短路电流与额定运行电流大小接近，第二断路器K2可以很容易断开。紧耦合双绕组电抗器设计均采用铁芯或半铁芯结构，比较容易达到上述设计指标。

如图4所示，为实施例2并联谐振型限流软开断装置的等效电路图。与实施例1相同，紧耦合双绕组电抗器两个绕组L1和L2的自感分别为L₁和L₂，互感为M。由于双绕组匝数相同，同名端相反，因此L₁＝L₂，互感M与L₁和L₂非常接近；紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1先和第一断路器K1串联，然后再和第二绕组L2并联；与实施例1不同的是：紧耦合双绕组先和电容器C并联之后再和第二断路器K2串联。在***正常运行时，电抗器的电抗值为一非常小的数值，***阻抗为

通过合理设计，使得ω²LC＜＜1。因此，在***正常运行时，***电流将主要从电抗器流过，第一断路器K1的载流量为输电线路电流的50%。在***发生短路故障时，通过断路器的参数整定，使第一断路器K1先开断，第一断路器K1开断后，电抗器的电抗值L′＝L₂，通过合理设计，使得ω²L′C≈1，即利用并联谐振的原理是线路的总阻抗迅速增加，短路电流会迅速下降。通过选择合适的设计参数，可以使短路电流降低到接近额定运行电流的值，因此，如果***发生的是非永久性故障，只需要断开第一断路器K1，第二断路器K2可以不需要断开，从而实现对故障线路的软开断。如果***发生了永久性短路故障，由于短路电流与额定运行电流大小接近，第二断路器K2可以很容易断开。紧耦合双绕组电抗器设计均采用铁芯或半铁芯结构，比较容易达到上述设计指标。

如图5所示，本发明实施例3二级级联结构限流软开断装置的等效电路图。一级紧耦合双绕组电抗器两个绕组L1和L2的自感分别为L₁和L₂，互感为M，L₁＝L₂；二级紧耦合双绕组电抗器的结构与一级电抗器类似，第一绕组L11和第二绕组L12的互感为M₁，自感L₁₁＝L₁₂；二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L11先和第一断路器K1串联，然后再和第二绕组L12并联；二级紧耦合双绕组电抗器和一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1串联，然后和第二绕组L2并联；最后一级紧耦合双绕组电抗器与第二断路器K2串联；在正常工作时电抗器的电抗值

对***影响很小；在***发生故障短路时，第一断路器的开断容量为短路电流25%，电抗器的电抗值发生变化，通过合理设计L₁和L₂、L₁₂和L₂₂的数值，可使L′与额定阻抗接近，这样第二断路器K2可以不再需要断开，从而实现对故障线路的软开断。如果***发生了永久性短路故障，由于短路电流与额定运行电流大小接近，第二断路器K2可以很容易断开。一级紧耦合双绕组电抗器和二级紧耦合双绕组电抗器设计均可采用铁芯或半铁芯结构，比较容易达到上述设计指标。

如图6所示，本发明实施例4并联谐振型二级级联结构限流软开断装置的等效电路图。与实施例3相同的是：一级紧耦合双绕组电抗器两个绕组L1和L2的自感分别为L₁和L₂，互感为M，L₁＝L₂；二级紧耦合双绕组电抗器的结构与一级电抗器类似，第一绕组L11和第二绕组L12的互感为M₁，自感L₁₁＝L₁₂；二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L11先和第一断路器K1串联，然后再和第二绕组L12并联；二级紧耦合双绕组电抗器和一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组L1串联，然后和第二绕组L2并联。与实施例3不同的是：一级紧耦合双绕组电抗器先和电容器C并联后再和第二断路器K2串联。在正常工作时紧耦合电抗器的电抗值

为一非常小的数值；***阻抗为

通过合理设计，使得ω²LC＜＜1，对***影响很小；在***发生故障短路时，第一断路器的开断容量为短路电流的25%，电抗器的电抗值发生变化，

***阻抗为

通过合理设计L₁和L₂、L₁₂和L₂₂、以及电容器C的数值，可使ω²L′C≈1，***阻抗增加到与额定阻抗相近的水平，这样第二断路器K2可以不再需要断开，从而实现对故障线路的软开断。如果***发生了永久性短路故障，由于短路电流与额定运行电流大小接近，第二断路器K2可以很容易断开。限流断路器中的一级电抗器和二级电抗器设计也可采用铁芯或半铁芯结构，比较容易达到上述设计指标。

Claims (4)

1.一种限流软开断装置，其特征在于，所述的限流软开断装置由紧耦合双绕组电抗器、第一断路器（K1）和第二断路器（K2）构成；所述的紧耦合双绕组电抗器由第一绕组（L1）、第二绕组（L2）和矩形的闭合或半闭合铁芯组成，所述的第一绕组（L1）和第二绕组（L2）的匝数相同，以反并联方式绕制在所述铁芯的两个芯柱上；所述的紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）先和第一断路器（K1）串联，然后所述的紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）和紧耦合双绕组电抗器的第二绕组（L2）并联，最后所述的紧耦合双绕组电抗器和第二断路器（K2）串联。

2.根据权利要求1所述的限流软开断装置，其特征为所述的紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）先和第一断路器（K1）串联，然后所述的紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）和第二绕组（L2）并联，并和电容器（C）并联，最后所述的紧耦合双绕组电抗器和第二断路器（K2）串联。

3.根据权利要求1所述的限流软开断装置，其特征在于两台所述的紧耦合双绕组电抗器采用二级级联方式连接：二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L11）和第一断路器（K1）先串联，然后所述的二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L11）和第二绕组（L12）并联；所述的二级紧耦合双绕组电抗器与一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）串联，然后和第二绕组（L2）进行并联，最后所述的一级紧耦合双绕组电抗器和第二断路器（K2）串联。

4.根据权利要求3所述的限流软开断装置，其特征为所述的二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L11）和第一断路器（K1）先串联，然后所述的二级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L11）和第二绕组（L12）并联；所述的二级紧耦合双绕组电抗器与一级紧耦合双绕组电抗器的第一绕组（L1）串联后和所述的第二绕组（L2）并联，并和电容器（C）并联，最后所述的一级紧耦合双绕组电抗器和第二断路器（K2）串联。

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