程艳兵，汪志鹏，祁福

(1.江西铜业集团公司武山铜矿，江西瑞昌 332204;2.江西铜业集团公司材料设备公司，江西贵溪 335424; 3.安徽恒凯电力保护设备有限公司，安徽合肥 230088)

零损耗深度限流装置的优化与运用

程艳兵1，汪志鹏2，祁福3

(1.江西铜业集团公司武山铜矿，江西瑞昌 332204;2.江西铜业集团公司材料设备公司，江西贵溪 335424; 3.安徽恒凯电力保护设备有限公司，安徽合肥 230088)

电力系统中，由于主变的扩容，主变容量增加，随之带来了系统短路电流的增加、断路器开断能力不足、系统动、热稳定不够等一系列问题。为了解决上述问题，设计时在主变下方加装限流电抗器以降低系统的三相短路电流，确保厂用电系统发生短路时，断路器能可靠切断故障。ZLB型零损耗深度限流装置，在系统无短路电流故障发生时，电抗器阻抗很小——零损耗;在系统发生短路故障时，电抗器阻抗很大——深度限流;系统短路故障切除后，装置立即返回原工作状态。

断路器;短路故障;电抗器阻抗;零损耗;深度限流;开断能力

1 引言

众所周知，电力系统发生短路故障时，短路电流一般为额定电流的十几倍，这给变压器、发电机、断路器、输电线路等电气设备造成很大危害，而目前较为经济实用的真空断路器［1］的开断能力均在40KA以下，开断时间需要几十个毫秒。随着各类型用电企业的发展壮大，用电负荷大举攀升，主变压器容量也相应增大，各企业电网系统面临短路电流已经接近和达到负载真空断路器开断容量，真空断路器开断容量不足、变压器抗短路电流冲击能力设计不足等问题，严重威胁着企业安全运行。面临越来越严重的短路电流超标问题，很多企业采用高阻抗变压器限制系统短路电流。但变压器加大阻抗没有最终解决限流深度问题，电动力减少甚微，还带来了有功无功损耗，投资成本上升。采用普通串联限流电抗器也没有从根本上解决限流深度问题(限流深度均在百分之十几左右)，同时带来了有功无功损耗、母线压降、漏磁场等弊病，系统发生短路时由于限流深度不够，不能有效的保护发电机、变压器等主要电气设备，在巨大的短路电流冲击下产生绕组变形而损坏，灾难性事故发生。

目前市场上使用的爆炸型大容量高速开断装置［2］和电抗器并联运行［3］，虽然解决了电抗器有功无功损耗、电压降、漏磁场问题，但是当发生短路故障后其一次元器件动作，电抗器投入运行工作并没有解决限流深度问题。该类型装置需要更换新的备件，方可重新投入运行。企业运行费用不仅增加，而且增加了安装柜体的空间及电抗器装置之间的母线连接，人为的设置了故障隐患点。

因而开发一种能快速、可靠的深度限制短路电流的电抗器［4］，这不仅对电力系统安全、可靠的运行显得十分重要，而且对降低电气设备使用厂家的设备成本也有着十分重要的意义。为满足电力系统对短路保护的需求，安徽恒凯电力保护设备有限公司研发了零损耗深度限流装置(ZLB)，它可在短路电流的初始阶段，快速投入深度限流电抗器，即将短路电流限制在可靠的范围内，从而达到了保护配电设备及供电线路的目的。

2 关键词定义

限流比、限流深度

系统电压:U系统原有阻抗:X1深度限流装置的阻抗X

串入深度限流装置后系统的总阻抗为X2

图1 供电一次系统图

假设与5台FSR并联的限流电抗器限流10kA则

由于流向短路点的短路电流超过50kA，这样对断路器的开断容量要求就比较高。系统如果要安全运行，必需降低流向短路点的短路电流，才能选用合适的断路器进行开断。若线路断路器的额定短路开断电流为31.5kA，为了增加开断的可靠性，将系统总的短路电流限制到断路器额定开断容量的80%，即31.5×0.8=25kA，则需将主变提供的短路电流降低到IK1＇=25kA－10kA=15kA，这样断路器才能安全的开断短路点的电流。

此方案在从根本上解决了，断路器的开断容量不足，电抗器限流深度等问题。

3 ZLB工作原理

本装置通过罗克线圈，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DCP通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。

高速开关在电流接近过零点时三相分别准确分闸开断，短路电流换流进入深限流电抗器中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。测控单元向后台发出动作指示信号。

本装置可在7～15ms内可将短路电流限制在原幅值50%以下，使系统所受到的短路冲击大大降低，保护系统内变压器发电机等电气设备，同时提高了短路点负载真空断路器使用寿命，保证了系统的安全运行。短路故障切除后，测控单元自动检测母线电压回升立即给高速开关发出合闸命令，深限流电抗器退出，系统即可恢复正常运行。

4 采用零损耗深度限流装置的优点

4.1 大容量高速开关与深度限流装置的比较

表1 大容量高速开关与深度限流装置优缺点的比较

4.2 提高了供电的可靠性

在厂用系统正常运行时，电抗器使得母线上电压降低;而在最大电动机启停时，将使电压波动加剧，带来晃电问题，提高了供电的可靠性。

4.3 减少了电抗器的功耗

在正常运行时，运行电流通过电抗器上时会产生大量的能量损耗。仅有功损耗可能会有近十万元，无功损耗更大。空心电抗器强大的漏磁场对混凝土的影响及对通讯的干扰。楼板或基础混凝土中的钢筋在强大的漏磁场作用下，产生附加损耗，而且在长期的震动下，将使混凝土松软，影响混凝土基础和厂房的寿命。强大的漏磁场将使通讯系统及计算机监控系统受到严重干扰，甚至无法正常工作［5］。

4.4 动作速度快

ZLB 装置能在系统发生短路的7～15ms内将短路电流开断，深度限流电抗器将短路电流将至50%以下。短路保护装置的开断时间有四部分组成;监控单元采样、计算、发出动作命令时间;专用断路器固有分闸时间;熄弧时间;短路电流换流进入深限流电抗器时间。一般微机保护采样需要一个周波20ms;快速FFT计算及发出命令需30ms;普通断路器固有分闸时间需50ms以上;开断后熄弧时间达十几毫秒左右;电流才能通过零熄弧。故其需要100ms左右方能切断短路电流。长时间的短路电流对变压器、母线、开关和发电机等设备的动、热稳定有着极高的要求。ZLB装置中使用高速涡流驱动开关［6］，能实现5ms以内分闸，10ms合闸。同时测控单元使用高精度、高速数模转换器，不断对系统电流进行检测，当电流大于设定值，通过高速DSP技术和专用算法，在2ms内快速计算短路电流及电流过零点的精确时刻，并在过零点之前发生动作信号，驱动开关在过零点之前切断电路，确保熄弧时间最短，在7～15ms内将短路电流换入深度限流电抗器中。

4.5 开断能力强

ZLB装置中的进口开关为三相独立动作，利用对触头刚分时间的合理控制，确保各相动作均为临界过零开断，使熄弧时间最小。大大增加了灭弧室的开断余量，短路开断能力可轻松达到80kA。

4.6 限流电抗器限流效果好

ZLB装置中深度限流电抗器由于正常运行时，无电流通过。从而无能损耗，无压降，同时也不会产生漏磁场。只有在短路发生时投入工作，电抗值可根据系统需要，将短路电流限制在预期短路电流的50%以下，从而在发生短路的过程中将短路电流大大降低，变压器免受巨大的短路电流冲击，系统内断路器开断能力也相应降低。

4.7 使用寿命长

ZLB装置中的开关使用高速涡流驱动机构，比普通断路器所使用的弹簧操作机构运动部件减少80%，且使用简单的直线运动，没有复杂的传动机构，磨损极小，机械寿命及可靠性大大提高，同时，本装置系过零点开断，熄弧期间的燃弧量不到普通断路器的10%，开断容量大大提高，触头烧灼小，其触头电寿命呈级数上升，深度限流电抗器无短路发生时，处于零损耗，不发热、无电压降，使用寿命长。

4.8 性能高可靠

ZLB装置核心部件均为国外生产，即使在强电磁干扰环境下，仍能可靠运行。同时，电子控制器带有实时自检功能，确保其始终可靠运行，各功能信息均能通过通讯发送后台报警监控。

4.9 动作分散度小

由于大幅度的缩短了合闸时间并配置了直接驱动的高速涡流驱动机构，合闸分散度可以控制在0.1ms以内。

4.10 合闸无反弹

根据现场情况，可以加装防触头撞击装置，确保合闸无反弹。

5 零损耗深度限流装置的工作原理

本装置通过罗克线圈，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DCP通过专用算法，快速精确的预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。

高速开关在电流接近过零点的三相分别准确分闸开断，短路电流换流进入深度限流电抗器中，限流短路电流，短路电流幅值大大降低。

测控单元向后台发出动作指示信号。

本装置可在7～15ms内将短路电流限制在原幅值50%以下，使系统所受到的短路冲击大大降低，保护系统内变压器发电机等电气设备，同时提高了短路点负载真空断路器使用寿命，保证了系统的安全运行。

短路故障切除后，测控单元自动检测母线电压回升立即给高速开关发出合闸命令，深度限流电抗器退出，系统即可恢复正常运行。

6 结论

零损耗深度限流装置为最佳节能和最经济有效的限流方案，大大减少系统扩建或联网运行所需要的投资。

本装置可替代高阻抗变压器、普通串联限流电抗器、爆炸型大容量高速开断装置，在新供用电系统设计及企业系统改造时，可利用本装置深度限流电抗器，加大系统阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。

短路发生时本装置快速投入母联深度限流电抗器，加大系统内抗，故障点切除后，深度限流电抗器退出，不影响整个系统的正常运行，联网运行使变压器的使用价值得到提高。对不允许瞬时间断供电须强行自启动的重要负载，可提高供电质量。线路短路时，本装置快速投入电抗器，深限流电抗器上的残压可完全满足维持重要负荷继续运行而不受影响。系统短路故障切除后，装置立即返回原工作状态。

［1］陈天祥.高压断路器在电力系统的应用［J］.高压电器，1980 (2):25－29.

［2］姜坛，王川.大容量快速开断装置［J］.铜业工程，2006(3):40－44.

［3］周宏云，张乐中.大容量高速开关与限流电抗器并联运行应用分析［J］.湖南电力，2008(5):51－53.

［4］祝瑞金，蒋跃强，杨增辉，高凯.串联电抗器限流技术的应用研究［J］.华东电力，2005(5):18－22.

［5］高峰.运用大容量高速开关解决供电系统增容问题［J］.铜业工程，2007(2):41－43.

［6］钟建朋，李黎川.一种开关驱动的电涡流式位移传感器的原理与实验研究［J］.仪器仪表学报，2010(11):53－60.

Optimization and Application of Zero Loss Depth Limiting Device

CHENG Yan－bing1，WANG Zhi－peng2，QI Fu3
(1.JCC Wushan Copper Mine，Ruichang，Jiangxi 332204，China; 2.JCC Materials and Equipment Companie，Guixi，Jiangxi 335424，China; 3.Anhui Heng Kai power protection equipment technology Ltd.，Hefei，Anhui 230088，China)

In power system，because of the expansion of main transformer and increased transformer capacity，a series of problems come out such as increase of short circuit current，inadequacy of circuit breaker ability and system dynamic，thermal stability.In order to solve the above problems，the current limiting reactor is designed and installed under the main transformer to reduce system threephase short－circuit current，to ensure that the circuit breaker can cut off the breakdown reliably when factory short circuit occurs.In the system without short circuit fault occurs，the reactor impedance is very small－zero loss for ZLB type zero loss depth limiting device.When short circuit fault occurs in the system，reactor impedance becomes very large－－depth limiting;after resection of system short circuit fault，device will back to the original state at once.

circuit breaker;short－circuit impedance;reactor;zero loss;depth limiting;breaking capacity

TM471

:B

:1009－3842(2012)04－0041－04

2012－05－22

程艳兵(1968－)，男，江西九江人，工程师，主要从事企业生产运行电气管理工作。E－mail:13979275516@139.com