万新新

(安徽徽电科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

零损耗深度限流装置的性能特点及应用分析

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(安徽徽电科技股份有限公司，安徽 合肥 230000)

介绍了一种基于电磁斥力原理的高速涡流驱动开关，阐述了零损耗深度限流装置的基本原理，分析了零损耗深度限流装置的性能特点:可将高速涡流驱动开关与深度限流电抗器并联，具有动作速度快、限流效果好、自行复归、零损耗、零压降等优点，应用前景好。

高速涡流;驱动开关；零损耗；限流装置

0 引言

由于国家工业化的快速发展，电力系统的不断扩容、新建以及各大电网的紧密互联，各级电网短路电流不断增加。常规真空断路器额定开断容量均小于40 kA，开断时间60—80 ms，已无法适应现代电力系统的发展，出现了短路遮断容量不足、无法开断等问题。爆炸式高速开断装置曾被广泛应用于电力系统，以解决短路遮断容量不足、线路开断等问题，但也存在以下的应用局限性：

(1) 动作后无法自行复归，需停机处理；

(2) 电抗率在6 %—14 %，导致系统压降过大；

(3) 装置及维护成本偏高。

目前，爆炸式高速开断装置的性能已被零损耗深度限流装置所超越。

零损耗深度限流装置采用基于电磁斥力原理的涡流驱动技术，是一种可高速投入、高速退出、深度限流的新型故障电流限流器(简称FCL，Fault Current Limmer)，可限制电网短路容量，减轻断路器等各种高压电气设备的动、热稳定负担，提高设备动作可靠性和使用寿命。

1 高速涡流驱动开关技术

高速涡流驱动开关采用电磁斥力原理的“涡流驱动”技术，是一种电容器储能、涡流盘驱动、永磁保持、直动式快速永磁真空断路器，其机械分闸时间小于5 ms，最大开断电流不小于80 kA。

1.1 “涡流驱动”开关工作原理

涡流盘平时与线圈非常接近。当电容对线圈放电时，在线圈中产生磁场，磁场穿过涡流盘，在涡流盘中感应出涡流，伴随涡流出现感应磁场。因感应磁场的方向与线圈磁场的方向相反，2个磁场间就会产生斥力，驱动涡流盘运动到另一个线圈附近，从而通过连杆带动开关动触头运动，完成开关合、分闸动作。

1.2 “涡流驱动”开关特性

“涡流驱动”开关的关键参数如表1所示。

表1 “涡流驱动”开关关键参数 ms

“涡流驱动”开关可靠性分析如表2所示。

表2 “涡流驱动”开关可靠性分析

高速涡流驱动开关在国家认可的高压电器研究所通过了型式试验，并已进入商业运用阶段。

2 零损耗深度限流装置的工作原理

零损耗深度限流装置主要由换流器、限流电抗器并联组成，换流器核心部件为高速涡流驱动开关，其一次原理如图1所示。

发生短路故障时，换流器将短路电流接入限流电抗器回路，限制短路电流至幅值的50 %以下；故障解除后，限流电抗器退出运行，电流接入换流器回路。

图1 一次原理

3 零损耗深度限流装置的性能特点

3.1 动作速度快

当发生短路故障时，内置的Lokowski线圈感应短路电流信号，通过高速数模转换计算，可在2 ms左右判断短路电流大小。一旦短路电流超过预先整定的阈值，则触发高速涡流驱动开关的可控硅导通，向分闸线圈放电，涡流盘感应出反向磁场，瞬间起力，实现快速分闸，可在短路电流第1次过零时刻将电流接入并联的限流电抗器中。

3.2 限流效果好

零损耗深度限流装置使用深度限流电抗器，电抗率比普通限流电抗器大得多。

现以吉林某单位工程案例说明，图2为该单位变电站一次主接线简化图。

(1) 已知发电机参数：额定功率Pe=30 MW；额定电压Un=6．3 kV；cosΦ=0．8；额定电流Ie= 3 436．6 A；超瞬变电抗=0．128 6。

在最大运行方式下，发电机未并网前，6 kV母线短路电流为23．3 kA；并网后，短路电流肯定超标，故在发电机侧加装零损耗深度限流装置(简称ZLB)。

(2) 短路等值阻抗如图3所示。取基准容量100 MVA，基准电压6．3 kV。

(3) 动作前、后的d0点短路电流如表3所示。

图2 变电站一次主接线简化示意

图3 短路等值阻抗示意

表3 动作前、后的d0点短路电流

(4) 深度限流电抗器参数计算。电抗有名值：XL=0．71×6．32/100≈0．281 8 Ω；电抗率：Xk=

(5) 限流效果。限流比：K1=8．7/26．7≈0．33；限流深度：K2=1-K1≈0．67。

3.3 自行复归

动作后，高速涡流驱动开关可在短路故障切除后自行合闸，将深度限流电抗器退出系统，使系统恢复正常运行。

3.4 零损耗、零压降

3.5 开断能力强

高速涡流驱动开关为三相独立动作，合理控制触头的刚分时间，确保各相动作均为临界过零开断，使燃弧时间最小，增加了灭弧室的开断容量，短路开断能力可轻松达到80 kA。

3.6 使用寿命长

高速涡流驱动机构采用的弹簧操作机构，运动部件比普通断路器减少80 %，且为简单的直线运动，没有复杂的传动机构，磨损极小，提高了机械的使用寿命和可靠性。同时，本装置可提前准确预判过零点，确保过零点可靠开断，提高了开断容量，燃弧期间的燃弧量不到普通断路器的10 %，触头烧灼小，触点电寿命呈级数上升。

3.7 安装空间及其适用性

零损耗深度限流装置为一体式结构设计，即深度限流电抗器固封在换流器外绝缘层上，单相直径仅为常规电抗器的60 %—80 %，高度与常规电抗器近似；整体结构采用法兰式连接，可以适用于户内、户外、污秽等场所，如图4所示。

图4 一体式零损耗深度限流装置

4 零损耗深度限流装置的应用分析

4.1 变电站及用户系统中主变低压侧的应用

随着电网系统扩容，主变容量变大，且短路故障时电机会反馈电流，总短路电流将超标。若在变电站及用户系统中主变低压侧串入零损耗深度限流装置，可大幅限制主变侧提供的短路电流，再由故障支路的断路器切断故障电流。

4.2 发电机直连母线处的应用

分析短路点短路电流的计算结果，可知如果发电机向短路点提供的短路电流比上级系统向短路点提供的短路电流大，在发电机出口位置串入零损耗深度限流装置，则限制短路电流至各支路点的断路器均可开断。

4.3 变电站及用户系统中母联处的应用

下列2种情况下，可考虑在母联处加装零损耗深度限流装置：

(1) 系统运行方式发生改变，导致母联并列运行，总短路电流超标；

(2) 系统因扩容需要与其他系统并联，短路电流可能超标。

5 结论

在十余年以前，爆炸式高速开断装置是解决短路电流超标最有效、最实用和最先进的技术；但由于其存在不可避免的设计缺陷，且因电网对生产连续性及安全性要求的不断提高，已不能适应现代智能电网发展的需求。

零损耗深度限流装置符合现代限流器的要求：

(1) 正常阻抗近似为0，需要时投入深度限流电抗器，短路切除后恢复近似为零的阻抗；

(2) 解决了数年来困扰业界的难题——关于故障限流器动作后如何自动恢复正常状态；

(3) 零损耗深度限流装置的涡流驱动开关及其控制单元均为等电位设计，采用高压隔离变供电，利用多断口原理，可运用于110 kV，220 kV，330 kV等系统中，具有广阔的开发前景和市场潜力。

1 宫志坚．零损耗深度限流装置在厂用电系统中的应用[J]．泰州职业技术学院学报，2016，16(2)：53-56．

2017-01-06。

万新新(1986—)，男，助理工程师，主要从事电力产品的设计及开发，email：18949837512@163．com。