KWQC無損耗限流裝置
一、概述
電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，短路電流一般為額定電流的十幾倍，這給變壓器、發(fā)電機、斷路器、輸電線路等電氣設備造成很大危害，而目前較為經(jīng)濟實用的真空斷路器的開斷能力均在40KA以下，開斷時間需要幾十毫秒。隨著各類型用電企業(yè)的發(fā)展壯大，用電負荷大舉攀升，主變壓器容量也相應增大，各企業(yè)電網(wǎng)系統(tǒng)面臨短路電流已經(jīng)接近和達到負載真空斷路器的最大使用極限，負載側真空斷路器開斷容量不足、變壓器抗短路電流沖擊能力設計不足等問題，嚴重威脅著企業(yè)安全運行。
面臨越來越嚴重的短路電流超標問題，很多企業(yè)采用高阻抗變壓器限制系統(tǒng)短路電流，但變壓器加大阻抗沒有最終解決限流深度問題，電動力減少甚微，還帶來了有功無功損耗、投資成本上升。
采用普通串聯(lián)限流電抗器也沒有從根本上解決限流深度問題（電抗率均在百分之十幾左右），同時帶來了有功無功損耗、母線壓降、漏磁場等弊病，系統(tǒng)發(fā)生短路時由于限流深度不夠，不能有效的保護發(fā)電機、變壓器等主要電氣設備，在巨大的短路電流沖擊下產(chǎn)生繞組變形而損壞，災難性事故發(fā)生。
目前市場上使用的爆炸型大容量高速開斷裝置和電抗器并聯(lián)運行，雖然解決了電抗器有功無功損耗、電壓降、漏磁場問題，但是當發(fā)生短路故障后其一次元器件動作，電抗器投入工作并沒有解決限流深度問題。該類型裝置需要更換新的備件，方可重新投入運行。企業(yè)運行費用不僅增加，并且增加了安裝柜體的空間及電抗器裝置之間的母線連接，人為的設置了故障隱患點。
因而開發(fā)一種能快速、可靠的深度限制短路電流的電抗器，這不僅對電力系統(tǒng)安全、可靠的運行顯得十分重要，而且對降低電氣設備使用廠家的設備成本也有著十分重要的意義。
優(yōu)質限流電抗器必須具備：
系統(tǒng)無短路故障發(fā)生時，電抗器阻抗最小-----無損耗；
系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，電抗器阻抗很大------深度限流；
系統(tǒng)短路故障切除后，立即返回原工作狀態(tài)。
無損耗限流裝置（KWQC）是本公司為了滿足電力系統(tǒng)對短路保護的需求而開發(fā)的一種新型短路限流保護裝置，它可在短路電流的初始階段，快速投入深度限流電抗器即將短路電流限制在可靠的范圍內，從而達到了保護發(fā)配電設備及供電線路的目的。
圖一：短路時，單相等效電路圖（虛線框內為無損耗限流裝置）
系統(tǒng)電壓為：U
系統(tǒng)原有阻抗為：X1,
深度限流裝置的阻抗為X（見圖一）
串入深度限流裝置后系統(tǒng)的總阻抗為X2（X2=X1+X）
未串入深度限流裝置預期短路電流值為I1=U/X1，
串入深度限流裝置預期短路電流值為I2=U/X2，
限流比：K1=I2/I1=X1/X2 即X1/（X1+X）
限流深度：K=1-K1=X/(X1+X)
例如：系統(tǒng)原有阻抗為12%，深度限流裝置阻抗為36%，
限流比：K1=I2/I1= 8/（24+8）=0.25.
限流深度：K=1-K1=0.75
即：串入深度限流裝置可將系統(tǒng)預期短路電流降至原有值的25%,限流深度為75%。
例如限流深度(K)為50%，那么限流比(K1)為50%， X=X1，系統(tǒng)短路電流降至原有值的一半。深度限流使變壓器短路電流沖擊大大降低，變壓器得到很好保護。同時負載側真空斷路器開斷容量也相應大大降低。
二、無損耗限流裝置（KWQC）的工作原理
1.簡介
如圖二所示，KWQC系列無損耗限流裝置，是由“換流器”與“限流電抗器”并聯(lián)而成的智能型限流設備，再經(jīng)由K1、K2點串接在供電線路中。
其中“換流器”是以VQC系列“電磁斥力”快速斷路器為主要元件，并整合了短路電流快速判斷的測控裝置，兩者組合電器；
“限流電抗器”正常運行時被換流器旁路處于退出狀態(tài)，損耗為零，僅在短路故障時才投入，故障解除后再自動退出。
圖二：裝置工作原理圖
2.核心元件
如圖三所示，VQC快速斷路器由上出線座、真空滅弧室、下出線座、絕緣拉桿、合閘保持永磁鐵、分閘保持永磁鐵、分閘線圈、合閘線圈、銜鐵及電磁斥力盤組成，通過合、分閘線圈的帶電產(chǎn)生磁力，作用在電磁斥力盤上，經(jīng)絕緣拉桿帶動真空滅弧室內動觸頭動作，實現(xiàn)斷路器的分合。
圖三：VQC快速斷路器電磁斥力驅動機構（合閘位置）
3.工作原理
本裝置通過羅氏線圈，監(jiān)視系統(tǒng)電流，當短路電流大于設定的幅值，高速DCP通過專用算法，快速精確的預測出三相電流過零點的精確時間，分別在每相電流過零之前發(fā)出信號。
快速斷路器在電流接近過零點時三相分別準確分閘開斷，短路電流換流進入深限流電抗器中，限制短路電流，短路電流幅值大大降低。同時測控單元向后臺發(fā)出動作指示信號。
本裝置在7～15毫秒內將短路電流限制在原幅值50%以下，使系統(tǒng)所受到的短路沖擊大大降低，保護系統(tǒng)內變壓器發(fā)電機等電氣設備，同時提高了短路點負載真空斷路器使用壽命，保證了系統(tǒng)的安全運行。
短路故障切除后，測控單元自動檢測母線電壓回升并發(fā)出合作命令，快速斷路器合閘，深度限流電抗器退出，系統(tǒng)即可恢復正常運行。
三、無損耗限流裝置（KWQC）的特點
1.動作速度快
一般微機保護采樣需一個周波20毫秒；快速FFT計算及發(fā)出命令需30毫秒；普通斷路器固有分閘時間需50毫秒以上；開斷后的燃弧時間時達十幾毫秒左右，電流才能通過零熄弧。故其需要100毫秒左右方能切斷短路電流。長時間的短路電流對變壓器、母線、開關和發(fā)電機等設備的動、熱穩(wěn)定有著極高的要求。
本裝置中使用的VQC系列“電磁斥力”快速斷路器能實現(xiàn)5毫秒以內分閘，10毫秒合閘。短路保護裝置的開斷時間由四部分組成：監(jiān)控單元采樣、計算、發(fā)出命令時間；專用斷路器固有分閘時間；燃弧時間；短路電流換流進入深限流電抗器時間。測控單元根據(jù)CT信號，通過特殊算法，對短路電流信號處理，可在2毫秒內快速計算出短路電流的周期分量、非周期分量、短路初始角及電流過零點的精確時刻，并在過零點之前發(fā)出動作信號，驅動開關在過零點之前切斷電路，確保燃弧時間最短，在7～15毫秒內將短路電流換入深限流電抗器中，實現(xiàn)大容量換流功能。
2.開斷能力強
要想提高開斷容量，必須控制電流過零前階段的觸頭剛分時刻、剛分速度以及電流過零時刻的恢復電壓，當斷路器弧隙阻抗為無窮大時TRV最大，也即系統(tǒng)固有TRV；當弧隙阻抗減小時，TRV也相應減小，因此制造斷路器時，人為減少斷路器的弧隙阻抗，可在斷路器開斷時，降低弧隙的TRV。
真空滅弧室的絕緣水平即觸頭間的絕緣水平，在觸頭開距小于10mm時，絕緣水平與觸頭開距成正比。滅弧室老練，即通過電弧的灼燒，將出廠時滅弧室觸頭上的晶須燒平，提高觸頭的平整度，以便在實際應用中就已經(jīng)具備優(yōu)良的觸頭場強均勻度，保障對開斷成功率。
本裝置中的開關為三相獨立動作，利用對觸頭剛分時間的合理控制，確保各相動作均為臨界過零開斷，使燃弧時間最小。大大增加了滅弧室的開斷余量，短路開斷能力可輕松達到80KA。
3.限流電抗器限流效果好
本裝置中深度限流電抗器由于正常運行時，無電流通過。從而無能損耗，無壓降，同時也不會產(chǎn)生漏磁場。只有在短路發(fā)生時投入工作，電抗值可根據(jù)系統(tǒng)需要，將短路電流限制在預期短路電流值的50%以下，從而在發(fā)生短路的過程中將短路電流大大降低，變壓器免受巨大的短路電流沖擊，系統(tǒng)內斷路器開斷能力也相應降低。
4.使用壽命長
本裝置中的開關是“電磁斥力”驅動機構，比普通斷路器所使用的彈簧操作機構運動部件減少80%，且使用簡單的直線運動，沒有復雜的傳動機構，磨損極小，機械壽命及可靠性大大提高。同時，本裝置系過零點開斷，燃弧期間的燃弧量不到普通斷路器的10%，開斷容量大大提高，觸頭燒灼小，其觸點電壽命呈級數(shù)上升，深限流電抗器無短路發(fā)生時，處于無損耗，不發(fā)熱，無壓降，使用壽命長。
5.性能高可靠
本裝置中使用的VQC系列快速斷路器采用薄膜電容器儲能，作為斷路器的驅動能源，即使外部供電中斷20分鐘以內，斷路器也可完成一次O-C循環(huán)操作，避免了電源的穩(wěn)定性對斷路器動作的影響，同時，薄膜電容的自愈功能及溫度不敏感性都提高了VQC斷路器操作能源的可靠性。同時，控制部分帶有實時自檢功能的自愈保護功能，確保其始終可靠運行，各功能信息均能通過發(fā)送后臺報警監(jiān)控。
6.動作分散度小
由于大幅度的縮短了合閘時間并配置了直接驅動的“電磁斥力”驅動機構，合閘分散度可以控制在0.1毫秒以內。
7.合閘無反彈
VQC系列快速斷路器配置防觸頭撞擊裝置，確保合閘無反彈。
四、無損耗限流裝置（KWQC）的適用范圍
本裝置可替代高阻抗變壓器、普通串聯(lián)限流電抗器、爆炸型大容量高速開斷裝置，在新供用電系統(tǒng)設計及企業(yè)系統(tǒng)改造時，可利用本裝置的深度限流電抗器，加大系統(tǒng)阻抗，使負荷側斷路器的開斷電流進一步減小，降低造價。
1.大大減少系統(tǒng)擴建或聯(lián)網(wǎng)運行所需要的投資
短時發(fā)生時本裝置快速投入母聯(lián)深度限流電抗器，加大系統(tǒng)內抗，故障點切除后，深度限流電抗器退出，不影響整個系統(tǒng)的正常運行，聯(lián)網(wǎng)運行使變壓器的使用價值得到提高。
圖四：無損耗限流裝置應用一
2.對不允許瞬時間斷供電須強行自啟動的重要負載，可提高供電質量
線路短路時，本裝置快速投入電抗器，深限流電抗器上的殘壓可完全滿足維持重要負荷繼續(xù)運行而不受影響。
圖五：無損耗限流裝置應用二
3.發(fā)電機出口或者廠用高壓側短路能得到快速有效保護
本裝置開斷容量大、限制短路電流深，是發(fā)電機出口及廠用分支的理想保護設備，使發(fā)電機、變壓器得到快速有效的保護。
圖六：無損耗限流裝置應用三
五、無損耗限流裝置（KWQC）的技術參數(shù)
設備名稱：6kV、10kV、35kV無損耗限流裝置(KWQC)
系統(tǒng)額定電壓：6kV、10kV、35kV
系統(tǒng)額定電流：1000A、1600A、2000A、3000A、4000A、5000A
雷電沖擊耐受電壓（峰值）：75kV～180kV
短時（1min）工頻耐受電壓：42kV～90kV
額定頻率： 50HZ
額定短時耐受電流：100kA～200kA
額定峰值耐受電流：100kA～200kA
額定短時開斷電流：40kA～80kA
接觸電阻：＜100μΩ
合閘時間：10mS
分閘時間：＜5mS
合閘不同期：＜2mS
額定電抗率%：20%～50%～80%
