一、背景
引起晃電的主要原因有很多種，其中包含雷擊、外網(wǎng)電壓波動(dòng)以及短路故障等外部不可抗因素，也包含不平衡負(fù)載啟動(dòng)、廠用電切換等人為因素。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因雷擊造成電壓暫降大概占到 60%以上。由于電壓暫降發(fā)生的偶然性以及不可預(yù)見(jiàn)性，因此可以說(shuō)電壓暫降是不可避免的。由外部電網(wǎng)、內(nèi)部故障等原因?qū)е碌幕坞姮F(xiàn)象會(huì)影響電網(wǎng)供電的可靠性，導(dǎo)致生產(chǎn)企業(yè)敏感負(fù)荷如大量接觸器、 變頻器、PLC、各種數(shù)字設(shè)備等跳閘或損壞，而且易造成計(jì)算機(jī)信息丟失、 死機(jī)， 進(jìn)而可能導(dǎo)致工藝生產(chǎn)中斷， 給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至影響企業(yè)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
根據(jù)現(xiàn)有的保護(hù)配置，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，保護(hù)裝置檢測(cè)時(shí)間約 60ms，常規(guī)彈簧操作機(jī)構(gòu)的斷路器跳閘時(shí)間 60ms，電壓暫降持續(xù)時(shí)間至少 120ms以上。電壓暫降雖然持續(xù)時(shí)間短，造成的后果卻十分嚴(yán)重，具體危害如下：
（1）當(dāng)電壓下降到額定值的 70%以下時(shí)，持續(xù)時(shí)間超過(guò) 1 個(gè)周波時(shí)，接觸器就會(huì)脫扣造成用戶(hù)大面積停電，對(duì)于一類(lèi)用戶(hù)，突然停電造成的損失十分巨大。
（2）當(dāng)電壓降低到 50%以下時(shí)，電動(dòng)機(jī)失磁，在電壓恢復(fù)時(shí)電動(dòng)機(jī)重復(fù)啟動(dòng)，特別是高壓電機(jī)較多的用戶(hù)，眾多電機(jī)同時(shí)再加速對(duì)電網(wǎng)造成很大沖擊，嚴(yán)重者造成電網(wǎng)停電。
（3）對(duì)可編程序控制器（PLC），當(dāng)電壓低于 50%時(shí)，PLC將停止工作；一些 I/0設(shè)備，當(dāng)電壓低于90%時(shí)，持續(xù)時(shí)間僅幾個(gè)周波就會(huì)被切除。這將導(dǎo)致使用PLC的生產(chǎn)線作業(yè)中斷，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。
（4）電壓暫降會(huì)造成服務(wù)器出現(xiàn)癱瘓和數(shù)據(jù)丟失，對(duì)信息安全造成重大的影響。
考慮到電壓暫降問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)及企業(yè)用戶(hù)帶來(lái)嚴(yán)重的用電安全隱患， 南京國(guó)高電氣自動(dòng)化有限公司研制了FBVP系列基于故障快速檢測(cè)和快速機(jī)械開(kāi)關(guān)的母線電壓限流保護(hù)設(shè)備，主要解決區(qū)內(nèi)支線短路故障造成的晃電問(wèn)題，通過(guò)快速檢測(cè)線路短路故障，檢測(cè)時(shí)間小于 5ms，迅速分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開(kāi)關(guān)，投入阻抗，限制短路電流，穩(wěn)定上級(jí)母線電壓的跌落，從而保證上級(jí)母線的所有出線的電壓穩(wěn)定，穩(wěn)定電壓至少 90%以上，縮短電網(wǎng)晃電的持續(xù)時(shí)間，減小電網(wǎng)、企業(yè)重要負(fù)荷供電中斷及停機(jī)的可能，為企業(yè)生產(chǎn)提供穩(wěn)定可靠的供電電源。
二、方案內(nèi)容
本系列產(chǎn)品主要解決線路短路造成的電壓暫降問(wèn)題，現(xiàn)有的解決方案檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，斷路器設(shè)備分合閘時(shí)間長(zhǎng)，造成電壓暫降的時(shí)間長(zhǎng)，電網(wǎng)上的重要負(fù)荷存在停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。
可在易發(fā)生短路故障的饋線支路配置母線快速保護(hù)設(shè)備，當(dāng)饋線側(cè)出現(xiàn)暫時(shí)性短路故障，導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)大幅跌落時(shí)，母保設(shè)備對(duì)線路故障進(jìn)行快速判別，母保裝置對(duì)快速開(kāi)關(guān)發(fā)跳閘指令，限流電抗器被投入，故障電流被限制，母線電壓將維持在額定電壓的 90%以上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)上級(jí)母線電壓的保護(hù)。當(dāng)下級(jí)故障被清除時(shí)，母保設(shè)備會(huì)重合，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。當(dāng)下級(jí)故障無(wú)法被正常清除時(shí)，母保柜內(nèi)后備常規(guī)斷路器跳閘，將故障點(diǎn)隔離，配置如下圖1。
本產(chǎn)品主要解決了以下幾個(gè)問(wèn)題：
1、限制短路電流至要求的合理水平
限制系統(tǒng)短路電流，減小短路電流對(duì)重要負(fù)荷的沖擊，避免暫時(shí)性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。
2、維持母線電壓穩(wěn)定
避免電壓暫降引發(fā)母線電壓大幅跌落，維持母線電壓穩(wěn)定，保障同段母線的其他負(fù)荷能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷低電壓穿越。
3、降低系統(tǒng)的有功和無(wú)功損耗
正常運(yùn)行時(shí)，開(kāi)關(guān)回路為低阻抗?fàn)顟B(tài)，只有故障情況下，限流電抗器被短時(shí)間內(nèi)投入，避免由于采用高阻抗設(shè)備帶來(lái)的系統(tǒng)損耗增加。
本產(chǎn)品為母線電壓限流保護(hù)成套設(shè)備，在電網(wǎng)及企業(yè)廠用電系統(tǒng)研究、主設(shè)備的設(shè)計(jì)制造以及控制保護(hù)系統(tǒng)的研制均采用國(guó)際上先進(jìn)的技術(shù)，使得母保設(shè)備整體限流保護(hù)效果非常理想，設(shè)備質(zhì)量可靠。
母保成套設(shè)備主要包含了以下主要設(shè)備：
1.普通斷路器 2.快速斷路器 3.快速開(kāi)關(guān)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 4.限流電抗器 5.控保系統(tǒng)
結(jié)構(gòu)如下圖2所示。
圖2 母保設(shè)備電氣系統(tǒng)圖
限流電抗器并聯(lián)在快速斷路器的兩端，快速斷路器與普通斷路器串聯(lián)?？乇Ｏ到y(tǒng)采集母線電壓、限流電流實(shí)現(xiàn)故障的快速檢測(cè)。整個(gè)設(shè)備（10kV）集成在金屬封閉開(kāi)關(guān)柜內(nèi)?？乇Ｏ到y(tǒng)通過(guò)光纖控制快速斷路器分合。
① 快速開(kāi)關(guān)
快速開(kāi)關(guān)是母保成套設(shè)備核心元件之一，采用電磁斥力驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是分合閘速度快，分閘時(shí)間小于 1.5ms，5ms內(nèi)即可達(dá)到額定絕緣開(kāi)距，合閘時(shí)間小于 10ms，遠(yuǎn)小于常規(guī)斷路器幾十毫秒的分合閘時(shí)間。因其極快的分閘速度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)限流電抗器在第一個(gè)半波內(nèi)快速投入，同時(shí)其對(duì)短路電流耐受能力及短路開(kāi)斷性能較常規(guī)開(kāi)關(guān)更加優(yōu)異。
快速斷路器采用基于電磁斥力的快速機(jī)構(gòu)，由圖3所示。主要包括真空滅弧室、絕緣拉桿K、動(dòng)觸頭G、靜觸頭H、分閘線圈C、合閘線圈D、金屬盤(pán)（含拉桿）以及緩沖裝置L等。其主要工作原理利用分閘線圈C和合閘線圈D通入瞬時(shí)電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用磁場(chǎng)的渦流效應(yīng)產(chǎn)生斥力F，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速運(yùn)動(dòng)。
② 快速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
快速開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電容儲(chǔ)能與電力電子器件控制相結(jié)合的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的設(shè)計(jì)方案，控制系統(tǒng)摒棄了常規(guī)開(kāi)關(guān)的操作回路，與保護(hù)裝置間通過(guò)光纖進(jìn)行信號(hào)傳輸，控制延時(shí)小于 300us，遠(yuǎn)小于常規(guī)節(jié)點(diǎn)控制時(shí)間，同時(shí)抗干擾能力強(qiáng)。
開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)接收保護(hù)裝置指令，并觸發(fā)電容放電回路晶閘管，在接收到指令后幾十微妙內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速開(kāi)關(guān)的快速驅(qū)動(dòng)。
③ 限流電抗器
限流電抗器是母保設(shè)備的重要元件，其采用空心澆注式結(jié)構(gòu)，整體絕緣耐熱等級(jí)要求為 F級(jí)，繞組匝間、股間絕緣耐熱材料要求H級(jí)，支柱絕緣子為實(shí)芯棒狀，非磁性瓷支柱絕緣子。阻抗值根據(jù)不同限流深度要求可靈活配置，滿足動(dòng)、熱穩(wěn)定電流和持續(xù)時(shí)間的要求。電抗器的容量參數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真確定。
④ 控保裝置
控保裝置采用了國(guó)高電氣成熟穩(wěn)定的 32位平臺(tái)。該平臺(tái)廣泛應(yīng)用于保護(hù)、快切控制系統(tǒng)、數(shù)字化變電站控制保護(hù)系統(tǒng)等多個(gè)產(chǎn)品中。該平臺(tái)是高性能的分散、分布式系統(tǒng)，擁有友好的人機(jī)環(huán)境，方便進(jìn)行功能擴(kuò)展，支持遠(yuǎn)程維護(hù)。由于控制裝置采用了32位高性能的CPU和DSP、內(nèi)部高速總線、智能 I/O，使得系統(tǒng)響應(yīng)速度快，控制精度高，能夠很好地滿足母?？刂葡到y(tǒng)對(duì)快速調(diào)節(jié)的需要。
基于瞬時(shí)值、斜率、幅值相結(jié)合的多判據(jù)短數(shù)據(jù)窗綜合故障快速識(shí)別方法，故障檢測(cè)時(shí)間小于5ms，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性高。
快速機(jī)械開(kāi)關(guān)與控制保護(hù)裝置采用一二次深度融合設(shè)計(jì)：摒棄傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)控制方式（傳輸延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 8-10ms），通過(guò)光纖以太網(wǎng)編碼通訊方式，控制快速開(kāi)關(guān)的分合，控制延時(shí)時(shí)間小于300us，抗干擾能力強(qiáng)。
快速開(kāi)關(guān)采用小型化設(shè)計(jì)方案，兼容現(xiàn)有常規(guī)開(kāi)關(guān)的尺寸，與常規(guī)開(kāi)關(guān)集成在同一開(kāi)關(guān)柜體內(nèi)，可兼容現(xiàn)有常規(guī)開(kāi)關(guān)柜，設(shè)備緊湊，占地面積小，滿足用戶(hù)個(gè)性化需求，即可用于新建站，又可用于老站改造擴(kuò)建。
三、工作原理
快速開(kāi)關(guān)型母線電壓限流保護(hù)設(shè)備主要由常規(guī)真空斷路器、快速機(jī)械開(kāi)關(guān)和限流電抗器組成，其工作原理如下圖 3所示，正常運(yùn)行時(shí)普通開(kāi)關(guān)和快速開(kāi)關(guān)均處于閉合狀態(tài)，并承擔(dān)通流任務(wù)，整個(gè)開(kāi)關(guān)回路處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。
系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，快速開(kāi)關(guān)在 5毫秒內(nèi)完成額定絕緣開(kāi)距動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)第一周波內(nèi)將電流轉(zhuǎn)移到限流電抗器上，起到限流作用。此后，若故障在 300ms（可根據(jù)實(shí)際電抗器配置進(jìn)行定值整定）內(nèi)消失，則給快速開(kāi)關(guān)發(fā)送合閘指令，限流電抗器退出，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行；若在 300ms 后故障依然存在，則給普通開(kāi)關(guān)發(fā)送跳閘指令，將故障點(diǎn)切除。
圖 4為母保設(shè)備在不同故障時(shí)刻的動(dòng)作波形示意圖。短路故障發(fā)生后母保設(shè)備限流電抗器投入前后，短路電流將發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。根據(jù)短路發(fā)生時(shí)刻不同，限流電抗器被投入時(shí)刻有所不同，因短路故障發(fā)生初始時(shí)刻往往帶有較大的直流分量，若故障發(fā)生在大半波的前 1/2周期內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)在第一個(gè)大半波末將限流電抗器投入，實(shí)現(xiàn)限流作用；若故障發(fā)生在大半波末，則在下一個(gè)小半波電流零點(diǎn)處將電抗器投入，實(shí)現(xiàn)限流作用。
圖 5 為快速開(kāi)關(guān)開(kāi)斷短路電流過(guò)程示意圖。控保裝置對(duì)系統(tǒng)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到線路發(fā)生短路故障后，控保裝置經(jīng)過(guò)故障檢測(cè)時(shí)間發(fā)出分閘指令，經(jīng)過(guò)固有分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間后快速開(kāi)關(guān)在短路電流過(guò)零點(diǎn)開(kāi)斷，限流電抗器被投入，進(jìn)入限流階段。
圖4 母保設(shè)備在不同故障時(shí)刻的動(dòng)作波形示意圖
總結(jié)
該限流保護(hù)設(shè)備限制系統(tǒng)短路電流，減小短路電流對(duì)重要負(fù)荷的沖擊，避免暫時(shí)性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)避免電壓暫降引發(fā)母線電壓大幅跌落，維持母線電壓穩(wěn)定，保障同段母線的其他負(fù)荷能夠正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)重要負(fù)荷低電壓穿越。