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、廠用電切換等人為因素。據(jù)統(tǒng)計，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)見性，因此可以說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)定運行。
根據(jù)現(xiàn)有的保護(hù)配置，當(dāng)發(fā)生接地故障時，保護(hù)裝置檢測時間約 60ms，常規(guī)彈簧操作機(jī)構(gòu)的斷路器跳閘時間 60ms，電壓暫降持續(xù)時間至少 120ms以上。電壓暫降雖然持續(xù)時間短，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，持續(xù)時間超過 1 個周波時，接觸器就會脫扣造成用戶大面積停電，對于一類用戶，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，電動機(jī)失磁，在電壓恢復(fù)時電動機(jī)重復(fù)啟動，特別是高壓電機(jī)較多的用戶，眾多電機(jī)同時再加速對電網(wǎng)造成很大沖擊，嚴(yán)重者造成電網(wǎng)停電。
（3）對可編程序控制器（PLC），當(dāng)電壓低于 50%時，PLC將停止工作；一些 I/0設(shè)備，當(dāng)電壓低于90%時，持續(xù)時間僅幾個周波就會被切除。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）電壓暫降會造成服務(wù)器出現(xiàn)癱瘓和數(shù)據(jù)丟失，對信息安全造成重大的影響。
考慮到電壓暫降問題對電網(wǎng)及企業(yè)用戶帶來嚴(yán)重的用電安全隱患， 南京國高電氣自動化有限公司研制了FBVP系列基于故障快速檢測和快速機(jī)械開關(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題，通過快速檢測線路短路故障，檢測時間小于 5ms，迅速分?jǐn)嗫焖贆C(jī)械開關(guān)，投入阻抗，限制短路電流，穩(wěn)定上級母線電壓的跌落，從而保證上級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題，現(xiàn)有的解決方案檢測時間長，斷路器設(shè)備分合閘時間長，造成電壓暫降的時間長，電網(wǎng)上的重要負(fù)荷存在停機(jī)風(fēng)險。
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)暫時性短路故障，導(dǎo)致母線電壓出現(xiàn)大幅跌落時，母保設(shè)備對線路故障進(jìn)行快速判別，母保裝置對快速開關(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，從而實現(xiàn)對上級母線電壓的保護(hù)。當(dāng)下級故障被清除時，母保設(shè)備會重合，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。當(dāng)下級故障無法被正常清除時，母保柜內(nèi)后備常規(guī)斷路器跳閘，將故障點隔離，配置如下圖1。
圖1 典型配電網(wǎng)母保應(yīng)用解決方案示意圖
本產(chǎn)品主要解決了以下幾個問題：
1、限制短路電流至要求的合理水平
限制系統(tǒng)短路電流，減小短路電流對重要負(fù)荷的沖擊，避免暫時性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統(tǒng)運行穩(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)荷能夠正常運行，實現(xiàn)重要負(fù)荷低電壓穿越。
3、降低系統(tǒng)的有功和無功損耗
正常運行時，開關(guān)回路為低阻抗?fàn)顟B(tài)，只有故障情況下，限流電抗器被短時間內(nèi)投入，避免由于采用高阻抗設(shè)備帶來的系統(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)計制造以及控制保護(hù)系統(tǒng)的研制均采用國際上先進(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.快速開關(guān)觸發(fā)驅(qū)動系統(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、限流電流實現(xiàn)故障的快速檢測。整個設(shè)備（10kV）集成在金屬封閉開關(guān)柜內(nèi)?？乇Ｏ到y(tǒng)通過光纖控制快速斷路器分合。
① 快速開關(guān)
快速開關(guān)是母保成套設(shè)備核心元件之一，采用電磁斥力驅(qū)動，其特點是分合閘速度快，分閘時間小于 1.5ms，5ms內(nèi)即可達(dá)到額定絕緣開距，合閘時間小于 10ms，遠(yuǎn)小于常規(guī)斷路器幾十毫秒的分合閘時間。因其極快的分閘速度，可實現(xiàn)對限流電抗器在第一個半波內(nèi)快速投入，同時其對短路電流耐受能力及短路開斷性能較常規(guī)開關(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、動觸頭G、靜觸頭H、分閘線圈C、合閘線圈D、金屬盤（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通入瞬時電流產(chǎn)生磁場，利用磁場的渦流效應(yīng)產(chǎn)生斥力F，從而實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的快速運動。
② 快速開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)
快速開關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)采用電容儲能與電力電子器件控制相結(jié)合的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的設(shè)計方案，控制系統(tǒng)摒棄了常規(guī)開關(guān)的操作回路，與保護(hù)裝置間通過光纖進(jìn)行信號傳輸，控制延時小于 300us，遠(yuǎn)小于常規(guī)節(jié)點控制時間，同時抗干擾能力強。
開關(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)實現(xiàn)對儲能電容進(jìn)行放電，實現(xiàn)對快速開關(guān)的快速驅(qū)動。
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)，整體絕緣耐熱等級要求為 F級，繞組匝間、股間絕緣耐熱材料要求H級，支柱絕緣子為實芯棒狀，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、熱穩(wěn)定電流和持續(xù)時間的要求。電抗器的容量參數(shù)需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行仿真確定。
④ 控保裝置
控保裝置采用了國高電氣成熟穩(wěn)定的 32位平臺。該平臺廣泛應(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)等多個產(chǎn)品中。該平臺是高性能的分散、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)對快速調(diào)節(jié)的需要。
基于瞬時值、斜率、幅值相結(jié)合的多判據(jù)短數(shù)據(jù)窗綜合故障快速識別方法，故障檢測時間小于5ms，檢測結(jié)果準(zhǔn)確，可靠性高。
快速機(jī)械開關(guān)與控制保護(hù)裝置采用一二次深度融合設(shè)計：摒棄傳統(tǒng)的節(jié)點控制方式（傳輸延時時間長達(dá) 8-10ms），通過光纖以太網(wǎng)編碼通訊方式，控制快速開關(guān)的分合，控制延時時間小于300us，抗干擾能力強。
快速開關(guān)采用小型化設(shè)計方案，兼容現(xiàn)有常規(guī)開關(guān)的尺寸，與常規(guī)開關(guān)集成在同一開關(guān)柜體內(nèi)，可兼容現(xiàn)有常規(guī)開關(guān)柜，設(shè)備緊湊，占地面積小，滿足用戶個性化需求，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)械開關(guān)和限流電抗器組成，其工作原理如下圖 3所示，正常運行時普通開關(guān)和快速開關(guān)均處于閉合狀態(tài)，并承擔(dān)通流任務(wù)，整個開關(guān)回路處于低阻抗?fàn)顟B(tài)。
系統(tǒng)發(fā)生短路時，快速開關(guān)在 5毫秒內(nèi)完成額定絕緣開距動作，可以實現(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)實際電抗器配置進(jìn)行定值整定）內(nèi)消失，則給快速開關(guān)發(fā)送合閘指令，限流電抗器退出，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行；若在 300ms 后故障依然存在，則給普通開關(guān)發(fā)送跳閘指令，將故障點切除。
圖3 母線電壓限流保護(hù)設(shè)備
圖 4為母保設(shè)備在不同故障時刻的動作波形示意圖。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)生實質(zhì)性變化。根據(jù)短路發(fā)生時刻不同，限流電抗器被投入時刻有所不同，因短路故障發(fā)生初始時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)，可實現(xiàn)在第一個大半波末將限流電抗器投入，實現(xiàn)限流作用；若故障發(fā)生在大半波末，則在下一個小半波電流零點處將電抗器投入，實現(xiàn)限流作用。
圖 5 為快速開關(guān)開斷短路電流過程示意圖?？乇Ｑb置對系統(tǒng)電流進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)檢測到線路發(fā)生短路故障后，控保裝置經(jīng)過故障檢測時間發(fā)出分閘指令，經(jīng)過固有分閘時間和燃弧時間后快速開關(guān)在短路電流過零點開斷，限流電抗器被投入，進(jìn)入限流階段。
圖4 母保設(shè)備在不同故障時刻的動作波形示意圖
圖5 快速開關(guān)開斷短路電流過程波形示意
總結(jié)
該限流保護(hù)設(shè)備限制系統(tǒng)短路電流，減小短路電流對重要負(fù)荷的沖擊，避免暫時性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。同時避免電壓暫降引發(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)荷能夠正常運行，實現(xiàn)重要負(fù)荷低電壓穿越。