4. 限制短路電流的措施

4.1. 限制電流

在高、中壓電網(wǎng)采用串聯(lián)限流電抗器等措施來(lái)限制短路電流，實(shí)現(xiàn)短路電流水平滿足開(kāi)關(guān)遮斷容量的要求是目前最為有效和通行的限制短路電流的措施。隨著系統(tǒng)短路容量的不斷增加，主網(wǎng)內(nèi)越來(lái)越多的降壓變壓器中、低壓側(cè)，甚至750 kV及以下線路都需要加裝限流電抗器以限制短路電流，電抗器能夠減小短路電流和使短路瞬間系統(tǒng)的電壓保持不變。

如圖2所示系統(tǒng)短路電流有效值63kA，峰值168.2kA；加裝限流電抗器后，短路電流有效值降低到32.74kA,短路電流峰值降到83.4kA。

圖2 電抗器限流短路電流對(duì)比

中壓電網(wǎng)零損耗深度限流裝置主要由快速換流器、深度限流器、快速識(shí)別器及電流采集器等組成。正常運(yùn)行時(shí)快速換流器閉合，一旦發(fā)生短路故障，快速換流器最晚可在7～8 ms 之內(nèi)動(dòng)作，在短路電流的第一次過(guò)零點(diǎn)投入深度限流器，零損耗深度限流裝置立即由“零損耗”狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧疃认蘖鳌睜顟B(tài)。零損耗深度限流裝置不僅限流效果可以做到足夠深，而且克服了常規(guī)限流電抗器和高阻抗變壓器存在的電能損耗和電壓波動(dòng)問(wèn)題，避免了限流電抗器漏磁場(chǎng)帶來(lái)的電磁干擾和附加損耗問(wèn)題。零損耗限流技術(shù)，采用短路故障快速識(shí)別和快速分?jǐn)喽搪冯娏?，能克服限流電抗器正常運(yùn)行時(shí)帶來(lái)的巨大電能損耗，解決電壓波動(dòng)及漏磁場(chǎng)等問(wèn)題，電抗器的參數(shù)可以按要求的任意限流深度來(lái)設(shè)計(jì)。采用深度限流器、快速換流器、快速識(shí)別器構(gòu)成基本的限流單元，結(jié)合高壓、超高壓絕緣平臺(tái)及其取能技術(shù)，按照系統(tǒng)要求的限流深度采取多級(jí)限流單元串聯(lián)的方法，可以將零損耗深度限流技術(shù)應(yīng)用到高壓、超高壓電網(wǎng)。

零損耗深度限流裝置設(shè)置了短路后快速投入功能、帶電后自動(dòng)退出功能、誤跳后自動(dòng)愈合功能以及遠(yuǎn)方測(cè)控和事件記憶功能。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，快速換流器在7～8 ms之內(nèi)動(dòng)作，在短路電流的第一次過(guò)零點(diǎn)投入深度限流器實(shí)現(xiàn)深度限流。當(dāng)故障支路被切除或線路自動(dòng)重合閘動(dòng)作成功后，快速換流器自動(dòng)合閘，將深度限流器短接，實(shí)現(xiàn)“零損耗”運(yùn)行。正常運(yùn)行條件下時(shí)，萬(wàn)一發(fā)生快速換流器誤跳閘，則快速識(shí)別器自動(dòng)控制其合閘，實(shí)現(xiàn)自愈，避免發(fā)生不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行。

a.極速開(kāi)關(guān)型無(wú)損耗限流裝置，如圖3所示，采用超快速真空斷路器（極速開(kāi)關(guān)）與電抗器并聯(lián)，工作原理是正常時(shí)極速開(kāi)關(guān)將電抗器短接，處于零損耗狀態(tài)；短路時(shí)極速開(kāi)關(guān)快速分閘，使電抗器投入限流。解決了電抗器長(zhǎng)期運(yùn)行帶來(lái)巨大的運(yùn)行損耗問(wèn)題。極速開(kāi)關(guān)是采用快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)操作機(jī)構(gòu)的真空斷路器，快速渦流驅(qū)動(dòng)靠電磁斥力為動(dòng)力，航空母艦上電磁彈射器的工作原理就是通過(guò)彈射導(dǎo)軌的載流導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，利用磁通量瞬間巨大變化產(chǎn)生的感應(yīng)電磁斥力將飛機(jī)彈射升空，因此速度快；基于電磁感應(yīng)渦流原理的電磁斥力機(jī)構(gòu)和傳統(tǒng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，分閘速度快，具有機(jī)械延遲時(shí)間短，初始反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于驅(qū)動(dòng)滅弧室動(dòng)觸頭高速分閘，而觸頭的保持力則通過(guò)永磁保持機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，壽命高達(dá)10萬(wàn)次，具有保持力大且穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，電磁斥力擊鼓和永磁保持機(jī)構(gòu)結(jié)合使得大容量快速機(jī)械開(kāi)關(guān)性能更加優(yōu)越。極速開(kāi)關(guān)主要組成包括：真空滅弧室、分合閘勵(lì)磁線圈、渦流盤(pán)、儲(chǔ)能電容器、永磁鐵等，開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)通過(guò)電平信號(hào)觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，電容器向線圈放電，線圈產(chǎn)生的磁通，在渦流盤(pán)中感應(yīng)渦流并與磁場(chǎng)產(chǎn)生互斥作用，驅(qū)動(dòng)渦流盤(pán)帶動(dòng)滅弧室動(dòng)觸頭上下運(yùn)動(dòng)，與傳統(tǒng)斷路器相比，快速渦流驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)速動(dòng)性提高10倍。合閘時(shí)間8ms以?xún)?nèi)，分閘時(shí)間可以控制在5ms以?xún)?nèi)，而傳統(tǒng)10kV真空斷路器分合閘時(shí)間為60ms左右。短路故障快速識(shí)別技術(shù)是利用電流瞬時(shí)值和電流變化率同時(shí)越線作為判據(jù)，0.3～0.4ms實(shí)現(xiàn)短路電流有效值的快速預(yù)測(cè)，在短路故障發(fā)生后的2～3ms完成短路電流有效值的識(shí)別和過(guò)零點(diǎn)的預(yù)測(cè)，基于快速渦流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的智能高速開(kāi)關(guān)是分相控制的，分閘分散度做到0.1ms以?xún)?nèi)，合閘分散度可以做到0.2ms以?xún)?nèi)，普通真空斷路器為2-3ms。利用智能高速開(kāi)關(guān)作為執(zhí)行部件，可實(shí)現(xiàn)真正意義上的“過(guò)零開(kāi)斷”。

圖3極速開(kāi)關(guān)型無(wú)損耗限流裝置

b.恢復(fù)爆破橋式高速限流開(kāi)斷裝置，圖4所示，通過(guò)限流器和電抗器并接的方式實(shí)現(xiàn)。其工作原理是：工作時(shí)，限流器處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作電流從限流器實(shí)心銅母線路徑通過(guò)，阻抗為零，沒(méi)有任何損耗；當(dāng)短路發(fā)生時(shí)，限流器動(dòng)作快速打開(kāi)，將電抗器投入進(jìn)行限流，由于價(jià)格低廉被廣泛使用，但采用爆炸橋強(qiáng)行開(kāi)斷短路電流限流器，每一次限流后需停電更換爆炸橋，所以不能廣泛地應(yīng)用于限制短路電流的各種場(chǎng)合。針對(duì)一般限流器中的開(kāi)關(guān)爆炸橋開(kāi)斷后需停電更換元件、不能快速恢復(fù)的缺點(diǎn)，研制出一種適用于各電壓等級(jí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本合理、無(wú)損耗、不用更換元件，可重復(fù)使用的電網(wǎng)短路電流限制裝置就顯得非常必要。

恢復(fù)爆破橋式高速限流開(kāi)斷裝置采用自恢復(fù)爆破橋式高速限流開(kāi)斷裝置與電抗器并聯(lián)，工作原理同極速開(kāi)關(guān)型無(wú)損耗限流裝置相同，只是采用自恢復(fù)型限流器取代快速開(kāi)關(guān)。發(fā)生短路后，在電流未達(dá)到峰值之前，在電流未達(dá)到峰值之前，首個(gè)半波1-3ms內(nèi)限流器開(kāi)斷，電抗器投入運(yùn)行，確保發(fā)電機(jī)和主變安全，對(duì)比于快速開(kāi)關(guān)的開(kāi)斷時(shí)間為5ms，速度更快；開(kāi)關(guān)柜內(nèi)部預(yù)裝有一套后備限流器；短路動(dòng)作后，無(wú)需停電通過(guò)斷路器合閘投入后備限流器保持續(xù)運(yùn)行；按短路故障的平均間隔周期約3年一次估算，裝置在投運(yùn)后3-5年可不用更換備件，僅在大修停電時(shí)更換即可，徹底解決了“單一爆炸式開(kāi)關(guān)”動(dòng)作后更換一次性元件帶來(lái)的運(yùn)行成本增加和維護(hù)工作量加大等問(wèn)題。

圖4 恢復(fù)爆破橋式高速限流開(kāi)斷裝置系統(tǒng)圖

由于電抗器價(jià)格比較高，并沒(méi)有在線路中廣泛使用，但從系統(tǒng)應(yīng)用的長(zhǎng)遠(yuǎn)效果來(lái)說(shuō)，投資是值得的。