混合型限流及开断技术( 二 )


混合型限流及开断技术

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荷兰Delft大学方案该项目的最终目标是研製直流3 kV/7 kA的限流断路器样机 。结构由自然换流型电路和强迫换流型电路2部分组成,自然换流型电路用来分断额定电流以下的电流,强迫换流型电路单独作用或联合作用来分断额定电流以上的大电流 。自然换流型电路的固态开关由GTO(T6)和二极体(D6)组成;强迫换流型电路主要由C7, L7和T7组成,R8, T8用来限制C7两端的电压,L9, T9用来释放C7上储存的能量 。联合作用的原理是,在给主开关S发出分断信号后,给GTO管T6发导通信号,使得主迴路电流换流到T6上,即自然换流工作过程,自然换流结束后给晶闸管T7发导通信号,C7的放电电流会首先将T6电流减小到零强迫关断,然后二极体D6导通续流,D6电流过零截止后C7, L7将串入主迴路中,强迫换流的作用是提供反向电流关断GTO 。2)方案二海军工程大学针对现代舰船直流电力系统交流整流发电机保护面临的断路器发电机侧短路时需瞬时分断高上升率短路电流,以及断路器电网侧短路时需短延时后分断短路电流的要求不同这一问题,提出一种联合型真空直流断路器的拓扑结构,如右图所示 。
混合型限流及开断技术

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海军工程大学方案採用强迫换流关断原理关断髮电机侧短路时高上升率的短路电流,採用自然换流关断原理实现电网侧短路时短延时保护以及正常工作电流的分断 。设计了直流1 kV/2.5 kA断路器样机,并进行了正、反向关断试验,实现了正向8 kA的自然换流关断和反向初始上升率为20 A/s的短路电流强迫换流关断 。以上3种混合型限流断路器在实际系统中各有其适合套用的範围,自然换流型受电力电子器件耐压限制,现有产品多套用于中低压系统 。相对而言,强迫换流型利用电容放电迴路创造电流过零点,利于在高压场合的套用,但这种方式也有缺点,它需要额外脉冲关断电路且对触头动作速度要求较高 。联合型方案一利用自然换流电路分断额定电流,用强迫换流电路分断故障电流,提高了整机的工作可靠性和使用寿命,但结构较为複杂;方案二则针对实际系统中2个方向限流分断要求的不同採用2种原理进行分断,有其独特的适用範围 。混合型限流熔断器混合型限流熔断器是将高速开断技术与限流熔断器结合的一种限流开断装置,按故障检测方式的不同可分为电子测控型和电弧触髮型2种 。混合型限流熔断器通常用于交流或直流大电流负载支路的过载或短路限流分断,一次保护动作后需要更换新部件,但部件所需成本较低 。电子测控型电子测控型限流熔断器是较早出现的混合型限流熔断器,其方案如图所示 。
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电子测控型限流熔断器方案由检测触发装置、高速开断器和灭弧熔断器等组成,额定电流从高速开断器上流过 。短路发生时,电子式检测触发装置发出点火信号,引爆高速开断器内的炸药使其分断,将短路电流转移到灭弧熔断器上,灭弧熔断器迅速熔断并将电流切断 。灭弧熔断器迅速熔断并将电流切断 。电子测控型限流熔断器的代表性产品有ABB公司的Is-Limner, Ferraz公司的Pyristor, G&W公司的CLip等产品 。这类产品的额定电压达到了最高40.5 kV额定电流达到了最高5 kA,开断电流可达到200 kA以上,在国内外已有大量套用,主要套用于大型发电机出口、扩建或联网运行时的跨接排以及与电抗器并联组成限流方案 。电弧触髮型由上述的电子测控型限流熔断器採用电流感测器和电子控制模组作为检测触发方式,整体结构较複杂,体积较大,因此有学者在其基础上提出了电弧触髮型限流熔断器方案 。电弧触髮型限流熔断器按开断器驱动力的不同又可分为炸药驱动型和电磁斥力驱动型2种 。(1)基于炸药驱动开断器电弧触髮型限流熔断器,其採用电弧触发器取代检测触发装置,省去了电流感测器和电子控制模组,直接利用短路电流的热效应作为短路检测和触发手段 。电弧触发器内部为带有狭颈的熔体导电部件,发生短路时,熔体在短路电流作用下迅速熔断产生电弧,利用该电弧电压引爆高速开断器内的炸药 。电弧触髮型限流熔断器极大提高了设备可靠性,无需控制电源、体积小、成本低,克服了电子测控型存在的问题 。电弧触髮型限流熔断器最早由美国G&W电力公司的H.M.Pflanz等人提出[}z}},命名为PAF 。採用该方案所研发的产品额定电压从交流2.8 kV至38 kV共6个等级,额定电流有200, 300, 400和600 A共4个等级,其最大额定电流只有600 A,无法满足1000 A以上的保护需求 。海军工程大学也开展了电弧触髮型限流熔断器的关键技术研究,提出了一种扁矩形孔熔体结构的电流触发器结构,将电弧触发器的额定电流由G&W电力公司的600 A提高到3000 A,并研製了320 V/2500 A, 1200 V/1250 A和lOk V/2000 A等多种型号直流限流熔断器 。在前述电子测控型和电弧触髮型限流熔断器中,它们的高速开断器都是依靠炸药爆炸技术来进行驱动,其问题在于:1)炸药有使用寿命限制,会逐渐分解失效,需要定期进行更换;2)炸药耐温性差,对工作温度有严格限制;3)炸药爆炸分断开断器时噪音较大,且会产生火花 。(2)基于电磁斥力驱动开断器为了克服炸药驱动开断器使用炸药带来的上述缺点,在图8限流熔断器基础上,海军工程大学发展了2种基于电磁斥力驱动型开断器的新型限流熔断器方案,分别是基于电磁斥力驱动铜桥型开断器的方案和基于电磁斥力驱动银片型开断器的方案 。与原有电弧触髮型限流熔断器不同的是,该方案中的开断器採用电磁斥力技术替代炸药进行驱动,当短路发生时,电弧触发器给斥力驱动电路中的晶闸管触发信号,电容向斥力线圈注入一个大脉冲电流,斥力盘在电磁斥力作用下将开断器中的铜桥或开断器中的银片打断,实现开断器的快速分断 。基于新材料的混合型限流技术随着Bi2223超导带材、YBCO超导薄膜和液态金属等新材料的出现和技术参数的不断提高,将此类新材料和快速机械开关等技术相结合形成了混合型限流技术发展的一个新方向,如混合型超导限流器和混合型液态金属限流器等方案 。韩国电力公司和韩国电力研究院开展了三相交流22.9 kV/630 A混合型超导限流器研发,其中超导材料分别採用了B 12223超导带材、YBCO超导薄膜2种方案,样机(宽3.8 mx深1.4 mx高2.3 m,2750 kg)在22.9 kV交流电网馈线支路上安装运行了一年以上,并进行了有效值12.5 kA交流短路限流试验 。限流器由高温超导模组(HTS)、快速开关模组(FS}和限流阻抗(CLR)组成 。HTS由9个AMSC 344超导元件(13 mmx8 m)并联而成,用于增强额定通流能力,HTS工作于77 K液氮环境中,并由单级GM制冷机冷却 。正常工作时,额定电流从HTS和FS中的真空断路器(VI)上流过,故障发生时,短路电流使得HTS失超,HTS阻抗增大,电流被转移到并联的FS中的斥力驱动线圈上,斥力机构驱动VI分断,Short contactor接通,电流进一步转移到CLR支路上,由限流电抗器实现短路电流的限流 。混合型超导限流器的优点是HTS只在故障初期流过短路电流,HTS失超后电流将转移到并联支路,由CLR承担限流任务,与传统的电阻型超导限流器相比,HTS不承担限流任务,所需超导元件数量少、费用低,无耐受过电压要求、超导材料工作可靠性提高,失超恢复速度快,有利于快速重合闸 。近年来,一种以低熔点、无毒的金属合金稼锢锡为填充介质,基于自收缩效应的新型液态金属限流器开始受到人们的关注 。在短路电流流过时液态金属会发生快速收缩现象,并能够产生电弧来限制短路电流,具有体积小、无可动部件、自触发和自恢复、全封闭免维护特点 。西安交通大学在自研的液态金属限流器((LMCL)基础上,提出一种混合型液态金属限流器方案,即将LMCL与一个快速转换开关并联,如右图所示,进行了预期20 kA短路限流试验 。