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限制短路電流，實現(xiàn)短路電流水平滿足開關(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、快速識別器及電流采集器等組成。正常運行時快速換流器閉合，一旦發(fā)生短路故障，快速換流器最晚可在7～8 ms 之內(nèi)動作，在短路電流的第一次過零點投入深度限流器，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問題，避免了限流電抗器漏磁場帶來的電磁干擾和附加損耗問題。零損耗限流技術(shù)，采用短路故障快速識別和快速分斷短路電流，能克服限流電抗器正常運行時帶來的巨大電能損耗，解決電壓波動及漏磁場等問題，電抗器的參數(shù)可以按要求的任意限流深度來設(shè)計。采用深度限流器、快速換流器、快速識別器構(gòu)成基本的限流單元，結(jié)合高壓、超高壓絕緣平臺及其取能技術(shù)，按照系統(tǒng)要求的限流深度采取多級限流單元串聯(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、帶電后自動退出功能、誤跳后自動愈合功能以及遠方測控和事件記憶功能。當線路發(fā)生短路故障時，快速換流器在7～8 ms之內(nèi)動作，在短路電流的第一次過零點投入深度限流器實現(xiàn)深度限流。當故障支路被切除或線路自動重合閘動作成功后，快速換流器自動合閘，將深度限流器短接，實現(xiàn)“零損耗”運行。正常運行條件下時，萬一發(fā)生快速換流器誤跳閘，則快速識別器自動控制其合閘，實現(xiàn)自愈，避免發(fā)生不對稱運行。

a.極速開關(guān)型無損耗限流裝置，如圖3所示，采用超快速真空斷路器（極速開關(guān)）與電抗器并聯(lián)，工作原理是正常時極速開關(guān)將電抗器短接，處于零損耗狀態(tài)；短路時極速開關(guān)快速分閘，使電抗器投入限流。解決了電抗器長期運行帶來巨大的運行損耗問題。極速開關(guān)是采用快速渦流驅(qū)動技術(shù)操作機構(gòu)的真空斷路器，快速渦流驅(qū)動靠電磁斥力為動力，航空母艦上電磁彈射器的工作原理就是通過彈射導(dǎo)軌的載流導(dǎo)線在磁場中運動，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構(gòu)和傳統(tǒng)操動機構(gòu)相比，其結(jié)構(gòu)簡單，分閘速度快，具有機械延遲時間短，初始反應(yīng)速度快等優(yōu)點，特別適合于驅(qū)動滅弧室動觸頭高速分閘，而觸頭的保持力則通過永磁保持機構(gòu)實現(xiàn)，壽命高達10萬次，具有保持力大且穩(wěn)定的優(yōu)點，電磁斥力擊鼓和永磁保持機構(gòu)結(jié)合使得大容量快速機械開關(guān)性能更加優(yōu)越。極速開關(guān)主要組成包括：真空滅弧室、分合閘勵磁線圈、渦流盤、儲能電容器、永磁鐵等，開關(guān)動作時通過電平信號觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，電容器向線圈放電，線圈產(chǎn)生的磁通，在渦流盤中感應(yīng)渦流并與磁場產(chǎn)生互斥作用，驅(qū)動渦流盤帶動滅弧室動觸頭上下運動，與傳統(tǒng)斷路器相比，快速渦流驅(qū)動開關(guān)速動性提高10倍。合閘時間8ms以內(nèi)，分閘時間可以控制在5ms以內(nèi)，而傳統(tǒng)10kV真空斷路器分合閘時間為60ms左右。短路故障快速識別技術(shù)是利用電流瞬時值和電流變化率同時越線作為判據(jù)，0.3～0.4ms實現(xiàn)短路電流有效值的快速預(yù)測，在短路故障發(fā)生后的2～3ms完成短路電流有效值的識別和過零點的預(yù)測，基于快速渦流驅(qū)動技術(shù)的智能高速開關(guān)是分相控制的，分閘分散度做到0.1ms以內(nèi)，合閘分散度可以做到0.2ms以內(nèi)，普通真空斷路器為2-3ms。利用智能高速開關(guān)作為執(zhí)行部件，可實現(xiàn)真正意義上的“過零開斷”。

圖3極速開關(guān)型無損耗限流裝置

b.恢復(fù)爆破橋式高速限流開斷裝置，圖4所示，通過限流器和電抗器并接的方式實現(xiàn)。其工作原理是：工作時，限流器處于導(dǎo)通狀態(tài)，工作電流從限流器實心銅母線路徑通過，阻抗為零，沒有任何損耗；當短路發(fā)生時，限流器動作快速打開，將電抗器投入進行限流，由于價格低廉被廣泛使用，但采用爆炸橋強行開斷短路電流限流器，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合。針對一般限流器中的開關(guān)爆炸橋開斷后需停電更換元件、不能快速恢復(fù)的缺點，研制出一種適用于各電壓等級系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、成本合理、無損耗、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斷裝置采用自恢復(fù)爆破橋式高速限流開斷裝置與電抗器并聯(lián)，工作原理同極速開關(guān)型無損耗限流裝置相同，只是采用自恢復(fù)型限流器取代快速開關(guān)。發(fā)生短路后，在電流未達到峰值之前，在電流未達到峰值之前，首個半波1-3ms內(nèi)限流器開斷，電抗器投入運行，確保發(fā)電機和主變安全，對比于快速開關(guān)的開斷時間為5ms，速度更快；開關(guān)柜內(nèi)部預(yù)裝有一套后備限流器；短路動作后，無需停電通過斷路器合閘投入后備限流器保持續(xù)運行；按短路故障的平均間隔周期約3年一次估算，裝置在投運后3-5年可不用更換備件，僅在大修停電時更換即可，徹底解決了“單一爆炸式開關(guān)”動作后更換一次性元件帶來的運行成本增加和維護工作量加大等問題。

圖4 恢復(fù)爆破橋式高速限流開斷裝置系統(tǒng)圖

由于電抗器價格比較高，并沒有在線路中廣泛使用，但從系統(tǒng)應(yīng)用的長遠效果來說，投資是值得的。