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MQZLB零损耗深度限流装置

时间:2023-02-16 浏览:3384

一、功能原理介绍

■回路简介

如下图所示,MQZLB系列零损耗深度限流装置(以下简称MQZLB装置)是由“换流器”与“限流电抗器”并联而成的开关设备,再经由K1、K2点串接在供电线路中。

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其中“换流器”是以安徽明清公司制造的VFC系列“涡流驱动”

快速断路器为主要元件的并整合了短路电流快速判断的测控装置的组合电器;“限流电抗器”正常运行时被换流器旁路处于退出状态,损耗为零,仅在短路故障时才投入,故障解除后再自动退出。

■控制系统简介

MQZLB控制系统包括中继控制器和三个分相控制器,其中中继控制器装在现场操作柜中,分相控制器分别内置在各相换流器内。

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分相控制器独立控制各相换流器单元,中继控制器通过光纤与各分相控制器联络,显示各相换流器状态信息并可维护定值,还提供数据接口和信号节点与中控室计算机管理系统通信。

■工作逻辑

1、正常运行期间

VFC处于合闸位,换流器承载线路工作电流,MQZLB呈零阻抗状态,表现为零损耗,无压降,同时不会产生磁场污染;

2、线路发生短路故障时

当且仅当分相控制器通过罗克CT信号检出了超过MQZLB启动定值的超标短路电流时,命令VFC及时分闸,ZLB装置可在20ms内投入限流电抗器而呈现高阻抗状态,将短路电流限制在预期值以内,确保常规断路器可靠开断短路故障。

3、短路故障排除情况

(a)若分相控制器通过返回CT检出的电流小于返回定值时,说明短路故障已排除,命令VFC及时合闸,MQZLB装置可在20ms内旁路限流电抗器而呈零阻抗状态,系统即可恢复正常运行;

(b)若分相控制器通过返回CT检出的电流达不到返回定值时,说明系统没有排除短路故障,也即VFC一直处于分闸状态,达到2s时间,为自我保护,命令VFC合闸,此功能也作为MQZLB误分之后的自愈保护。

■核心元件一VFC“涡流驱动”快速断路器

1、总则

VFC系列“涡流驱动”快速断路器是安徽明清电力公司制造的一种电容器储能、涡流盘驱动、永磁保持、直动式的快速永磁真空断路器,机械分闸时间小于5ms、最大开断电流不小于80kA CO100次;已于2011年通过了西高所“型式试验”和“大电流开断性能试验”。

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“速度快”和“开断能力强”,是开关型限流器所用断路器必须具备的两个重要指标!

2、“涡流驱动”机构

如下图,为VFC开关“涡流驱动”机构和电路原理示意图。

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3、标准

VFC快速断路器符合GB1984-2003、JB/T3855-2008以及其他相关标准。该快速断路器通过了以下各种试验,可保证在正常安装条件下安全可靠地工作。

型式试验:温升、机械特性和操作(1万次)、工频耐压、雷电冲击耐压、震荡波抗扰度、电快速瞬变脉动群抗扰度、冲击电压、开断关合能力试验前后机械特性、短时耐受电流和峰值耐受电流、出线端短路开断试验、异相接地故障开断能力试验。

性能试验:VFC-12/1600-40的型式试验试品完成40KA CO100次后,未经检修,继续进行80kA电烧损及开断CO20次的开断能力试验、VFC-

12/5000-80试品80KA下CO100次开断能力试验。

出厂试验:主回路工频耐压试验、辅助和控制回路绝缘性能、主回路电阻测量、1:1模拟现场最大短路电流开断试验。

4、指标特点及行业同类对比

VFC快速断路器采用了“涡流驱动”的直动式机构,性能指标明显优于其他类型的真空断路器,见下表。

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■其他重要元件

1、换流器部分

换流器部分主要由VFC快速断路器和响应的测控元件组成,测控元件包括:罗克CT、分相控制器和薄膜电容器等。

a、罗克CT

罗克CT,学名Rogowski线圈(洛氏线圈),是一个均匀缠绕在非铁磁性材料上的环形线圈,输出的是电流对时间微分的电压信号,通过积分,就可以真实还原输入电流,通常安装在灭弧室的动触头侧,有以下特点:

由于罗克CT不含铁磁性材料,无磁滞效应,相位误差几乎为零,也无磁饱和象,因而可测量大电流而不需要过大的体积;与带铁芯的传统互感器相比,罗克CT具有测量范围宽,精度高,稳定可靠等优点,用在ZLB装置上,可精确测量较大的短路电流。

罗克CT输出变比由外部电路和算法决定,因此罗克CT无需单独校准,而是与控制器联合校准。

b、分相控制器

分相控制器根据罗克CT的信号,通过特殊算法,对短路电流信号处理,可在2ms左右计算出短路电流的周期分量、非周期分量、短路初始角,并结合断路器的机械固有分闸时间做出适当的延时,控制断路器在短路电流过零时刻前分闸,实现大容量换流功能。

c、储能电容器

VFC系列“涡流驱动”快速断路器采用薄膜电容器储能,作为断路器的驱动能源,即使外部供电中断20分钟以上,断路器也可完成一次0-C循环操作,规避了电源的稳定性对断路器动作的影响,同时,薄膜电容的自愈功能及温度不敏感性都提高了VFC断路器操作能源的可靠性。

2、现场操控柜

现场操控柜为安置于ZLB装置现场护栏外的就地操控箱柜,集成以下功能:提供换流器的工作电源、换流器的就地操控、换流器状态量显示、定值整定、与中控室后台的通信及大电流换流器的风冷系统等,起到对ZLB装置就地操控维护及远程通信数据中转的作用。

■“零前分闸”技术提升快速断路器的开断容量

短路故障时,真空开关分闸,在电流过零前,电流以电弧形式维持。电流是否能被开断需要以下两个条件同时满足:第一、电流过零;第二、电流过零时刻,灭弧室绝缘水平恢复到电弧熄灭时的瞬态恢复电压(TRV)以上。其中灭弧室恢复的绝缘水平与以下因素有关:触头电流过零时刻的开距大小;灭弧室在电流过零前的燃烧量。瞬态恢复电压与系统参数和弧隙阻抗有关。

因此,要提高开断容量,必须控制电流过零前阶段的触头刚分时刻、刚分速度以及电流过零时刻的恢复电压。

1、降低触头瞬态恢复电压

瞬态恢复电压是大电流过零时触头弧隙间的振荡电压,存在时间仅几十微秒至毫秒,与工频恢复电压大小与频率、电路的阻尼值(如电感、电容和电阻的数值)以及它们的分布情况有关。

当断路器弧隙阻抗为无穷大时TRV最大,也即系统固有TRV;当弧隙阻抗减小时,TRV也相应减小,因此,制造断路器时,人为减少断路器的弧隙阻抗,可在断路器开断时,降低弧隙的TRV。

2、提高电流过零时刻灭弧室绝缘恢复水平

a)减小灭弧室燃烧量

减小真空灭弧室燃烧量可避免集聚形电弧的形成,有利于电流过零时绝缘水平的快速恢复,提高开断成功率。

b)提高触头刚分速度,加大电流过零时刻的触头开距真空灭弧室的绝缘水平即触头间的绝缘水平,在触头开距小于10mm时,绝缘水平与触头开距呈正比。

在高真空度环境下,绝对平整两极之间,击穿电压达10V/mm数量级,在真空度、触头材料、触头表面形状、老练等诸多因素的影响下,触头的绝缘水平较理想值有所降低,一切只能依靠实验。

因此,提高触头的刚分速度,并且精确控制零前刚分时刻,可以保证电流过零时的触头开距,刚分速度越高,越有利于绝缘水平的恢复。

c)出厂大电流老练流程

灭弧室老练,即通过电弧的灼烧,将出厂时灭弧室触头上的晶须烧平,提高触头的平整度,以便在实际应用中就已经具备优良的触头场强均匀度,保障对开断成功率。

因此,MQZLB用VFC快速断路器,每台在出厂前都进行1:1模拟现场故障电流开断试验,一方面有验证设备指标的目的,另外就有老练的目的。

二、型号命名及参数

■型号命名

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■参数指标

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■正常使用条件

1)环境温度:-40~50℃,户外(可户内);

2)日平均相对湿度:≤95%;

3)海拔高度:≤2000m;

4)安装地点:户内、户外;

5)地震烈度:不超过8度;

6)污秽等级:不超过Ⅱ级;

7)凡超出上述要求范围之特殊条件,由用户与制造厂协商确定。

三、一次接线方案及现场布置示意图

■MQ-ZLB-TY形式(筒式电抗一体)

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■MQ-ZLB-TF形式(筒式电抗分体)

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■MQ-ZLB-GY形式(柜式电抗一体)

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■MQ-ZLB-GF形式(柜式电抗分体)

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四、典型案例说明

■短路电流超标现象

如下图,当d点发生三相短路故障时,流过断路器K的短路电流1。为变压器T提供的短路电流lar、发电机G提供的短路电流l66、电机群提供的反馈电流l之和,即所有电源提供的短路电流和电动机的反馈电流总和,一旦该值超过断路器K的额定开断电流时,称为短路电流超标。

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■典型治理方案一串联限流电抗器

电力系统针对短路电流超标的典型治理方案是:在电源的线路上串联限流电抗器来限制短路电流,如右图中变压器线路中的Xm和发电机线路中的Xkc,二者可分别或同时使用,一旦发生短路故障,可将超标的短路电流限制到断路器K的遮断电流以内。

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因此,此种用法的限流电抗器应能长时通流,而且电抗率不宜过大。

■串联限流电抗器的损耗问题

长时通流电抗器,流过工作电流,不仅产生有功损耗,其无功功率也侵占了电源系统视在功率中的有功部分,降低了电能的利用效率,并且其无功电流在电网上传输也会产生线路损耗,依据国标GB12497,一台10kV-2.5kA/12%的电抗,按照70%的负荷率,年8000小时的综合损耗计算见下表。

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■“爆炸桥”方案的尴尬要求“快速断路器”

1、旁路法节能原理

电抗的损耗相当可观,于是,出现了爆炸桥并联限流电抗器的节能方案(见下图),通过爆炸桥的旁路效果,可消除电抗器长期运行期间的损耗,实现节能。该方案的节能概念很快就被广大用户所接受。

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2、爆炸桥原理

见下图,爆炸桥是一种内置炸药的金属载流桥体与限流熔断器并联的组合电器。

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其工作逻辑是,由桥体承载工作电流,当d点发生短路故障时,桥体迅速炸断,将短路电流换入与之并联的熔断器中,然后由熔断器完成短路电流向与之并联的限流电抗器中的转换,究其本质来说,爆炸桥是一种额定电流比较大的特种熔断器。

3、“节能并不省钱”的尴尬效果

实际使用证明,爆炸桥的旁路作用可以有效节能!消除了电抗器的无功电流在线路上的损耗,同时解放了电源的有功输出能力,提高了电能利用效率。

后来发现,爆炸桥一旦动作后,则必须尽快更换配件,否则电抗器又得继续耗能,而更换配件还需要支付昂贵的费用,节能省的钱还得花出去,如果多出现几次短路故障,反而要倒赔,出现了节能但并不省钱的尴尬现象。

4、“节能并省钱”要求“可反复使用”的旁路设备

爆炸桥这种“一次性”的使用特点并不符合用户省钱的需求,但节能又势在必行,因此,需要一种与爆炸桥相当的可反复使用的电抗器旁路设备来替代爆炸桥。

既然是可反复使用的,又得起到旁路作用的,从特征上来看,这种设备只能是断路器。首先,这种断路器必须分闸快,快到能在常规断路器灭弧室触头出现刚分之前就能完成电流转换;其次,要开断能力强,强到可以开断没有被电抗器限制的超标的短路电流。

5、“快速断路器”的两个重要指标

快速断路器除了应满足常规断路器的所有要求外,还应具备以下重要指标:

a)开断时间:<20ms(判断时间、固有分闸时间和燃弧时间)

b)额定短路电流开断能力:40~100KA

■理想的“开关式节能型限流器”方案

以快速断路器为主要元件,配合快速测控装置,形成一个可反复使用的“快速换流器”,与限流电抗器并联,组成一种可反复使用的开关式节能型限流装置。

五、使用维护

1、设备安装前,须完成必要的基础建设和线缆敷设;

2、开箱检验,无损坏,方可就位安装;

3、须按照《调试大纲》进行必要的投运前试验,并提交《调试报告》;

4、合格后方可投运,并提交《投运报告》;

5、正常运行过程中,按照《检修维护规程》进行维护。

六、订货须知

1、订货前,应明确“限前短路电流”及“限后短路电流”,需提供“短路电流计算书”或必要的系统参数(一次系统单线图、额定电压、额定电流、短路阻抗、线路阻抗、系统短路容量等);

2、明确设备安装场及空间位置;

3、装置及备品的型号、规格和数量;

4、有无重合闸配合要求以及重合闸时间间隔;

5、装置使用在特殊环境条件下,应在订货时详细说明;

6、其他特殊要求。

七、包装、运输、储存

1、一般采用木箱包装,装置固定在包装箱的底座上。

2、不得在三级以下公路上长距离运输,必要时,可分解包装。

3、长期不用时,应存储在干燥、通风的仓库内,不宜长期在户外储存。

4、运输过程中装置应避免碰撞、受潮及暴晒。

八、质量保证与售后服务

1、质保期为交货后18个月或投运后12个月,以先到为准,质保期内免费维护,质保期外有偿服务,终身保修。

2、我方派专业人员配合用户在进行投运前现场试验。

3、质保期内发生质量问题,除免费维修外,维修部件质保期按修复后重新计算。

九、MQ-ZLB装置使用相关问题与解答

■MQ-ZLB是否对原系统继电保护定值产生影响?

不会产生影响。MQ-ZLB装置的作用是,当且仅当系统出现了超标的短路电流时才会动作,而且一般将超标的短路限流限制到普通短路器的遮断电流的0.8倍,保障故障线路断路器的可靠开断,因此,即使MQ-ZLB投入后,短路电流也足够大,不会影响到原系统继电保护定值的灵敏度。

■MQ-ZLB换流器动作后会不会造成不平衡?

MQ-ZLB当且仅当系统发生短路故障时才动作,尤其是两相短路故障时已经造成了不平衡工况,因此,此时已经不考虑平衡问题,而是需要尽快结束这种故障现象,限流装置的投入不仅限制了故障电流,而且有利于断路器切除故障,只有好处,没有坏处。

■MQ-ZLB能否配合线路重合闸?

若重合闸期间,MQ-ZLB无电流流过,只要调整返回策略为延时返回即可;若有电流流过,则必须增加分合闸电源的数量,以便配合重合闸的时间间隔。

尤其是电网用户,一般有重合闸需求,因此,在订货时,需要声明有无重合闸配合要求,且重合闸时间是多少。



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