ZLB零损耗深度限流装置有效性及可靠性分析

ZLB零损耗深度限流装置有效性及可靠性分析

张敏

张家港沙洲电力有限公司生产技术部

摘 要：本文简要介绍了ZLB零损耗深度限流装置的工作原理和基本性能，从限流效果的角度分析了该装置的有效性，从机械和控制策略的可靠性两个方面对装置进行了技术剖析，以期为用户选用该装置提供一些技术参考。

关键词：深度限流装置；有效性；可靠性

引言

随着电力行业的发展，工业供配电系统的短路容量日益增大，用户对于供电可靠性的要求越来越高；但另一方面，电力系统发生短路时的故障电流也日益增大，已经接近甚至超过了真空断路器的最大分断能力，严重威胁着发电机、变压器、断路器以及输电线路的安全。

短路电流的危害主要来自于巨大的电动力和可观的热效应，因此避免其危害的根本措施有两条，一是限制短路电流的峰值，二是缩短短路电流的持续时间。为实现这一目标，国内外生产厂家和科研院所开展了大量的研发工作，提出了许多短路电流的限制方法，但迄今为止，技术上最为成熟可靠、市场应用最广泛的只有爆炸型大容量高速开断装置^[1]~[3]。该类装置利用电子检测电路判断短路故障，控制由炸药爆轰波驱动的主回路高速开断，由并联的高压限流熔断器完成灭弧吸能。实际运行使用中，通常将该类装置与系统原有的限流电抗器并联，既可以大幅降低正常运行时的损耗，又能有效限制短路电流，同时还能在一定程度上保证供电的连续性。

近年来，市场上新出现了一种名为零损耗深度限流装置的产品^[4]，该产品通过罗氏线圈监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DSP通过专用算法，快速精确地预测出三相电流过零点的精确时间，分别在每相电流过零之前发出信号。高速开关使用高速涡流驱动机构，在电流接近过零点时三相分别准确分闸开断，短路电流换流进入深限流电抗器中，限制短路电流，短路电流幅值大大降低。

据称，该装置可在7-15毫秒内可将短路电流限制在原幅值50%以下，使系统所受到的短路冲击大大降低，保护系统内变压器发电机等电气设备，保证系统的安全运行。短路故障切除后，测控单元自动检测母线电压回升立即给高速开关发出合闸命令，深度限流电抗器退出，系统即可恢复正常运行。

本文从有效性和可靠性两个方面对该装置进行深入的技术分析，以期为用户选用该产品提供一些有价值的参考。

1 零损耗深度限流装置有效性分析

众所周知，限流装置的意义在于最大限度地降低短路电流对于电力系统的破坏，更具体地说是对系统中发电机和变压器等设备的破坏，而不仅仅是为了使系统中原有的断路器能够分断短路电流。因此，所谓限流实际上应该包括两个方面：一是限制短路电流峰值，二是缩短故障持续时间，因为对系统而言，电流峰值越低，持续时间越短，短路造成的电动力和热效应就越小，装置对系统的保护就越有效。

以电力变压器为例，文中^[5]采用ANSYS建模对某型变压器低压绕组短路期间的轴向电动力进行了计算，如图1所示，电动力峰值出现在短路电流的第一个波峰时刻，达到了317.6kN，而随着短路电流直流分量的衰减和电流幅值的下降，电动力也迅速减小。

图1 低压绕组轴向电动力曲线

由此可见，短路电流所产生的电动力，尤其是第一个波峰所产生的电动力是十分惊人的。从近年来大型电力变压器短路事故的统计和分析来看，变压器损坏的原因大多是因为不能承受短路电流所产生的电动力，从而出现支架断裂和绕组变形^[5]。很多情况下，即使故障后的外观检查和运行过程中均未发现问题，但实际上变压器内部可能已经出现了严重变形，如果继续运行存在重大的安全隐患。如文^[6]中提到的一台SFPSZ-220/150000型变压器，在承受了15kA的出口短路电流冲击后，变压器绕组直流电阻、空载损耗、绕组及铁芯绝缘、变压比等试验项目均无异常，结果在进行冲击送电时发生匝间短路和断匝故障，后经吊罩解体检查发现，内侧低压绕组在短路电流冲击下已经出现了变形和绝缘破坏(图2所示)。

图2 变压器线圈变形

由此可见，要最大限度地保护电力系统安全，必须对短路电流的第一个波峰进行限制，才能有效降低电动力的冲击。以爆炸型大容量高速开断装置为例，其限流过程中的电流波形如图3所示，如果没有安装该装置（图3（a）所示），系统的短路电流峰值将达到50kA，持续时间数十毫秒，如果不采取保护措施，在如此大的电动力作用下，电气设备必然会失稳变形乃至坍塌烧毁^[7]。

（a）预期短路电流波形

（b）高速开断装置限流过程电流波形

图3 爆炸型大容量高速开断装置限流效果

当安装了爆炸型大容量高速开断装置后，装置在2-5ms可完成开断并将限流电抗器串入电路，此时短路电流还未上升到峰值便被限制在15kA以内（图3（b）所示），按电动力与电流峰值的平方成正比计算，电动力降为限流前的9%，效果十分显著。

而零损耗深度限流装置的高速开关分断时刻为短路电流的第一个过零点，当发生相位为0°的短路时（如图4（a）），高速开关在10ms左右打开并将限流电抗器串入系统限流，短路电流最大值为50kA。而当短路故障相位为90°时（如图4（b）），电流第一个过零点时间接近20ms，短路电流最大值将达到近90kA，也就是说系统要承受90kA的短路电流近20ms时间，这对于一般的电气设备而言显然是无法做到的。

（a）0°短路电流波形

（b）90°短路电流波形

图4 零损耗深度限流装置限流过程电流波形

从图4可以看出，零损耗深度限流装置对短路电流的峰值并没有限制作用，严格意义上讲并不能称为“限流装置”。虽然说该装置可以将第一波峰之后的短路电流限制在断路器的开断能力以内，但并不能保证发电机和变压器等设备在短路电流第一波峰的巨大电动力冲击下不损坏，因此可以说其在设计思想上存在一定的缺陷，将导致用户在实际使用时承担较大的风险。

2 零损耗深度限流装置可靠性分析

2.1 机械可靠性

目前各厂家所生产的真空断路器基本上都是采用永磁操动机构，其分闸时间通常在6ms左右，触头平均运动速度在1.5m/s左右，因此，现有真空灭弧室的机械强度和抗冲击能力都是基于这些指标设计的。而零损耗深度限流装置采用电磁斥力机构^[8]作为触头驱动（如图5所示），该机构利用预充电电容器对斥力线圈放电产生大电流脉冲，并在与触头连接的金属盘内感应出涡流，两种电流之间的强大斥力使得触头高速分离，分闸时间可缩短至0.5ms左右，触头平均运动速度提高到6~10m/s。

1. 机构组成

（b）斥力原理图

图5 电磁斥力机构原理图

根据动量公式Ft=mv，同样的真空灭弧室分别采用永磁操动机构和电磁斥力机构驱动，后者的冲击力是前者的48-80倍，以12kV2500A产品为例，真空灭弧室动触头质量约为1kg，采用永磁操动机构驱动时，触头所受冲击力为250N，而采用电磁斥力机构驱动时，冲击力将达到20000N。分合闸冲击力的成倍提高可能会带来以下问题：

1. 传动环节（金属盘、绝缘拉杆、导电杆等）由于应力超出设计极限而发生变形甚至断裂；

2. 真空灭弧室部件（波纹管、瓷壳等）无法多次承受巨大的冲击而出现损坏。

因此，现有的真空灭弧室直接应用在高速开关装置中显然是存在较大风险的，必须通过权威部门的型式试验才能证明其可靠性。

2.2 控制策略可靠性

传统真空断路器分断时触头运动速度相对较慢，通常需要在电流过零前10ms以上开始分闸，这样才能保证在电流过零时形成足够的开距，确保触头间介质强度可靠恢复而不被击穿。而零损耗深度限流装置由于采用了高速开关，其控制策略为：通过DSP根据实时检测电流值，在2ms内计算出电流过零时刻，在过零前才发出分闸信号。这样做的好处是可以大大缩短触头的燃弧时间，减小触头烧蚀，提高触头电寿命。

但是，上述方法也存在较大的安全风险，下面以10kV产品为例进行分析。电磁斥力机构驱动的触头运动速度理论上可达到近10m/s，那么只需要1.5ms左右的时间触头便可形成额定开距，加上0.5ms左右的固有分闸时间，在电流过零前2ms发出动作信号是可行的。

可以看出，该控制策略可靠实现的前提是：准确计算出短路电流的过零时刻。但是在实际情况中这是很困难的。原因在于三相系统的短路电流中总是带有直流分量，而直流分量会使得电流过零时刻发生偏移^[9]。各相中的直流分量与下列因素有关：（1）三相短路是否同期；（2）系统中性点是否接地；（3）发生短路时各相电源电压的相位。

由于系统的短路工况无法提前预知，且有可能在短路过程中发生变化（比如说由单相短路转为三相短路，由高阻短路转为低阻短路等），因此，仅仅靠检测某一段时间的系统电流值来计算短路电流的过零时刻是不可靠的。如果计算得出的过零时刻晚于实际的过零时刻，那么触头将在电流过零并反向后打开，必定会导致分断失败。

根据目前了解的情况，该装置产品仅在振荡回路上用电容器放电进行了开断模拟试验，并未采用发电机作为电源做过开断试验，而电容器放电电流是不含直流分量的，因此该装置控制策略的可靠性还有待于进一步的验证。

3 结论

综上所述，关于零损耗深度限流装置可以得出以下结论：

1. 零损耗深度限流装置并不能对短路电流的第一个波峰进行限制，极有可能会造成系统设备变形或损坏；

2. 零损耗深度限流装置采用电磁斥力机构驱动真空灭弧室触头，由于分合闸冲击力大大提高，其机械可靠性还有待于研究验证；

3. 零损耗深度限流装置根据系统短路初期的电流波形来计算过零时刻，在实际中可能因为短路工况的变化而失效，从而导致分断失败。

总而言之，零损耗深度限流装置作为一种新型的电力系统短路保护装置，旨在提供一种可快恢复的短路保护方案，很值得探索和研究，但是其设计思路、控制策略和工艺水平还有待于进一步改进和完善。

参考文献：

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[4] 程艳兵，汪志鹏，祁福.零损耗深度限流装置的优化与运用[J].铜业工程，2012,116（4）：41-44.

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