本發(fā)明涉及電氣工程領(lǐng)域，尤其是大型發(fā)電機(jī)出口處的組合式大容量斷路器系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

大容量發(fā)電機(jī)斷路器安裝在發(fā)電機(jī)與主變壓器之間，可以對(duì)提高電廠運(yùn)行效率和可靠性對(duì)保護(hù)發(fā)電機(jī)起到至關(guān)重要的作用。目前，容量為60萬(wàn)千瓦以上的發(fā)電機(jī)組出口裝設(shè)斷路器已漸成趨勢(shì)。然而，大容量發(fā)電機(jī)斷路器開斷短路電流100kA以上價(jià)格昂貴，目前國(guó)內(nèi)外只有極少數(shù)企業(yè)有成套能力(包括ABB、阿爾斯通、三菱、西開電氣等)。

目前，大型發(fā)電機(jī)的容量已達(dá)到百萬(wàn)千瓦水平、電網(wǎng)中跨區(qū)電網(wǎng)的最大短路電流已經(jīng)接近斷路器的最大遮斷容量值，因而對(duì)大開斷能力斷路器的需求十分迫切。斷路器生產(chǎn)廠家目前一臺(tái)百萬(wàn)千瓦機(jī)組的發(fā)電機(jī)出口回路的斷路器，價(jià)格高達(dá)1000萬(wàn)元～1500萬(wàn)元(人民幣)或以上。嚴(yán)重制約投資電廠的經(jīng)濟(jì)性，且瞬間開斷斷路器動(dòng)作仍有發(fā)生飛車事故的可能，而在高壓500kV電網(wǎng)中，由于500kV斷路器目前的最大開斷能力為80KA，超過(guò)該電流目前尚未有能力制造。因此，無(wú)論是大型發(fā)電機(jī)出口側(cè)斷路器的開斷容量，還是電網(wǎng)中對(duì)大容量斷路器的要求，都迫切需要有：1)對(duì)于30kV電壓開斷短路電流能力達(dá)250kA以上，對(duì)于500kV電壓等級(jí)，開斷能力80kA以上的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供一種經(jīng)濟(jì)可靠的組合式大容量斷路器系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有的斷路器開斷能力不夠、價(jià)格昂貴、安全性差的問(wèn)題。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：組合式大容量斷路器系統(tǒng)，其特征在于所述斷路系統(tǒng)由主回路上的主斷路器和短接斷路器、限流變壓器、二次側(cè)開斷組件和繼電保護(hù)控制單元組成，其中：

發(fā)電機(jī)電源側(cè)出口處與主斷路器連接，短接斷路器與主斷路器串聯(lián)連接，短接斷路器的兩端并聯(lián)限流變壓器一次側(cè)繞組的兩端，限流變壓器二次側(cè)繞組的兩端與二次側(cè)開斷組件并聯(lián)連接；

所述繼電保護(hù)控制單元用于自動(dòng)控制各斷路器的跳閘及合閘動(dòng)作。

所述二次側(cè)開斷組件為二次側(cè)斷路器，優(yōu)選六氟化硫高壓交流斷路器。

所述二次側(cè)開斷組件為電力電子開斷組件，由整流橋堆DZ、電容器C₁和電容器C₂、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁～DK₄及放電電磁鐵DCT組成，其中電容器C₁和電容器C₂并聯(lián)后再與整流橋堆DZ的兩個(gè)直流輸出端并聯(lián)，放電電磁鐵DCT并聯(lián)在兩個(gè)電容器的中間，并且電容器C₁、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁和放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₂與電容器C₂、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₃和放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₄對(duì)稱布置。

所述主斷路器優(yōu)選六氟化硫交流斷路器、油斷路器或真空斷路器。

所述短接斷路器優(yōu)選六氟化硫交流斷路器或真空斷路器，開斷時(shí)間為3～5ms。

所述限流變壓器采用三相雙繞組變壓器，包括一次側(cè)繞組、二次側(cè)繞組、回型硅鋼片、絕緣層和有載分接開關(guān)，其中，回型硅鋼片為帶氣隙δ的鐵芯體。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過(guò)在短接斷路器兩端并聯(lián)限流變壓器、同時(shí)設(shè)置二次側(cè)斷路器連續(xù)開斷的方法，使得短路電流在瞬間轉(zhuǎn)移至限流變壓器上，而使通過(guò)主斷路器的短路電流得以減小，使得目前普遍使用的斷路器能夠在有安全保障的情況下進(jìn)行開斷，從而避免發(fā)生安全事故。本發(fā)明易實(shí)施，制造成本只有目前電廠投入發(fā)電機(jī)斷路器裝置資金的2/3左右，不但具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)發(fā)電機(jī)的沖擊電流也大大減小，安全性得以提高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明現(xiàn)有技術(shù)的電原理圖。

圖2是本發(fā)明的電原理圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例一的電路圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的電路圖。

圖5～圖8是實(shí)施例二中兩組電容器輪流充放電的電路圖。

具體實(shí)施方式

如圖2所示，本發(fā)明組合式的大容量斷路系統(tǒng)由主回路上的主斷路器DL₁和短接斷路器DL₂、限流變壓器BK、二次側(cè)開斷組件4(二次側(cè)斷路器DL₃或電力電子開斷組件)和繼電保護(hù)控制單元BH組成，其中：發(fā)電機(jī)電源側(cè)出口與主斷路器DL₁連接，短接斷路器DL₂與主斷路器DL₁串聯(lián)連接，短接斷路器DL₂的兩端并聯(lián)限流變壓器BK一次側(cè)繞組N₁的兩端，限流變壓器BK二次側(cè)繞組N₂的兩端與二次側(cè)開斷組件4并聯(lián)連接。所述變電所或發(fā)電廠原有安裝的繼電保護(hù)控制單元BH用于自動(dòng)控制各斷路器的跳閘及合閘動(dòng)作。

所述限流變壓器BK一般采用三相雙繞組變壓器，包括一次側(cè)繞組N₁、二次側(cè)繞組N₂、回型硅鋼片1、絕緣層2和有載分接開關(guān)3，其中，回型硅鋼片為帶氣隙δ的鐵芯體，以增加其安全性。

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主斷路器DL₁、短接斷路器DL₂和二次側(cè)斷路器DL₃(或電力電子開斷組件)分別處于合閘位置，由于限流變壓器BK的一次側(cè)繞組N₁處于短接斷路器DL₂的短接狀態(tài)之中，因此一次側(cè)繞組N₁不會(huì)呈現(xiàn)電壓。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，如D點(diǎn)故障時(shí)，由繼電保護(hù)控制單元BH(預(yù)先設(shè)計(jì)的程序)指示短接斷路器DL₂先跳閘，在本設(shè)計(jì)中短接斷路器DL₂為一種快速斷路器，對(duì)其操作機(jī)構(gòu)進(jìn)行定制改進(jìn)，要求分?jǐn)鄷r(shí)間在5ms以內(nèi)快速分?jǐn)?常規(guī)型斷路器分?jǐn)鄷r(shí)間為15～25ms)，而當(dāng)短接斷路器DL₂分?jǐn)嗪?，短路電流即流向限流變壓器BK的一次側(cè)繞組N₁線圈，短路電流I₁在N₁繞組的線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)U₁，此時(shí)變壓器呈現(xiàn)的電抗值X_L＝U₁/I₁，設(shè)計(jì)中取電抗值X_L為0.5～1Ω，此時(shí)流過(guò)限流變壓器所產(chǎn)生的功率值P＝U₁·I₁，在短接斷路器DL₂分?jǐn)嘁院?，又?dāng)二次側(cè)斷路器DL₃受到繼電保護(hù)信號(hào)而將限流變壓器BK二次側(cè)繞組N₂的回路開斷后，會(huì)使得一次側(cè)繞組N₁上電壓U₁迅速增加，在限流變壓器BK上消耗的功率P＝U₁·I₁，如當(dāng)U₁的增量為2.2倍時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)瞬變能量守恒原則，此時(shí)短路電流I_D將會(huì)減少2.2倍，如果設(shè)計(jì)中二次側(cè)斷路器DL₃的分?jǐn)鄷r(shí)間亦為3～5ms，則本系統(tǒng)裝置可以在10ms內(nèi)可將初始的短路電流限制到初始值時(shí)的一半以上，或者是原來(lái)的三分之一，只要通過(guò)設(shè)計(jì)限流變壓器BK初級(jí)繞組N₁的匝數(shù)就能調(diào)節(jié)限制短路電流的量值。

在本裝置設(shè)計(jì)之中，對(duì)于短接斷路器DL₂在選用普通型斷路器如通用35kV真空斷路器(ZN-35/1500型斷路器)時(shí)，因其分閘時(shí)間通常為25～35ms，而由于本裝置的特殊性，要求分閘時(shí)間縮短至5ms內(nèi)，因此，本發(fā)明需要用快速電磁鐵在原斷路器的操作機(jī)構(gòu)中進(jìn)行改造(可以按要求定制)，例如使用電磁力在100～300kg的快速推拉電磁鐵連接入ZN-35型的分閘操作桿，選用電磁鐵型號(hào)為L(zhǎng)X3-1000D，生產(chǎn)廠家為蘇州力迅磁電科技有限公司，經(jīng)這樣分閘操動(dòng)機(jī)構(gòu)改造后，可將短接斷路器DL₂的分閘時(shí)間縮短至5ms內(nèi)。

下面通過(guò)二個(gè)具體實(shí)施例作進(jìn)一步介紹如下：

實(shí)施例一、

眾所周知，發(fā)生短路故障時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)短路電流進(jìn)行有效的限制，必須瞬時(shí)串聯(lián)接入一個(gè)有一定值數(shù)的電阻器或者電抗器DK(圖1所示)，如寧夏電力科學(xué)研究院的方案(專利號(hào)為201310007631.1)，以及浙江大學(xué)邱家駒、王虹富“利用串聯(lián)制動(dòng)電阻提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越能力”的方案。通常在500kV系統(tǒng)中的限流器裝置要求串聯(lián)的阻抗值要求不小于8～10Ω，才能將短路電流I_D由70kA下降至500kV/10Ω＝50kA以下的水平。但是，由于斷路器DL與電抗器DK是并聯(lián)情況下開關(guān)進(jìn)行開斷，并聯(lián)電抗器中阻值的大小，直接影響斷路器DL的分?jǐn)嗄芰Γ?dāng)DK阻值過(guò)大時(shí)，就會(huì)造成斷路器分閘開斷失敗，如電抗器阻值Xc若為7Ω時(shí)，瞬間在斷路器斷口形成的電壓值為U₁＝70kA╳7Ω＝490kV，而這個(gè)電壓值再乘以短路電流，遮斷容量S＝I_D·U₁，說(shuō)明該斷口所產(chǎn)生的功率值可能已經(jīng)超過(guò)斷路器的遮斷容量S，就會(huì)使得斷路器無(wú)法分?jǐn)喽搪冯娏鞫l(fā)生爆炸或者燒毀開關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)中并聯(lián)電抗器的阻抗值Xc是越小越好。

如圖3所示，本例主斷路器DL₁和短接斷路器DL₂均選用六氟化硫交流斷路器。二次側(cè)開斷組件4采用二次側(cè)斷路器DL₃，也是六氟化硫交流斷路器，要求設(shè)計(jì)限流變壓器BK的初始電抗值0.5Ω(一般在0.5～1Ω之間)，即當(dāng)二次側(cè)斷路器DL₃閉合時(shí)，一次側(cè)繞組N上U₁電壓很低，則由限流變壓器BK呈現(xiàn)的電抗X_BK＝U₁/I_D很小。這樣短接斷路器DL₂在分?jǐn)嗨查g產(chǎn)生的斷口電壓值為：若短路電流為70kA，根據(jù)歐姆定律U＝I·R，U＝70kA╳0.5Ω＝35kV，功率S＝70kA╳35kV＝2450kVA，這個(gè)值要比原有方式的開斷容量S＝70kA╳500kV＝35000MVA減小了500/35＝14倍；而當(dāng)二次側(cè)斷路器DL₃斷開后，限流變壓器BK的電抗值又發(fā)生了一個(gè)大的增量變化，這相當(dāng)于主回路上串聯(lián)接入了一個(gè)高阻抗的電抗器，它可將短路電流由70kA降至50kA以下，這時(shí)再由主斷路器DL₁對(duì)主回路進(jìn)行開斷，此時(shí)，由于短路電流已經(jīng)在普通斷路器的安全開斷范圍以內(nèi)，主斷路器DL₁進(jìn)行分閘操作就十分安全了。本方案大大減少了對(duì)短接斷路器DL₂和主斷路器DL₁的開斷容量要求，而普通型斷路器的造價(jià)低廉，從而大幅減少了對(duì)系統(tǒng)裝置的成本，而且由于快速串入電抗器，減少了短路電流對(duì)發(fā)電機(jī)的沖擊，大大提高了電氣設(shè)備在故障狀況下的安全性。

實(shí)施例二、

如圖4、圖5～8所示，本例應(yīng)用于發(fā)電機(jī)斷路器系統(tǒng)，系統(tǒng)中主斷路器DL₁為真空斷路器，短接斷路器DL₂為六氟化硫交流斷路器，二次側(cè)開斷組件4由整流橋堆DZ(高壓整流二極管)、電容器C₁和電容器C₂、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁～DK₄及放電電磁鐵DCT組成，其中電容器C₁和電容器C₂并聯(lián)后再與整流橋堆DZ的兩個(gè)直流輸出端并聯(lián)，放電電磁鐵DCT并聯(lián)在兩個(gè)電容器的中間，并且電容器C₁、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁和放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₂與電容器C₂、放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₃和放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₄對(duì)稱布置。

正常情況下，短接斷路器DL₂處于合閘狀態(tài)，限流變壓器BK一次側(cè)繞組N₁處于短接狀態(tài)，電流從DL₂流過(guò)，變壓器N₁繞組上電壓為零，系統(tǒng)中沒有損耗，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，由電流互感器CT監(jiān)測(cè)到并上傳至繼電保護(hù)控制單元BH，當(dāng)該控制單元判斷該電流大于預(yù)設(shè)值后，該控制單元向短接斷路器DL₂發(fā)出斷開命令，DL₂在5ms內(nèi)即刻斷開，即將變壓器的一次側(cè)繞組N₁作為電抗器投入限流運(yùn)行中，此時(shí)，可將該短路電流限制到目標(biāo)值的30％。與此同時(shí)，限流變壓器BK的二次側(cè)繞組N₂向整流橋堆供電，交流電經(jīng)整流橋堆DZ將交流的短路電流整流成直流整流后，隨即向電容器C₁充電，設(shè)計(jì)充電時(shí)間為1.5～3ms，當(dāng)電容器C₁充滿電后，回路中的電流變成0，此時(shí)，變壓器的二次側(cè)繞組N₂中因?yàn)槌潆婋娏鹘刂?，即相?dāng)于二次側(cè)繞組N₂的回路斷流開路，這時(shí)立刻會(huì)引起變壓器一次側(cè)繞組N₁的電壓U₁急劇上升，由歐姆定律I＝U/R,即變壓器主回路上的阻抗大大增加，從而形成在5～6ms內(nèi)瞬間相當(dāng)于再次串聯(lián)接入一個(gè)大電抗值的等效電抗器而產(chǎn)生限流作用，實(shí)現(xiàn)了主斷路器DL₁在額定電流的范圍內(nèi)安全開斷的目的。

當(dāng)具有重合閘要求時(shí)，可通過(guò)電容器C₁和電容器C₂的互換操作來(lái)實(shí)現(xiàn)充放電過(guò)程，具體描述如下：

如圖5，正常運(yùn)行時(shí)，放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁閉合，放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₂、DK₃、DK₄斷開，由于變壓器的一次側(cè)繞組N₁被短接斷路器DL₂所短接，因此U₁＝0，U_AH＝0。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，短接斷路器DL₂開斷，U₁產(chǎn)生電壓，且U₂＞＞U₁，經(jīng)過(guò)橋堆DZ后轉(zhuǎn)為直流電壓U_AH，此時(shí)，

1、經(jīng)整流后的短路電流由橋堆DZ的A點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)A→B→D→H，而形成回路的方式向即經(jīng)由放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁向電容器組C₁充電，當(dāng)電容器C₁充滿電后，繼電保護(hù)控制單元BH即將DK₁斷開，隨即DK₂合閘(如圖6)，接通放電電磁鐵DCT，對(duì)電容器C₁進(jìn)行放電；與此同時(shí)，繼電保護(hù)控制單元BH又合上放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₃，將備用的電容器C₂投入運(yùn)行，電容器C₁放電結(jié)束后開關(guān)DK₂又自動(dòng)斷開。

2、當(dāng)遇有第二次短路事故時(shí)，短路電流流經(jīng)橋堆DZ整流后的直流電流由A→B→E→H而形成回路的方式(如圖7所示)，短路電流由放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₃流向電容器C₂充電，當(dāng)C₂充滿電后，放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₃又自動(dòng)斷開，同時(shí)，放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁、DK₄自動(dòng)合閘，放電電磁鐵DCT短接于電容器C₂的兩端，使電容器C₂放電，放電結(jié)束后，DK₄又自動(dòng)斷開，各元件狀態(tài)又回到初始狀態(tài)(如圖8所示)。

上述各步驟均由繼電保護(hù)控制單元BH的計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)控制，在執(zhí)行命令中，總有一組電容器(C₁或C₂)始終連接于橋堆DZ的輸出端A、H，以保證整流橋堆DZ輸出充電回路暢通。本例具有速度快、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明涉及的元器件型號(hào)及生產(chǎn)廠家優(yōu)選如下：

1、對(duì)于對(duì)500kV電網(wǎng)而言(如實(shí)施例一)，主斷路器DL₁、短接斷路器DL₂和二次側(cè)斷路器DL₃適合選用六氟化硫交流斷路器，型號(hào)為L(zhǎng)W-12-500/3000A，西安高壓開關(guān)廠生產(chǎn)。

限流變壓器BK的二次側(cè)應(yīng)滿足長(zhǎng)時(shí)間短路狀態(tài)運(yùn)行，應(yīng)用500kV電網(wǎng)時(shí)，變壓器選用沈陽(yáng)變壓器廠，型號(hào)SFLG-300000/500的產(chǎn)品。

2、對(duì)于出口電壓為27kV的發(fā)電機(jī)而言(如實(shí)施例二)，高壓整流橋堆DZ型號(hào)為QL-150kV/5A，鞍山同興電子有限公司生產(chǎn)。采用200多只并聯(lián)方式，以滿足短路電流相匹配的要求。

電容器C₁、C₂選用西安電容器廠生產(chǎn)的型號(hào)為TBB66kV/32064/334的高壓電容器組。

放電轉(zhuǎn)換開關(guān)DK₁～DK₄選用西安高壓開關(guān)廠生產(chǎn)的110kV六氟化硫(SF₆)交流斷路器，型號(hào)為L(zhǎng)W6-110I/600A。

放電電磁鐵DCT，選用寧波力驅(qū)自動(dòng)化科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)LEM-100A吸能型電磁鐵。

當(dāng)應(yīng)用27kV發(fā)電機(jī)斷路器案例時(shí)，限流變壓器BK，選用浙江三門變壓器廠制造的高阻抗變壓器，型號(hào)為SFP-200000/110。

主斷路器DL₁、短接斷路器DL₂選用西安電器設(shè)備廠生產(chǎn)的35kV真空斷路器，型號(hào)為ZN-35kV/15000A。