YD-ZLB深度限流裝置

功能原理介紹

YD-ZLB系列深度限流裝置(以下簡稱YD-ZLB裝置)是由“換流器”與“限流電抗器"并聯(lián)而成的開關(guān)設(shè)備，再經(jīng)由K1、K2點(diǎn)串接在供電線路中。

其中“換流器”是以安徽一電公司制造的VFC系列"渦流驅(qū)動”快速斷路器為主要元件的并整合了短路電流快速判斷的測控裝置的組合電器；“限流電抗器”正常運(yùn)行時(shí)被換流器旁路處于退出狀態(tài)，損耗為零，僅在短路故障時(shí)才投入，故障解除后再自動退出。

控制系統(tǒng)簡介

YD-ZLB控制系統(tǒng)包括中繼控制器和三個(gè)分相控制器，其中中繼控制器裝在現(xiàn)場操作柜中，分相控制器分別內(nèi)置在各相換流器內(nèi)。

分相控制器獨(dú)立控制各相換流器單元，中繼控制器通過光纖與各分相控制器聯(lián)絡(luò)，顯示各相換流器狀態(tài)信息并可維護(hù)定值，還提供數(shù)據(jù)接口和信號節(jié)點(diǎn)與中控室計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)通信。

■工作邏輯

1、 正常運(yùn)行期間

VFC處于合閘位，換流器承載線路工作電流，YD-ZLB呈零阻抗?fàn)顟B(tài)，表現(xiàn)為，無壓降，同時(shí)不會產(chǎn)生磁場污染；

2、 線路發(fā)生短路故障時(shí)

當(dāng)且僅當(dāng)分相控制器通過羅克CT信號檢出了超過YD-ZLB啟動定值的超標(biāo)短路電流時(shí)，命令VFC及時(shí)分閘，ZLB裝置可在20ms內(nèi)投入限流電抗器而呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài)，將短路電流限制在預(yù)期值以內(nèi)，確保常規(guī)斷路器可靠開斷短路故障。

3、 短路故障排除情況

(a)若分相控制器通過返回CT檢出的電流小于返回定值時(shí)，說明短路故障已排除，命令VFC及時(shí)合閘，YD-ZLB裝置可在20ms內(nèi)旁路限流電抗器而呈零阻抗?fàn)顟B(tài)，系統(tǒng)即可恢復(fù)正常運(yùn)行；

(b)若分相控制器通過返回CT檢出的電流達(dá)不到返回定值時(shí)，說明系統(tǒng)沒有排除短路故障，也即VFC—直處于分閘狀態(tài)，達(dá)到2s時(shí)間，為自我保護(hù)，命令VFC合閘，此功能也作為YD-ZLB誤分之后的自愈保護(hù)。

核心元件一VFC“渦流驅(qū)動”快速斷路器

1、總則

VFC系列“渦流驅(qū)動”快速斷路器是安徽一電電力公司制造的一種電容器儲能、渦流盤驅(qū)動、永磁保持、直動式的快速永磁真空斷路器，機(jī)械分閘時(shí)間小于5ms、******開斷電流不小于80kAC0100次；已于2011年通過了西高所“型式試驗(yàn)”和“大電流開斷性能試驗(yàn)”O

“速度快”和“開斷能力強(qiáng)”，是開關(guān)型限流器所用斷路器必須具備的兩個(gè)重要指標(biāo)！

2、“渦流驅(qū)動”機(jī)構(gòu)

如下圖，為VFC開關(guān)“渦流驅(qū)動”機(jī)構(gòu)和電路原理示意圖。

3、標(biāo)準(zhǔn)

VFC快速斷路器符合GB1984-2003、JB/T3855-2008以及其他相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。該快速斷路器通過了以下各種試驗(yàn)，可保證在正常安裝條件下安全可靠地工作。

型式試驗(yàn)：溫升、機(jī)械特性和操作（1萬次）、工頻耐壓、雷電沖擊耐壓、震蕩波抗擾度、電快速瞬變脈動群抗擾度、沖擊電壓、開斷關(guān)合能力試驗(yàn)前后機(jī)械特性、短時(shí)耐受電流和峰值耐受電流、出線端短路開斷試驗(yàn)、異相接地故障開斷能力試驗(yàn)。

性能試驗(yàn)：VFC-12/1600-40的型式試驗(yàn)試品完成40kAC0100次后，未經(jīng)檢修，繼續(xù)進(jìn)行80kA電燒損及開斷CO20次的開斷能力試驗(yàn)、VFC-12/5000-80試品80kA下C0100次開斷能力試驗(yàn)。

出廠試驗(yàn)：主回路工頻耐壓試驗(yàn)、輔助和控制回路絕緣性能、主回路電阻測量、1：1模擬現(xiàn)場******短路電流開斷試驗(yàn)。

指標(biāo)特點(diǎn)及行業(yè)同類對比

VFC快速斷路器采用了“渦流驅(qū)動”的直動式機(jī)構(gòu)，性能指標(biāo)明顯優(yōu)于其他類型的真空斷路器，見下表。

其他重要元件

1、換流器部分

換流器部分主要由VFC快速斷路器和響應(yīng)的測控元件組成，測控元件包括：羅克CT、分相控制器和薄膜電容器等。

a、羅克CT

羅克CT,學(xué)名Rogowski線圈（洛氏線圈）,是一個(gè)均勻纏繞在非鐵磁性材料上的環(huán)形線圈，輸出的是電流對時(shí)間徹分的電壓信號，通過積分，就可以真實(shí)還原輸入電流，通常安裝在滅孤室的動觸頭側(cè)，有以下特點(diǎn)：

由于羅克CT不含鐵磁性材料，無磁滯效應(yīng)，相位誤差幾乎為零，也無磁飽和象，因而可測量大電流而不需要過大的體積；與帶鐵芯的傳統(tǒng)互感器相比，羅克CT具有測量范圍寬，精度高，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，用在ZLB裝置上，可精確測量較大的短路電流。

羅克CT輸出變比由外部電路和算法決定，因此羅克CT無需單獨(dú)校準(zhǔn)，而是與控制器聯(lián)合校準(zhǔn)。

b、分相控制器

分相控制器根據(jù)羅克CT的信號，通過特殊算法，對短路電流信號處理，可在2ms左右計(jì)算出短路電流的周期分量、非周期分量、短路初始角，并結(jié)合斷路器的機(jī)械固有分閘時(shí)間做出適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，控制斷路器在短路電流過零時(shí)刻前分閘，實(shí)現(xiàn)大容量換流功能。

C、儲能電容器

VFC系列“渦流驅(qū)動”快速斷路器采用薄膜電容器儲能，作為斷路器的驅(qū)動能源，即使外部供電中斷20分鐘以上，斷路器也可完成一次O-C循環(huán)操作，規(guī)避了電源的穩(wěn)定性對斷路器動作的影響，同時(shí)，薄膜電容的自愈功能及溫度不敏感性都提高了VFC斷路器操作能源的可靠性。

2、現(xiàn)場操控柜

現(xiàn)場操控柜為安置于ZLB裝置現(xiàn)場護(hù)欄外的就地操控箱柜，集成以下功能：提供換流器的工作電源、換流器的就地操控、換流器狀態(tài)量顯示、定值整定、與中控室后臺的通信及大電流換流器的風(fēng)冷系統(tǒng)等，起到對ZLB裝置就地操控維護(hù)及遠(yuǎn)程通信數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用。

“零前分閘”技術(shù)提升快速斷路器的開斷容量

短路故障時(shí)，真空開關(guān)分閘，在電流過零前，電流以電孤形式維持。電流是否能被開斷需要以下兩個(gè)條件同時(shí)滿足：******、電流過零；第二、電流過零時(shí)刻，滅弧室絕緣水平恢復(fù)到電弧熄滅時(shí)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）以上。其中滅弧室恢復(fù)的絕緣水平與以下因素有關(guān)：觸頭電流過零時(shí)刻的開距大??；滅孤室在電流過零前的燃燒眞。瞬態(tài)恢復(fù)電壓與系統(tǒng)參數(shù)和弧隙阻抗有關(guān)。

因此，要提高開斷容量，必須控制電流過零前階段的觸頭剛分時(shí)刻、剛分速度以及電流過零時(shí)刻的恢復(fù)電壓。

1、降低觸頭瞬態(tài)恢復(fù)電壓

瞬態(tài)恢復(fù)電壓是大電流過零時(shí)觸頭孤隙間的振蕩電壓，存在時(shí)間僅幾十微秒至毫秒，與工頻恢復(fù)電壓大小與頻率、電路的阻尼值（如電感、電容和電阻的數(shù)值）以及它們的分布情況有關(guān)。

當(dāng)斷路器弧隙阻抗為無窮大時(shí)TRV******，也即系統(tǒng)固有TRV；當(dāng)孤隙阻抗減小時(shí)，TRV也相應(yīng)減小，因此，制造斷路器時(shí)，人為減少斷路器的弧隙阻抗，可在斷路器開斷時(shí)，降低弧隙的TRV。

2,提高電流過零時(shí)刻滅弧室絕緣恢復(fù)水平

a） 減小滅弧室燃燒貿(mào)

減小真空滅弧室燃焼量可避免集聚形電弧的形成，有利于電流過零時(shí)絕緣水平的快速恢復(fù)，提高開斷成功率。

b） 提高觸頭剛分速度，加大電流過零時(shí)刻的觸頭開距

真空滅弧室的絕緣水平即觸頭間的絕緣水平，在觸頭開距小于10mm時(shí),絕緣水平與觸頭開距呈正比。

在高真空度環(huán)境下，******平整兩極之間，擊穿電壓達(dá)107V/mm數(shù)量級，在真空度、觸頭材料、觸頭表面形狀、老練等諸多因素的影響下，觸頭的絕緣水平較理想值有所降低，一切只能依靠實(shí)驗(yàn)。

因此，提高觸頭的剛分速度，并且精確控制零前剛分時(shí)刻，可以保證電流過零時(shí)的觸頭開距，剛分速度越高，越有利于絕緣水平的恢復(fù)。

c） 出廠大電流老練流程

滅弧室老練，即通過電弧的灼燒，將出廠時(shí)滅孤室觸頭上的晶須燒平，提高觸頭的平整度，以便在實(shí)際應(yīng)用中就已經(jīng)具備優(yōu)良的觸頭場強(qiáng)均勻度，保障對開斷成功率。

因此，YD-ZLB用VFC快速斷路器，每臺在出廠前都進(jìn)行1:1模擬現(xiàn)場故障電流開斷試驗(yàn)，一方面有驗(yàn)證設(shè)備指標(biāo)的目的，另外就有老練的目的。

典型案例說明

■短路電流超標(biāo)現(xiàn)象

如右圖，當(dāng)d點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，流過斷路器K的短路電流Id為變壓器T提供的短路電流宙、發(fā)電機(jī)G提供的短路電流IdG、電機(jī)群提供的反饋電流If之和，即所有電源提供的短路電流和電動機(jī)的反饋電流總和，一旦該值超過斷路器K的額定開斷電流時(shí)，稱為短路電流超標(biāo)。

■典型治理方案一串聯(lián)限流電抗器

電力系統(tǒng)針對短路電流超標(biāo)的典型治理方案是：在電源的線路上串聯(lián)限流電抗器來限制短路電流，如右圖中變壓器線路中的XkT和發(fā)電機(jī)線路中的XkG,二者可分別或同時(shí)使用，一旦發(fā)生短路故障，可將超標(biāo)的短路電流限制到斷路器K的遮斷電流以內(nèi)。

因此，此種用法的限流電抗器應(yīng)能長時(shí)通流，而且電抗率不宜過大。

■串聯(lián)限流電抗器的損耗問題

長時(shí)通流電抗器，流過工作電流，不僅產(chǎn)生有功損耗，其無功功率也侵占了電源系統(tǒng)視在功率中的有功部分，降低了電能的利用效率，并且其無功電流在電網(wǎng)上傳輸也會產(chǎn)生線路損耗，依據(jù)國標(biāo)GB12497,一臺10kV-2.5kA/12%的電抗，按照70%的負(fù)荷率，年8000小時(shí)的綜合損耗計(jì)算見下表。

“爆炸橋”方案的尷尬要求“快速斷路器”

1、旁路法節(jié)能原理

電抗的損耗相當(dāng)可觀，于是，出現(xiàn)了爆炸橋并聯(lián)限流電抗器的節(jié)能方案（見右圖），通過爆炸橋的旁路效果，可消除電抗器長期運(yùn)行期間的損耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。該方案的節(jié)能概念很快就被廣大用戶所接受。

2、爆炸橋原理

見右圖，爆炸橋是一種內(nèi)置的金屬載流橋體與限流媲斷器并聯(lián)的組合電器。

其工作邏輯是，由橋體承載工作電流，當(dāng)d點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，橋體迅速炸斷，將短路電流換入與之并聯(lián)的媲斷器中，然后由爛斷器完成短路電流向與之并聯(lián)的限流電抗器中的轉(zhuǎn)換，究其本質(zhì)來說，爆炸橋是一種額定電流比較大的特種搟斷器。

3、“節(jié)能并不省錢"的尷尬效果

實(shí)際使用證明，爆炸橋的旁路作用可以有效節(jié)能！消除了電抗器的無功電流在線路上的損耗，同時(shí)解放了電源的有功輸出能力，提高了電能利用效率。

后來發(fā)現(xiàn)，爆炸橋一旦動作后，則必須盡快更換配件，否則電抗器又得繼續(xù)耗能，而更換配件還需要支付昂貴的費(fèi)用，節(jié)能省的錢還得花出去，如果多出現(xiàn)幾次短路故障，反而要倒賠，出現(xiàn)了節(jié)能但并不省錢的尷尬現(xiàn)象。

4、“節(jié)能并省錢”要求“可反復(fù)使用”的旁路設(shè)備

爆炸橋這種“一次性”的使用特點(diǎn)并不符合用戶省錢的需求，但節(jié)能又勢在必行，因此，需要一種與爆炸橋相當(dāng)?shù)目煞磸?fù)使用的電抗器旁路設(shè)備來替代爆炸橋。

既然是可反復(fù)使用的，又得起到旁路作用的，從特征上來看，這種設(shè)備只能是斷路器。首先，這種斷路器必須分閘快，快到能在常規(guī)斷路器滅孤室觸頭出現(xiàn)剛分之前就能完成電流轉(zhuǎn)換；其次，要開斷能力強(qiáng)，強(qiáng)到可以開斷沒有被電抗器限制的超標(biāo)的短路電流。

5、“快速斷路器”的兩個(gè)重要指標(biāo)

快速斷路器除了應(yīng)滿足常規(guī)斷路器的所有要求外，還應(yīng)具備以下重要指標(biāo):

a） 開斷時(shí)間：＜20ms（判斷時(shí)間、固有分閘時(shí)間和燃弧時(shí)間）

b） 額定短路電流開斷能力：40-1OOkA

五、 使用維護(hù)

1、 設(shè)備安裝前，須完成必要的基礎(chǔ)建設(shè)和線纜敷設(shè)；

2、 開箱檢驗(yàn)，無損壞，方可就位安裝；

3、 須按照《調(diào)試大綱》進(jìn)行必要的投運(yùn)前試驗(yàn)，并提交《調(diào)試報(bào)告》；

4、 合格后方可投運(yùn)，并提交《投運(yùn)報(bào)告》；

5、 正常運(yùn)行過程中，按照《檢修維護(hù)規(guī)程》進(jìn)行維護(hù)。

六、 訂貨須知

1、 訂貨前，應(yīng)明確“限前短路電流”及“限后短路電流”，需提供“短路電流計(jì)算書”或必要的系統(tǒng)參數(shù)（一次系統(tǒng)單線圖、額定電壓、額定電流、短路阻抗、線路阻抗、系統(tǒng)短路容量等）；

2、 明確設(shè)備安裝場及空間位置；

3、 裝置及備品的型號、規(guī)格和數(shù)量；

4、 有無重合閘配合要求以及重合閘時(shí)間間隔；

5、 裝置使用在特殊環(huán)境條件下，應(yīng)在訂貨時(shí)詳細(xì)說明；

6、 其他特殊要求。

七、 包裝、運(yùn)輸、儲存

1、 一般采用木箱包裝，裝置固定在包裝箱的底座上。

2、 不得在三級以下公路上長距離運(yùn)輸，必要時(shí)，可分解包裝。

3、 長期不用時(shí)，應(yīng)存儲在干燥、通風(fēng)的倉庫內(nèi)，不宜長期在戶外儲存。

4、 運(yùn)輸過程中裝置應(yīng)避免碰撞、受潮及暴曬。

八、 質(zhì)量保證與售后服務(wù)

1、 質(zhì)保期為交貨后18個(gè)月或投運(yùn)后12個(gè)月，以先到為準(zhǔn)，質(zhì)保期內(nèi)免費(fèi)維護(hù)，質(zhì)保期外有償服務(wù)，終身保修。

2、 我方派專業(yè)人員配合用戶在進(jìn)行投運(yùn)前現(xiàn)場試驗(yàn)。

3、 質(zhì)保期內(nèi)發(fā)生質(zhì)量問題，除免費(fèi)維修外，維修部件質(zhì)保期按修復(fù)后重新計(jì)算。

九、 YD-ZLB裝置使用相關(guān)問題與解答

■YD-ZLB是否對原系統(tǒng)繼電保護(hù)定值產(chǎn)生影響？

不會產(chǎn)生影響。YD-ZLB裝置的作用是，當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)了超標(biāo)的短路電流時(shí)才會動作，而且一般將超標(biāo)的短路限流限制到普通短路器的遮斷電流的0.8倍，保障故障線路斷路器的可靠開斷，因此，即使YD-ZLB投入后，短路電流也足夠大，不會影響到原系統(tǒng)繼電保護(hù)定值的靈敏度。

■YD-ZLB換流器動作后會不會造成不平衡？

YD-ZLB當(dāng)且僅當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)才動作，尤其是兩相短路故障時(shí)已經(jīng)造成了不平衡工況，因此，此時(shí)已經(jīng)不考慮平衡問題，而是需要盡快結(jié)束這種故障現(xiàn)象，限流裝置的投入不制了故障電流，而且有利于斷路器切除故障，只有好處，沒有壞處。

■YD-ZLB能否配合線路重合閘？

若重合閘期間，YD-ZLB無電流流過，只要調(diào)整返回策略為延時(shí)返回即可；若有電流流過，則必須增加分合閘電源的數(shù)星:，以便配合重合閘的時(shí)間間隔。

尤其是電網(wǎng)用戶，一般有重合閘需求，因此，在訂貨時(shí)，需要聲明有無重合閘配合要求，且重合閘時(shí)間是多少。