KWQC无损耗限流装置
一、概述
电力系统发生短路故障时，短路电流一般为额定电流的十几倍，这给变压器、发电机、断路器、输电线路等电气设备造成很大危害，而目前较为经济实用的真空断路器的开断能力均在40KA以下，开断时间需要几十毫秒。随着各类型用电企业的发展壮大，用电负荷大举攀升，主变压器容量也相应增大，各企业电网系统面临短路电流已经接近和达到负载真空断路器的最大使用极限，负载侧真空断路器开断容量不足、变压器抗短路电流冲击能力设计不足等问题，严重威胁着企业安全运行。
面临越来越严重的短路电流超标问题，很多企业采用高阻抗变压器限制系统短路电流，但变压器加大阻抗没有最终解决限流深度问题，电动力减少甚微，还带来了有功无功损耗、投资成本上升。
采用普通串联限流电抗器也没有从根本上解决限流深度问题（电抗率均在百分之十几左右），同时带来了有功无功损耗、母线压降、漏磁场等弊病，系统发生短路时由于限流深度不够，不能有效的保护发电机、变压器等主要电气设备，在巨大的短路电流冲击下产生绕组变形而损坏，灾难性事故发生。
目前市场上使用的爆炸型大容量高速开断装置和电抗器并联运行，虽然解决了电抗器有功无功损耗、电压降、漏磁场问题，但是当发生短路故障后其一次元器件动作，电抗器投入工作并没有解决限流深度问题。该类型装置需要更换新的备件，方可重新投入运行。企业运行费用不仅增加，并且增加了安装柜体的空间及电抗器装置之间的母线连接，人为的设置了故障隐患点。
因而开发一种能快速、可靠的深度限制短路电流的电抗器，这不仅对电力系统安全、可靠的运行显得十分重要，而且对降低电气设备使用厂家的设备成本也有着十分重要的意义。
优质限流电抗器必须具备：
系统无短路故障发生时，电抗器阻抗最小-----无损耗；
系统发生短路故障时，电抗器阻抗很大------深度限流；
系统短路故障切除后，立即返回原工作状态。
无损耗限流装置（KWQC）是本公司为了满足电力系统对短路保护的需求而开发的一种新型短路限流保护装置，它可在短路电流的初始阶段，快速投入深度限流电抗器即将短路电流限制在可靠的范围内，从而达到了保护发配电设备及供电线路的目的。
图一：短路时，单相等效电路图（虚线框内为无损耗限流装置）
系统电压为：U
系统原有阻抗为：X1,
深度限流装置的阻抗为X（见图一）
串入深度限流装置后系统的总阻抗为X2（X2=X1+X）
未串入深度限流装置预期短路电流值为I1=U/X1，
串入深度限流装置预期短路电流值为I2=U/X2，
限流比：K1=I2/I1=X1/X2 即X1/（X1+X）
限流深度：K=1-K1=X/(X1+X)
例如：系统原有阻抗为12%，深度限流装置阻抗为36%，
限流比：K1=I2/I1= 8/（24+8）=0.25.
限流深度：K=1-K1=0.75
即：串入深度限流装置可将系统预期短路电流降至原有值的25%,限流深度为75%。
例如限流深度(K)为50%，那么限流比(K1)为50%， X=X1，系统短路电流降至原有值的一半。深度限流使变压器短路电流冲击大大降低，变压器得到很好保护。同时负载侧真空断路器开断容量也相应大大降低。
二、无损耗限流装置（KWQC）的工作原理
1.简介
如图二所示，KWQC系列无损耗限流装置，是由“换流器”与“限流电抗器”并联而成的智能型限流设备，再经由K1、K2点串接在供电线路中。
其中“换流器”是以VQC系列“电磁斥力”快速断路器为主要元件，并整合了短路电流快速判断的测控装置，两者组合电器；
“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。
图二：装置工作原理图
2.核心元件
如图三所示，VQC快速断路器由上出线座、真空灭弧室、下出线座、绝缘拉杆、合闸保持永磁铁、分闸保持永磁铁、分闸线圈、合闸线圈、衔铁及电磁斥力盘组成，通过合、分闸线圈的带电产生磁力，作用在电磁斥力盘上，经绝缘拉杆带动真空灭弧室内动触头动作，实现断路器的分合。
图三：VQC快速断路器电磁斥力驱动机构（合闸位置）
3.工作原理
本装置通过罗氏线圈，监视系统电流，当短路电流大于设定的幅值，高速DCP通过专用算法，快速精确的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。
快速断路器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。同时测控单元向后台发出动作指示信号。
本装置在7～15毫秒内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，同时提高了短路点负载真空断路器使用寿命，保证了系统的安全运行。
短路故障切除后，测控单元自动检测母线电压回升并发出合作命令，快速断路器合闸，深度限流电抗器退出，系统即可恢复正常运行。
三、无损耗限流装置（KWQC）的特点
1.动作速度快
一般微机保护采样需一个周波20毫秒；快速FFT计算及发出命令需30毫秒；普通断路器固有分闸时间需50毫秒以上；开断后的燃弧时间时达十几毫秒左右，电流才能通过零熄弧。故其需要100毫秒左右方能切断短路电流。长时间的短路电流对变压器、母线、开关和发电机等设备的动、热稳定有着极高的要求。
本装置中使用的VQC系列“电磁斥力”快速断路器能实现5毫秒以内分闸，10毫秒合闸。短路保护装置的开断时间由四部分组成：监控单元采样、计算、发出命令时间；专用断路器固有分闸时间；燃弧时间；短路电流换流进入深限流电抗器时间。测控单元根据CT信号，通过特殊算法，对短路电流信号处理，可在2毫秒内快速计算出短路电流的周期分量、非周期分量、短路初始角及电流过零点的精确时刻，并在过零点之前发出动作信号，驱动开关在过零点之前切断电路，确保燃弧时间最短，在7～15毫秒内将短路电流换入深限流电抗器中，实现大容量换流功能。
2.开断能力强
要想提高开断容量，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，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。
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成正比。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。
本装置中的开关为三相独立动作，利用对触头刚分时间的合理控制，确保各相动作均为临界过零开断，使燃弧时间最小。大大增加了灭弧室的开断余量，短路开断能力可轻松达到80KA。
3.限流电抗器限流效果好
本装置中深度限流电抗器由于正常运行时，无电流通过。从而无能损耗，无压降，同时也不会产生漏磁场。只有在短路发生时投入工作，电抗值可根据系统需要，将短路电流限制在预期短路电流值的50%以下，从而在发生短路的过程中将短路电流大大降低，变压器免受巨大的短路电流冲击，系统内断路器开断能力也相应降低。
4.使用寿命长
本装置中的开关是“电磁斥力”驱动机构，比普通断路器所使用的弹簧操作机构运动部件减少80%，且使用简单的直线运动，没有复杂的传动机构，磨损极小，机械寿命及可靠性大大提高。同时，本装置系过零点开断，燃弧期间的燃弧量不到普通断路器的10%，开断容量大大提高，触头烧灼小，其触点电寿命呈级数上升，深限流电抗器无短路发生时，处于无损耗，不发热，无压降，使用寿命长。
5.性能高可靠
本装置中使用的VQC系列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分钟以内，断路器也可完成一次O-C循环操作，避免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VQC断路器操作能源的可靠性。同时，控制部分带有实时自检功能的自愈保护功能，确保其始终可靠运行，各功能信息均能通过发送后台报警监控。
6.动作分散度小
由于大幅度的缩短了合闸时间并配置了直接驱动的“电磁斥力”驱动机构，合闸分散度可以控制在0.1毫秒以内。
7.合闸无反弹
VQC系列快速断路器配置防触头撞击装置，确保合闸无反弹。
四、无损耗限流装置（KWQC）的适用范围
本装置可替代高阻抗变压器、普通串联限流电抗器、爆炸型大容量高速开断装置，在新供用电系统设计及企业系统改造时，可利用本装置的深度限流电抗器，加大系统阻抗，使负荷侧断路器的开断电流进一步减小，降低造价。
1.大大减少系统扩建或联网运行所需要的投资
短时发生时本装置快速投入母联深度限流电抗器，加大系统内抗，故障点切除后，深度限流电抗器退出，不影响整个系统的正常运行，联网运行使变压器的使用价值得到提高。
图四：无损耗限流装置应用一
2.对不允许瞬时间断供电须强行自启动的重要负载，可提高供电质量
线路短路时，本装置快速投入电抗器，深限流电抗器上的残压可完全满足维持重要负荷继续运行而不受影响。
图五：无损耗限流装置应用二
3.发电机出口或者厂用高压侧短路能得到快速有效保护
本装置开断容量大、限制短路电流深，是发电机出口及厂用分支的理想保护设备，使发电机、变压器得到快速有效的保护。
图六：无损耗限流装置应用三
五、无损耗限流装置（KWQC）的技术参数
设备名称：6kV、10kV、35kV无损耗限流装置(KWQC)
系统额定电压：6kV、10kV、35kV
系统额定电流：1000A、1600A、2000A、3000A、4000A、5000A
雷电冲击耐受电压（峰值）：75kV～180kV
短时（1min）工频耐受电压：42kV～90kV
额定频率： 50HZ
额定短时耐受电流：100kA～200kA
额定峰值耐受电流：100kA～200kA
额定短时开断电流：40kA～80kA
接触电阻：＜100µΩ
合闸时间：10mS
分闸时间：＜5mS
合闸不同期：＜2mS
额定电抗率%：20%～50%～80%
