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背景

引起晃電的主要原因有很多種，其中包含雷擊、外網電壓波動以及短路故障等外部不可抗因素，也包含不平衡負載啟動、廠用電切換等人為因素。據統計，因雷擊造成電壓暫降大概占到 60%以上。由于電壓暫降發生的偶然性以及不可預見性，因此可以說電壓暫降是不可避免的。由外部電網、內部故障等原因導致的晃電現象會影響電網供電的可靠性，導致生產企業敏感負荷如大量接觸器、 變頻器、PLC、各種數字設備等跳閘或損壞，而且易造成計算機信息丟失、 死機， 進而可能導致工藝生產中斷， 給企業造成重大的經濟損失，甚至影響企業的安全穩定運行。

根據現有的保護配置，當發生接地故障時，保護裝置檢測時間約 60ms，常規彈簧操作機構的斷路器跳閘時間 60ms，電壓暫降持續時間至少 120ms以上。電壓暫降雖然持續時間短，造成的后果卻十分嚴重，具體危害如下：

1. 當電壓下降到額定值的 70%以下時，持續時間超過 1 個周波時，接觸器就會脫扣造成用戶大面積停電，對于一類用戶，突然停電造成的損失十分巨大。
2. 當電壓降低到 50%以下時，電動機失磁，在電壓恢復時電動機重復啟動，特別是高壓電機較多的用戶，眾多電機同時再加速對電網造成很大沖擊，嚴重者造成電網停電。
3. 對可編程序控制器（PLC），當電壓低于 50%時，PLC將停止工作；一些 I/0設備，當電壓低于90%時，持續時間僅幾個周波就會被切除。這將導致使用PLC的生產線作業中斷，造成重大經濟損失。
4. 電壓暫降會造成服務器出現癱瘓和數據丟失，對信息安全造成重大的影響。

考慮到電壓暫降問題對電網及企業用戶帶來嚴重的用電安全隱患， 南京國高電氣自動化有限公司研制了FBVP系列基于故障快速檢測和快速機械開關的母線電壓限流保護設備，主要解決區內支線短路故障造成的晃電問題，通過快速檢測線路短路故障，檢測時間小于 5ms，迅速分斷快速機械開關，投入阻抗，限制短路電流，穩定上級母線電壓的跌落，從而保證上級母線的所有出線的電壓穩定，穩定電壓至少 90%以上，縮短電網晃電的持續時間，減小電網、企業重要負荷供電中斷及停機的可能，為企業生產提供穩定可靠的供電電源。

方案內容

本系列產品主要解決線路短路造成的電壓暫降問題，現有的解決方案檢測時間長，斷路器設備分合閘時間長，造成電壓暫降的時間長，電網上的重要負荷存在停機風險。

可在易發生短路故障的饋線支路配置母線快速保護設備，當饋線側出現暫時性短路故障，導致母線電壓出現大幅跌落時，母保設備對線路故障進行快速判別，母保裝置對快速開關發跳閘指令，限流電抗器被投入，故障電流被限制，母線電壓將維持在額定電壓的 90%以上，從而實現對上級母線電壓的保護。當下級故障被清除時，母保設備會重合，系統恢復正常運行。當下級故障無法被正常清除時，母保柜內后備常規斷路器跳閘，將故障點隔離，配置如下圖1。

本產品主要解決了以下幾個問題：

1、限制短路電流至要求的合理水平

限制系統短路電流，減小短路電流對重要負荷的沖擊，避免暫時性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統運行穩定性。

2、維持母線電壓穩定

避免電壓暫降引發母線電壓大幅跌落，維持母線電壓穩定，保障同段母線的其他負荷能夠正常運行，實現重要負荷低電壓穿越。

3、降低系統的有功和無功損耗

正常運行時，開關回路為低阻抗狀態，只有故障情況下，限流電抗器被短時間內投入，避免由于采用高阻抗設備帶來的系統損耗增加。

本產品為母線電壓限流保護成套設備，在電網及企業廠用電系統研究、主設備的設計制造以及控制保護系統的研制均采用國際上先進的技術，使得母保設備整體限流保護效果非常理想，設備質量可靠。

母保成套設備主要包含了以下主要設備：

1.普通斷路器 2.快速斷路器  3.快速開關觸發驅動系統 4.限流電抗器 5.控保系統

結構如下圖2所示。

限流電抗器并聯在快速斷路器的兩端，快速斷路器與普通斷路器串聯。控保系統采集母線電壓、限流電流實現故障的快速檢測。整個設備（10kV）集成在金屬封閉開關柜內。控保系統通過光纖控制快速斷路器分合。

• 快速開關

快速開關是母保成套設備核心元件之一，采用電磁斥力驅動，其特點是分合閘速度快，分閘時間小于 1.5ms，5ms內即可達到額定絕緣開距，合閘時間小于 10ms，遠小于常規斷路器幾十毫秒的分合閘時間。因其極快的分閘速度，可實現對限流電抗器在第一個半波內快速投入，同時其對短路電流耐受能力及短路開斷性能較常規開關更加優異。

快速斷路器采用基于電磁斥力的快速機構，由圖3所示。主要包括真空滅弧室、絕緣拉桿K、動觸頭G、靜觸頭H、分閘線圈C、合閘線圈D、金屬盤（含拉桿）以及緩沖裝置L等。其主要工作原理利用分閘線圈C和合閘線圈D通入瞬時電流產生磁場，利用磁場的渦流效應產生斥力F，從而實現機構的快速運動。

• 快速開關驅動系統

快速開關驅動系統采用電容儲能與電力電子器件控制相結合的具有自主知識產權的設計方案，控制系統摒棄了常規開關的操作回路，與保護裝置間通過光纖進行信號傳輸，控制延時小于 300us，遠小于常規節點控制時間，同時抗干擾能力強。

開關控制系統接收保護裝置指令，并觸發電容放電回路晶閘管，在接收到指令后幾十微妙內實現對儲能電容進行放電，實現對快速開關的快速驅動。

• 限流電抗器

限流電抗器是母保設備的重要元件，其采用空心澆注式結構，整體絕緣耐熱等級要求為 F級，繞組匝間、股間絕緣耐熱材料要求H級，支柱絕緣子為實芯棒狀，非磁性瓷支柱絕緣子。阻抗值根據不同限流深度要求可靈活配置，滿足動、熱穩定電流和持續時間的要求。電抗器的容量參數需要根據系統設計參數進行仿真確定。

• 控保裝置

控保裝置采用了國高電氣成熟穩定的 32位平臺。該平臺廣泛應用于保護、快切控制系統、數字化變電站控制保護系統等多個產品中。該平臺是高性能的分散、分布式系統，擁有友好的人機環境，方便進行功能擴展，支持遠程維護。由于控制裝置采用了32位高性能的CPU和DSP、內部高速總線、智能 I/O，使得系統響應速度快，控制精度高，能夠很好地滿足母保控制系統對快速調節的需要。

基于瞬時值、斜率、幅值相結合的多判據短數據窗綜合故障快速識別方法，故障檢測時間小于5ms，檢測結果準確，可靠性高。

快速機械開關與控制保護裝置采用一二次深度融合設計：摒棄傳統的節點控制方式（傳輸延時時間長達 8-10ms），通過光纖以太網編碼通訊方式，控制快速開關的分合，控制延時時間小于300us，抗干擾能力強。

快速開關采用小型化設計方案，兼容現有常規開關的尺寸，與常規開關集成在同一開關柜體內，可兼容現有常規開關柜，設備緊湊，占地面積小，滿足用戶個性化需求，即可用于新建站，又可用于老站改造擴建。

工作原理

快速開關型母線電壓限流保護設備主要由常規真空斷路器、快速機械開關和限流電抗器組成，其工作原理如下圖 3所示，正常運行時普通開關和快速開關均處于閉合狀態，并承擔通流任務，整個開關回路處于低阻抗狀態。

系統發生短路時，快速開關在 5毫秒內完成額定絕緣開距動作，可以實現第一周波內將電流轉移到限流電抗器上，起到限流作用。此后，若故障在 300ms（可根據實際電抗器配置進行定值整定）內消失，則給快速開關發送合閘指令，限流電抗器退出，系統恢復正常運行；若在 300ms 后故障依然存在，則給普通開關發送跳閘指令，將故障點切除。

圖 4為母保設備在不同故障時刻的動作波形示意圖。短路故障發生后母保設備限流電抗器投入前后，短路電流將發生實質性變化。根據短路發生時刻不同，限流電抗器被投入時刻有所不同，因短路故障發生初始時刻往往帶有較大的直流分量，若故障發生在大半波的前 1/2周期內，可實現在第一個大半波末將限流電抗器投入，實現限流作用；若故障發生在大半波末，則在下一個小半波電流零點處將電抗器投入，實現限流作用。

圖 5 為快速開關開斷短路電流過程示意圖。控保裝置對系統電流進行實時監測，當檢測到線路發生短路故障后，控保裝置經過故障檢測時間發出分閘指令，經過固有分閘時間和燃弧時間后快速開關在短路電流過零點開斷，限流電抗器被投入，進入限流階段。

總結

    該限流保護設備限制系統短路電流，減小短路電流對重要負荷的沖擊，避免暫時性短路故障引起大范圍跳閘事故，提高電力系統運行穩定性。同時避免電壓暫降引發母線電壓大幅跌落，維持母線電壓穩定，保障同段母線的其他負荷能夠正常運行，實現重要負荷低電壓穿越。