一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置。

背景技术

目前，大部分地区的110kV高压电网，由于人口密度比较小，电力负荷比较分散且波动大，长距离输电的情况比较普遍，由此带来的负荷末端的电压质量问题严重，尤其是重负载启停时造成的电压波动问题特别突出。

为了解决输配电系统中的电压波动问题，采用的无功补偿方法有并联电容器补偿和串联电容器补偿等方式。并联电容器补偿方式可以提升负荷的功率因数，降低线路输送电流，减少线路电压损失，虽然对线路末端电压有所改善，但往往难以满足用户用电需求。串联电容器补偿方式是通过减小线路电感，相当于减小了电气距离，减小了线路等效阻抗，从而减少线路电压损失，提升线路末端电压水平。

目前，应用的串联补偿电容装置效果虽好，却无法适用于任何电压等级的线路，并且在发生短路故障时，串联补偿电容电路需要外供电源才能实现限压保护。因此，有必要提供一种无需外供电源，适用于任何电压等级的串联补偿电容装置。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提供一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置，该装置无需外供电源，基于短路故障产生的短路故障电流即可实现串联补偿电容限压保护，并可适用于任何电压等级的线路，且具有重量轻、体积小、经济性好和可靠性高的特点。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置，包括进线端、出线端、主电路和控制电路，所述主电路包括电力电子通断控制开关、快速开关、限压装置、电抗器、电阻和串联补偿电容，所述限压装置为双向电力电子开关或者避雷器，所述电力电子通断控制开关与所述快速开关连接，所述快速开关与所述限压装置并联后形成第一支路，所述电抗器与所述电阻并联后形成第二支路，所述第一支路与所述第二支路串联后，与所述串联补偿电容分别并联在所述进线端和所述出线端之间；所述控制电路包括电流检测TC、主控制器和驱动电路，所述主控制器分别与所述电流检测TC和所述驱动电路连接，所述驱动电路与所述电力电子通断控制开关连接；

其中，线路在正常工作状态下，所述快速开关处于断开状态，正常工作电流由所述进线端经过所述串联补偿电容至所述出线端；当线路发生短路故障且所述限压装置为所述双向电力电子开关，并且所述主控制器通过所述电流检测TC检测到短路电流大于预设值时，所述主控制器发出驱动信号至所述驱动电路，以使所述驱动电路驱动所述双向电力电子开关和所述电力电子通断控制开关导通，所述电力电子通断控制开关导通使得所述快速开关在短路电流作用下处于闭合状态，从而实现所述串联补偿电容的限压保护；当线路发生短路故障且所述限压装置为所述避雷器，并且串联补偿电容两端电压达到避雷器残压时，所述避雷器动作以用于限制串联补偿电容两端电压，并且所述主控制器通过所述驱动电路驱动所述电力电子通断控制开关导通，以使所述快速开关在短路电流作用下处于闭合状态，从而实现所述串联补偿电容的限压保护。

优选的，所述快速开关包括真空灭弧部和电磁斥力机构，所述电磁斥力机构用于驱动所述真空灭弧部合闸或者分闸，以使所述快速开关处于闭合或者断开状态。

优选的，当串联补偿电容装置应用于额定电流小的线路时，所述电磁斥力机构与所述真空灭弧部串联后，与所述限压装置并联形成所述第一支路，其中，所述电力电子通断控制开关与所述电磁斥力机构连接。

优选的，当串联补偿电容装置应用于额定电流大的线路时，所述主电路还包括分流TC，所述分流TC设置在所述进线端，并通过所述电力电子通断控制开关与所述电磁斥力机构连接，其中，所述真空灭弧部与所述限压装置并联形成所述第一支路。

优选的，所述电磁斥力机构包括动斥力线圈和静斥力线圈，所述静斥力线圈的一端与所述进线端连接，所述静斥力线圈的另一端与所述真空灭弧部连接，所述电力电子通断控制开关与所述动斥力线圈连接。

优选的，所述电磁斥力机构包括动斥力线圈和静斥力线圈，所述电力电子通断控制开关分别与所述动斥力线圈和所述静斥力线圈连接。

优选的，该装置还包括取能TC和开关电源，所述取能TC用于从线路中取能后，将所取交流电通过所述开关电源转换为直流电后，向所述主控制器供电。

优选的，所述控制电路还包括信号调理电路，所述信号调理电路与所述电流检测TC连接，所述信号调理电路用于对所述电流检测TC检测的短路电流进行信号处理。

优选的，所述控制电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路分别与所述信号调理电路和所述主控制器连接，所述模数转换电路用于将所述信号调理电路处理后的信号转换为数字信号，并输送至所述主控制器。

优选的，所述控制电路还包括无线射频模块，用于串联补偿电容装置与外部设备通信，实现远程控制功能。

本发明至少具有以下技术效果：

本发明所述的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置可通过限压装置和快速开关限制短路故障时串联补偿电容极间的电压，实现串联补偿电容限压保护，具体在短路故障发生时，可通过限压装置限制串联补偿电容极间电压，然后通过驱动电路触发电力电子通断控制开关动作，使得电磁斥力机构的动、静斥力线圈上通过短路故障电流，以便在两线圈间产生电磁斥力，驱动真空灭弧部的触头快速闭合，从而实现快速开关的闭合，将串联补偿电容旁路，进而达到对串联补偿电容进行限压保护的作用。该装置与传统串联补偿装置相比，其无需提供外部电源，而是由短路故障电流智能自驱动电磁斥力机构动作，并且相对于现有的串联补偿装置，其没有快速开关的储能电容，可以实现短时间内多次重合闸；另外，本发明还提供了两种电路结构，以使其能够应用于额定电流大的线路和额定电流小的线路，从而满足任何电压等级的应用需求；以及，本发明具有结构简单、体积小、重量轻、动作速度快、可靠性高和经济性好的优点。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的结构示意图。

图2为本发明另一实施例的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考附图描述本实施例的一种基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置。

图1为本发明一实施例的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的结构示意图。图2为本发明另一实施例的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的结构示意图。图1所示结构适用于线路额定电流较小的情况，图2所示结构适用于线路额定电流较大的情况。图1中线路电流直接流过静斥力线圈122，其中，动斥力线圈121导线截面小、匝数多，静斥力线圈122导线截面大、匝数少。图2中线路电流经分流TC13(TC为电流传感器)变为小电流后流过动斥力线圈121和静斥力线圈122，其中，动斥力线圈121和静斥力线圈122有相同的导线截面和匝数。

对于线路额定电流较小的情况，基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的电路结构如图1所示。该装置设置在壳体1内，该装置包括进线端P1、出线端P2、主电路和控制电路，主电路包括电力电子通断控制开关2、快速开关3、限压装置4、电抗器5、电阻6和串联补偿电容7，限压装置4为双向电力电子开关或者避雷器。其中，电力电子通断控制开关2与快速开关3连接，快速开关3与限压装置4并联后形成第一支路，电抗器5与电阻6并联后形成第二支路，第一支路与第二支路串联后，与串联补偿电容7分别并联在进线端P1和出线端P2之间。

其中，控制电路包括电流检测TC8、主控制器9和驱动电路10，主控制器9分别与电流检测TC8和驱动电路10连接，驱动电路10与电力电子通断控制开关2连接。

本实施例中，线路在正常工作状态下，快速开关3处于断开状态，正常工作电流由进线端P1经过快速开关3中的线圈至串联补偿电容7，然后输出至出线端P2；当线路发生短路故障且限压装置4为双向电力电子开关，并且主控制器9通过电流检测TC8检测到短路电流大于预设值时，主控制器9发出驱动信号至驱动电路10，以使驱动电路10驱动双向电力电子开关和电力电子通断控制开关2导通，电力电子通断控制开关2导通使得快速开关3在短路电流作用下处于闭合状态，从而使得电抗器5、电阻6和串联补偿电容7并联，由于电抗器5的感抗很小，所以装置对外整体呈现很小的感性阻抗，从而使得串联补偿电容7的两端的电压降低，进而起到保护串联补偿电容7的作用。

具体的，快速开关3是一种自驱快速开关，限压装置4是双向电力电子开关或者避雷器，电抗器5的感抗值远小于串联补偿电容7的容抗值，电抗器5的感抗值也远小于电阻6的阻值。正常运行时，快速开关3与限压装置4均断开，仅有串联补偿电容7投入电路，从而起到串联补偿作用。短路故障发生后，限流装置4立即导通，快速开关3在几毫秒的固有合闸时间后导通，串联补偿电容7被旁路，电抗器5和电阻6投入使用，装置整体等效阻抗为电抗器5、电阻6和串联补偿电容7的并联阻抗。由于电抗器5的感抗非常小，装置对外整体呈现很小的感性阻抗，所以串联补偿电容7的两端的电压会降低，从而起到限压保护作用。

进一步的，当线路发生短路故障且限压装置4为避雷器，并且串联补偿电容7两端电压达到避雷器残压时，避雷器会动作，从而限制串联补偿电容7两端电压，并且主控制器9也会通过驱动电路10驱动电力电子通断控制开关2导通，以使快速开关3在短路电流作用下处于闭合状态，从而实现串联补偿电容7的限压保护。

其中，快速开关3包括真空灭弧部11和电磁斥力机构12，电磁斥力机构12用于驱动真空灭弧部11合闸或者分闸，以使快速开关3处于闭合或者断开状态。

当串联补偿电容装置应用于额定电流小的线路时，则电路结构如图1所示，电磁斥力机构12与真空灭弧部11串联后，与限压装置4并联形成第一支路，其中，电力电子通断控制开关2与电磁斥力机构12连接。

具体的，电磁斥力机构12包括动斥力线圈121、静斥力线圈122、分闸保持弹簧123和调节螺母124，其中，静斥力线圈122的一端与进线端P1连接，静斥力线圈122的另一端与真空灭弧部11连接，电力电子通断控制开关2具体与动斥力线圈121连接。其中，常态下分闸保持弹簧123为压缩状态，分闸保持弹簧123的弹力可克服真空灭弧部11的自闭力，使真空灭弧部11的动静触头保持常开状态，其中的触头开距可以采用调节螺母124调节。

当串联补偿电容装置应用于额定电流大的线路时，如图2所示，主电路还包括分流TC13，分流TC13设置在进线端P1，并通过电力电子通断控制开关2与电磁斥力机构12连接，其中，真空灭弧部11与限压装置4并联形成第一支路，即电磁斥力机构12不与真空灭弧部11进行线路连接，电磁斥力机构12仅用于驱动真空灭弧部11。本实施例中，电力电子通断控制开关2具体分别与动斥力线圈121和静斥力线圈122连接。

请继续参考图1和2，该装置还包括取能TC14和开关电源15如AC/DC(交流/直流)电源，取能TC14用于从线路中取能后，将所取交流电通过开关电源15转换为直流电后，向主控制器9供电。

进一步的，控制电路还包括信号调理电路16，信号调理电路16与电流检测TC8连接，信号调理电路16用于对电流检测TC8检测的短路电流进行信号处理，获取电流模拟信号。控制电路还包括模数转换电路17即ADC模块，模数转换电路17分别与信号调理电路16和主控制器9连接，模数转换电路17用于将信号调理电路16处理后的电流模拟信号转换为数字信号，并输送至主控制器9进行处理。控制电路还包括无线射频模块18，其用于串联补偿电容装置与外部设备通信，并实现远程控制功能。

为使本领域技术人员能够清晰的了解该基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置的工作原理，下面将结合附图1-2进行详细阐述。

对于额定电流较小的线路，参考图1，以限压装置4采用双向电力电子开关为例，串联补偿电容7的保护过程如下：

电流检测TC8检测到线路中电流i

当短路故障电流被输电线路电源侧断路器开断或者短路故障消失后，主控制器9发送低电平信号至驱动电路10，驱动电路10不向电力电子通断控制开关2和双向电力电子开关的门极注入触发电流，双向电力电子开关和电力电子通断控制开关2处于关断状态，此时动斥力线圈121开路，两斥力线圈间不再产生电磁斥力，真空灭弧部11中的动触头在分闸保持弹簧123弹力作用下与静触头分离，电流重新流过串联补偿电容7，线路恢复正常运行状态。

其中，所述电抗器5和电阻6的作用还包括：在快速开关3旁路串联补偿电容7后，串联补偿电容7会通过限压装置4和真空灭弧部11的触头放电，放电时，如果流过的电流过大可能导致限压装置4和真空灭弧部11的触头损坏，同时串联补偿电容7也不允许以过大的电流放电。因此，需要将一个感抗值较小的电抗器5串联在串联补偿电容7的放电回路中，限制串联补偿电容7的放电电流。其中，电阻6可用于消耗串联补偿电容7释放的能量，以避免串联补偿电容7和电抗器5持续振荡。

对于额定电流较大的线路，参考图2，以限压装置4采用双向电力电子开关为例，所述串联补偿电容7的保护过程和图1中串联补偿电容7的保护过程存在不同，具体如下：

当线路正常工作时，激活主控制电路，主控制器9发送高电平导通信号d

当系统发生短路故障时，电流检测TC8检测到线路中电流i

需要说明的是，在线路额定电流较大时，可使用分流TC13将线路电流变为小电流，再引导至电磁斥力机构12中的斥力线圈，进而通过电磁斥力机构12带动真空灭弧部11中动触头和静触头的分合，从而达到旁路串联补偿电容7的作用。

其中，当该装置首次投入使用时，由于此时主控制电路未被激活，驱动电路10未上电，电力电子通断控制开关2处于自然关断状态。此时，如果线路存在短路故障，分流TC13二次侧输出电流直接流入电磁斥力机构12的斥力线圈组中，动斥力线圈121和静斥力线圈122之间产生电磁斥力，动斥力线圈121在电磁力的作用下驱动真空灭弧部11的触头闭合，真空灭弧部11闭合后，保护串联补偿电容7和限压装置4。

当限压装置4采用避雷器如MOA(金属氧化物避雷器)避雷器时，则去除双向电力电子开关的驱动控制部分。当线路短路故障电流增大时，串联补偿电容7流过电流增大，其两端电压升高，其电压升高至超过避雷器残压时，避雷器动作，以限制串联补偿电容7电压上升，其中，快速开关3按照上述方法控制，快速开关3合闸后，可将避雷器和串联补偿电容7旁路，实现限压保护。

综上所述，本发明所述的基于短路故障电流智能自驱的串联补偿电容装置可通过限压装置和快速开关限制短路故障时串联补偿电容极间的电压，实现串联补偿电容限压保护，具体在短路故障发生时，可通过限压装置限制串联补偿电容极间电压，然后通过驱动电路触发电力电子通断控制开关动作，使得电磁斥力机构的动、静斥力线圈上通过短路故障电流，以便在两线圈间产生电磁斥力，驱动真空灭弧部的触头快速闭合，从而实现快速开关的闭合，以将串联补偿电容旁路，进而达到对串联补偿电容进行限压保护的作用。该装置与传统串联补偿装置相比，其无需提供外部电源，而是由短路故障电流智能自驱动电磁斥力机构动作，并且相对于现有的串联补偿装置，其没有快速开关的储能电容，可以实现短时间内多次重合闸；另外，本发明还提供了两种电路结构，以使其能够应用于额定电流大的线路和额定电流小的线路，从而满足任何电压等级的应用需求；以及，本发明具有结构简单、体积小、重量轻、动作速度快、可靠性高和经济性好的优点。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。