任务要求

图8-8所示为燃气表快速断电电路，试简述该快速断电电路的设计思路与基本原理。

图8-8　燃气表快速断电电路

任务分析

本任务的目的是理解快速断电技术基本概念，熟悉现代供配电新技术，包括定制电力和快速断电技术。

知识学习

8.4.1 定制电力概念

定制电力（曾称定质电力、用户电力、用户特定电力）的概念是将电力电子装置用于1～35 kV的配电系统，为向电能质量敏感的用户提供达到用户特需的可靠性水平和电能质量水平的电力。这些定制电力设备采用先进的电力电子器件和计算机的测控技术。定制电力技术的发展与许多电气设备对电能质量的敏感性密切相关，诸如某些数控生产线、变频调速设备、数据处理中心、集成电路生产车间、医院等。用户需要解决的电能质量问题，包括电压跌落、电压中断、电压闪变、谐波造成的电压波形畸变及电压调节问题。对配电系统电能质量问题的研究分析表明，电压跌落、瞬时断电占所有电能质量事件的50%以上。前述对电能质量敏感的设备，主要是受电压跌落、暂时断电而影响正常运行。因此，除无功补偿和解决谐波问题之外，定制电力的发展主要是解决电压跌落、瞬时断电问题。

8.4.2 定制电力设备

目前典型定制电力设备包括SSTS（固态断路器）、DSTATCOM（静止同步补偿器）、DVR（动态电压恢复器）、SVC（静止无功补偿器）、APF（有源滤波器）、UPQC（统一电能质量控制器）、ESS（储能系统）等。

固态断路器：基于GTO的一种能快速动作以切除电力系统故障的设备。同时也能配合其他电力电子器件以提高用户的电能质量，如消除故障过电流的发展。

静止同步补偿器：快速响应的固态电力控制器，能向配电线在连接处提供灵活的电压控制以改进电能质量；是一个交流同步电压源，通过一联络电抗和配电系统交换无功电力，其结果可通过STATCOM和配电线间的联络电抗来控制电流，以在变压器和用户处瞬时控制端电压和校正功率因数。

动态电压恢复器：用来补偿电压跌落、提高下游敏感负荷供电质量的有效串联补偿装置。

有源滤波器：与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，性价比较合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波。

故障限流器：利用电力电子技术，动作速度快、允许动作次数多、控制简便，能限制控制短路电流值，利用固态开关特性可在约一个工频周期时间内快速无弧切断短路电流；同时电流过零时自动关断，可避免或极大地减少断开短路而引起的暂态过电压。

超导储能系统：储能损耗低、储能密度大，适应于电力负荷峰谷调节，能迅速注入/吸收有功/无功或动态控制交流系统的潮流。

统一电能质量控制器是集串、并联型补偿装置的多重功能于一体的调节器，它是当前定制电力技术中新的研究热点，UPQC与统一潮流控制器（UPFC）具有相似的拓扑电路结构，其并联单元具有STATCOM、APF等功能，其串联单元具有DVR、动态不间断电源（UPS）等功能，其直流储能单元具有蓄电池能量存储系统（BESS）等功能，通过多目标协调控制实现电压调节（电压跌落、电压突升、电压畸变补偿等），有功、无功动态调节，有源滤波、平衡化补偿，动态不间断电源、储能、直流电源等综合功能。

8.4.3 快速断电技术

快速断电技术又叫超前切断技术，其特点是采用可靠的自动快速切断故障电流的措施使可能产生的电火花或电弧存在的时间小于点燃沼气、煤尘所需要的最短时间。(www.daowen.com)

利用自动装置在电气故障发生后5 ms内切断电源，使故障电火花或电弧存在的时间小于点燃瓦斯煤尘所需要的最小时间，即保证在形成外露电火并引爆瓦斯、煤尘之前就切断电源的技术称为快速断电技术。

1.快速断电概论

瓦斯爆炸的感应期：从爆炸性混合物接触点火源起，到转化为快速燃烧爆炸的时间间隔。

感应期的长短与爆炸物的种类、浓度和点火源的温度等因素有关。瓦斯爆炸的感应期在10 ms以上，煤尘爆炸的感应期一般为40～250 ms。

2.故障电火花形成时间

当电网发生电气故障时，从故障发生瞬时至形成外露电火花并进一步引爆周围爆炸性气体或引起电火灾的时间，称为故障电火花形成时间，简称故障形成时间。

3.保护装置的全断电时间

指从供电系统发生电气故障的瞬时至保护装置切断电源所需的时间，称为保护装置的全断电时间。

4.实现快速断电的技术途径

（1）利用电网载频保护实现短路故障快速检测。

载频保护的基本原理是由电感三点式自激振荡器产生20～30 kHz的高频检测信号，经阻容网络耦合到三相电网上，供电电缆未发生短路时，电网相间高频阻抗较高，振荡器作为高频信号电源因负荷较轻而正常工作，其输出的高频信号经A/D转换为直流电压较高，不会使鉴别电路翻转；当电缆发生短路时，电缆相间高频阻抗降低，振荡器因负荷过重而停振，使转换后的直流电压为零，从而鉴别电路翻转，该法能在1 ms内快速检测出短路故障信号。

（2）利用电流变化率实现短路快速检测。

用三个副边接成星形的电流互感器反映电网短路瞬间的电流变化率dik/dt，经三相全波整流、光电耦合器后在取样电阻上获得信号电压，再经电压比较器鉴别发出断电指令，经有关资料的计算论证，该法可保证取样时间＜2.1 ms，而且取样时间＜1 ms的概率＞0.8。

5.快速断电在煤电钻综合装置中的应用

煤电钻是井下采掘工作的主要生产工具之一，由于启动频繁、工作环境恶劣并与操作人员直接接触，因而需要安全可靠的供电和保护系统。

任务检查

按表8-4对任务完成情况进行检查记录。

表8-4　任务完成情况检查记录表