CN100433490C

CN100433490C - 一种用于输配电网的故障限流电路

Info

Publication number: CN100433490C
Application number: CNB021568294A
Authority: CN
Inventors: 赵彩宏; 肖立业; 林良真
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2002-12-19
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: CN1508932A

Abstract

一种用于输配电网的故障限流电路，属于电工技术领域。它安装于系统线路出口处与断路器相串联，它由四对正反向并联的可控硅两两串联后与由电感和电容相并联后与可控整流串联组成的支路并联组成，通过调整电感和电容二者之间的谐振度，从而可以灵活的调节故障限流度。本发明效率高，结构简单、可靠，不仅解决了电力系统故障电流过大问题，并且其限流度调节功能，还可以适应系统的不同运行方式。若用于高压或超高压输电网还可以极大的提高系统的稳定性和运行的灵活性。

Description

一种用于输配电网的故障限流电路

技术领域：

本发明涉及一种用于输配电网的故障限流电路，属于电工技术领域。

背景技术：

由于电力系统的发展，负荷的增大，大容量机组和电厂及变电设备的投入，尤其是负荷中心大电厂的出现以及大电力系统的互联，使输配电网容量大为增加，同时也使得短路电流水平日益增高。甚至于有的短路电流水平已经超过了目前的断路器的开断容量。如果不采取限制措施加以控制，不但使新变电所的设备投资大大增加而且对系统中原有变电所设备都将产生很大的影响，甚至需要花费大量的投资进行改造、改建和改换。

现有技术主要采取以下措施限制电力系统输配电网中的短路电流：

1、发展高一级电网，低压电网分片或将母线分列、分段运行，甚至将电网解列。发展高一级电网投资大并且涉及到环境污染问题，低压分片或解列电网虽然简单易行且效果显著，但它可能降低系统的安全裕度，限制运行操作和事故处理的灵活性，非不得已不采用。

2、用直流联网。采用直流联网输电，短路电流可以明显降低，但两端换流设备的投资很大，如联络线不长，交换功率不大时，这种办法往往不可行。

3、采用高阻抗变压器限制其低压侧的短路电流。这项措施普遍采用，但其稳态运行时损耗大。

4、采用串联电抗器。在输配电系统中采用此措施，不但会增加网损，还会降低系统的稳定性。

5、更换断路器，对现有的变电所进行增容改造。但代价太大，并且现有的断路器容量可能无法满足要求。

目前，也有研究采用新的电路来解决故障限流问题，例如中国专利ZL 961 23001.0提供的一种短路保护电路，主要用于普通的电压源供电回路中。参见图1：它接在交流电压源V_S输出端与负载A之间，它由二极管D₃～D₆构成的整流桥及其接于整流桥直流侧的一组电流源I_S3和二极管D并联再串联开关SW组成。正常运行时，电流源的电流大于负载电流的峰值与并联的始终导通的二极管形成闭合回路。一旦负载短路，当故障电流大于电流源的电流值时，二极管截止，电流源被串入电压源回路进行限流。由于短路保护电路经过整流，电流为通过电流源也即是电感单相流通，这使得电感电流在故障切除前一直被充电，从而电感的容量非常大，并且随着电感电流的增加，电感被串入电压源回路的时间越来越短，这使得限流效果越来越差，直到失去限流作用，也即不能限制稳态故障电流。短路保护开关SW，无论是电子开关还是电气开关，前者容量非常大，并且要断开电流变化率非常大的故障电流，开关期间可靠性差；若是后者，开断时间太长，限流效果差，由于故障电流逐渐变大，电气开关的开断容量也是很大的问题。

发明内容：

为克服已有技术的不足，本发明提供了一种用于输配电网的故障限流电路，它结构简单，可限制短路电流峰值以及稳态值。

本发明提供的故障限流电路包括四对正反向并联的可控硅、电感、电容器与可控整流，四对正反向并联的可控硅两两串联后，再与电感和电容器相并联后与可控整流串联组成的支路并联构成本电路。通过调整电感和电容二者之间的谐振度-电抗器感抗与电容器容抗的比值，来改变二者的等效阻抗，从而可以灵活的调节故障限流度。本发明连接于电力系统线路出口处断路器的前面，从而其限制的故障电流可由原有的断路器可靠断开。电力系统正常运行时对系统无影响，系统故障后能立刻自动投入，可限制短路电流峰值及稳态值，减小了故障电流对系统的冲击，并且确保原有的断路器就能可靠的切断故障电流。

附图说明：

图1是现有技术中国专利ZL 96 1 23001.0的线路图。

图2是本发明在单相系统中的线路图。

图3是本发明在三相系统中的线路图。

图4是本发明在单相系统中的应用实例。

具体实施方式：

以下结合附图实施例对本发明作详细叙述。

本发明提供的故障限流电路，如图2、图3中虚线框所示。在图2单相系统中，本发明由电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路与四对可以正反连接的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈并联组成，连接于系统AC线路出口处，与断路器DL相串联。在图3三相系统中，本发明由电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路与四对可以正反连接的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈并联组成，分别连接于三相A、B与C线路出口处与断路器DL相串联。图2、图3中R_L、X_L与Z_Load分别为线路电阻、线路电抗与负荷阻抗。如图2、图3中虚线框所示：四对可以正反连接的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈，可以双向流通直流和交流，其中可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈也可以是其它有源电力电子器件，如门极可关断晶闸管GTO、绝缘门极双极型晶体管IGBT等。电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路与四对可以正反连接的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈并联组成本发明电路，并且可根据系统限流的需要，设计和调节不同的谐振度——电感HTS-L感抗与电容器C容抗的比值，来改变二者的等效阻抗从而可以灵活的调节故障限流度而达到不同的限流效果。系统正常时，调节由电感HTS-L和可控整流V_DC组成的支路，使得流过HTS-L一大于系统负荷电流峰值的直流，它与并联的可控硅T₂、T₄，T₆、T₈形成闭合回路，其余的可控硅T₁、T₃、T₅、T₇脉冲封锁。由于与电感HTS-L和可控整流V_DC并联的可控硅T₂、T₄，T₆、T₈始终导通，若忽略可控硅的导通压降，连接于系统的发明电路两端压降为零，相当于处于短接状态，对系统无影响。在系统发生短路故障时，若故障电流正向流过故障限流电路，也即是故障电流的瞬时值大于流过电感HTS-L的直流时，故障电流通过T₂-(HTS-L//C+V_DC)-T₈，其中，(HTS-L//C+V_DC)表示电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路，此时可控硅T₄与T₆过零自然关断，且可控硅T₁与T₇的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流通过T₁-(HTS-L//C+V_DC)-T₇。从下一个周期开始，T₁、T₂、T₇与T₈脉冲始终开通，使它们过零即触发，T₃、T₄，T₅、T₆脉冲始终封锁，直到故障切除。也即是故障电流正负两个半波始终通过电感HTS-L和电容C并联的支路与T₁、T₂、T₇与T₈组成的可控硅模块，进行故障限流。同理，若系统故障时故障电流负向流过故障限流电路时，也即是故障电流的瞬时值大于流过电感HTS-L的直流时，故障电流通过T₄-(HTS-L//C+V_DC)-T₆，此时可控硅T₂与T₈过零自然关断，且可控硅T₃与T₅的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流通过T₃-(HTS-L//C+V_DC)-T₅。从下一个周期开始，T₃、T₄，T₅、T₆脉冲始终开通，使它们过零即触发，T₁、T₂、T₇与T₈脉冲始终封锁，直到故障切除。也即是故障电流正负两个半波始终通过电感HTS-L和电容C并联的支路与T₃、T₄、T₅、T₆组成的可控硅模块，进行故障限流。从以上过程可以看出，系统正常时流过电感HTS-L是一直流，而故障时，电感HTS-L与电容器C并联的支路立刻自动投入，且双向流过系统电流，这样不仅使得本电路既可以限制故障电流的峰值，又可以限制故障电流的稳态值，而且大大的降低了其本身的容量和故障时所受的冲击。

图4中虚线框中所示为本发明的一个实施例。本发明连接于电力系统AC线路出口处与断路器DL相串联，其中R_L、X_L与Z_Load分别为线路电阻、线路电抗与负荷阻抗。在图4所示的故障限流电路在单相系统的应用实例中，故障限流电路由一与开关S₁、S₂......S_n分别串联的电容器C₁、C₂......C_n与电感HTS-L并联后与一可控整流DC串联，然后与四对正反连接的两两串联的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈并联组成。其中电感HTS-L采用电阻几乎为零的超导电感，可大大减小损耗，提高了装置的效率。电感HTS-L亦可以是普通电感。开关S₁、S₂......S_n可以是固态开关或者电气开关，它可根据系统限流的需要，用来投切电容器C₁、C₂......C_n，以调节其与电抗HTS-L之间的谐振度——HTS-L感抗与电容器C₁、C₂......C_n容抗的比值，来改变二者的等效阻抗，从而可以灵活的调节故障限流度，达到不同的限流效果。

本发明的故障限流电路采用了一种由正反连接的可控硅组成的双向整流桥路，利用了电感电流不能突变以及电感与电容谐振可调系统限流度的方案，系统正常运行，对系统运行无影响；系统故障后，也即当故障电流大于系统最大负荷电流的峰值时，限流电路自动串入电感与电容的并联支路，可靠的限制故障电流的峰值和稳态值，既大大减轻了故障电流对系统的冲击，有使得现有断路器可安全的切断故障电流，并且调节HTS-L感抗与电容器C₁、C₂......C_n容抗的比值，也即是谐振度来改变二者的等效阻抗，从而可以灵活的调节故障限流度，达到不同的限流效果。本发明效率高，结构简单，运行可靠，用于输配电网，不仅解决了系统故障电流过大问题，大大降低了系统中各元器件耐流量的要求，降低了系统的设计要求。并且其灵活的限流度调节功能，可以适应系统的不同运行方式。若用于高压或超高压输电网还可以极大的提高系统的稳定性和运行的灵活性。

在一220V单相系统试验中，超导电感HTS-L电抗为系统阻抗的2倍，谐振度为0.8时，故障电流可以限制到原来故障电流的峰值约66％左右，稳态值约10％左右；当谐振度为0.6时，故障电流可以限制到原来故障电流的峰值约71％左右，稳态值约20％左右。

Claims

1.一种用于输配电网的故障限流电路，其特征在于它连接于电力系统线路出口处断路器与电源之间，包括四对正反向并联的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇与T₈，超导电感HTS-L和电容器C，可控整流V_DC；四对正反向并联的可控硅T₁、T₂，T₃、T₄，T₅、T₆，T₇、T₈两两串联后，再与超导电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路并联。

2.按权利要求1所述的故障限流电路，其特征在于可控硅T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇与T₈由门极可关断晶闸管GTO或绝缘栅双极型晶体管IGBT代替。

3.按权利要求1所述的故障限流电路，其特征在于调整超导电感HTS-L感抗和电容器C容抗二者之间的谐振度，即感抗与容抗的比值，来改变二者之间的等效阻抗，从而调节故障限流度。

4.按权利要求1所述的故障限流电路，系统正常时，调节由超导电感HTS-L和可控整流V_DC组成的支路，使得流过超导电感HTS-L一大于系统负荷电流峰值的直流，与并联的可控硅T₂、T₄，T₆、T₈形成闭合回路，其余的可控硅T₁、T₃、T₅、T₇脉冲封锁。

5.按权利要求1所述的故障限流电路，在系统发生短路故障时，若故障电流正向流过故障限流电路，也即是故障电流的瞬时值大于流过超导电感HTS-L的直流时，故障电流通过T₂-(HTS-L//C+V_DC)-T₈，(HTS-L//C+V_DC)为超导电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路，此时可控硅T₄与T₆过零自然关断，且可控硅T₁与T₇的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流通过T1-(HTS-L//C+V_DC)-T₇，(HTS-L//C+V_DC)为超导电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路；从下一个周期开始，T₁、T₂、T₇与T₈脉冲始终开通，使它们过零即触发，T₃、T₄、T₅与T₆脉冲始终封锁，直到故障切除；也即是故障电流正负两个半波始终通过超导电感HTS-L和电容C并联的支路与T₁、T₂、T₇与T₈组成的可控硅模块，进行故障限流。

6.按权利要求1所述的故障限流电路，若系统故障时故障电流负向流过故障限流电路时，也即是故障电流的瞬时值大于流过超导电感HTS-L的直流时，故障电流通过T₄-(HTS-L//C+V_DC)-T₆，(HTS-L//C+V_DC)为超导电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流V_DC串联组成的支路，此时可控硅T₂与T₈过零自然关断，且可控硅T₃与T₅的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流通过T₃-(HTS-L//C+V_DC)-T₅，(HTS-L//C+V_DC)为超导电感HTS-L和电容器C并联后与可控整流VDC串联组成的支路；从下一个周期开始，T₃、T₄、T₅、T₆脉冲始终开通，使它们过零即触发，T₁、T₂、T₇与T₈脉冲始终封锁，直到故障切除；也即是故障电流正负两个半波始终通过超导电感HTS-L和电容C并联的支路与T₃、T₄、T₅、T₆组成的可控硅模块，进行故障限流。