CN100440673C

CN100440673C - 一种短路故障限流器

Info

Publication number: CN100440673C
Application number: CNB2004100034589A
Authority: CN
Inventors: 张志丰; 肖立业
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2004-03-24
Filing date: 2004-03-24
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: CN1674388A

Abstract

一种短路故障限流器，涉及输配电网的故障限流器。其特征在于在现有的短路故障限流器中串入两个电感，串入的电感分别与整流桥中的开关器件串联，并与原有限流电感一端相连呈星形接法。该限流器不但可以限制故障电流的峰值，而且可以限制故障电流的稳态值。在取消现有短路故障限流器所具有的偏压电源的前提下，可以消除限流器所产生的线路稳态电流波形畸变，同时，其体积和成本也得以减小。该限流器按照现有短路故障限流器在单相或三相电路中的连接方法，可构成多种电路结构。本发明所创造的电路结构简单，限流能力强，对线路的影响小，有利于提高电网电能质量，有利于提高高压或超高压输电网系统的稳定性，安全性和可靠性。

Description

一种短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种短路故障限流器，特别涉及输配电网的故障限流器。

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且，在对电能的需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而，大电网的暂态稳定性问题比较突出，其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前，世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断，由于短路电流水平与系统的容量直接相关，在断路器的额定开断电流水平一定的情况下，采用全额开断短路电流将会限制电力系统的容量的增长，并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大，这一问题将变得更为严重。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如，固态短路故障限流器它在检测到短路故障时，通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，可以将故障电流限制在较低的水平，以保护电力设备，并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US 4490769和中国发明专利ZL 96 123001.0都提出了短路故障限流器结构，其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时，限流器对电网无压降、几乎无功耗；一旦系统发生短路故障，当电网电流达到直流电抗器的电流时，电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制，从而使故障电流限制在一定的水平，以保证断路器及时切断故障电流。这样，可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时，该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US 4490769的技术方案如图1a所示，其主电路由晶闸管TH1、TH2、TH3、TH4、直流电感L和偏压电源Vb组成。其改进的技术方案如图1b和1c所示，在发生短路故障时，均可以无延时地自动投入线路，对故障电流及其上升率进行限制，而且，图1a和1b可以通过控制晶闸管的导通角，实现更有效的故障电流控制。

但是，固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处，其限流磁体(L0)只是在电网电流达到磁体电流时，才会自动串入电网实现限流，它只能限制短路瞬间的故障电流峰值，无法限制故障稳态电流，限流过程的电流波形畸变较大；为了补偿桥臂上的开关器件的压降造成的电网稳态电流波形畸变，一般采用给限流磁体串联偏压电源的方法。但是，流过偏压电源的电流往往是电网电流的2～3倍，而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求，因此，偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出了一种用于输配电网的短路故障限流器，它既可限制故障电流峰值又可限制故障电流稳态值，而且结构简单、成本低。

本发明采用的技术方案是在故障限流器的桥臂上串入两个电感(一般电感或超导电感均可)，被串入的电感和已有的限流电感呈星形接法，并分别与开关器件(二极管、晶闸管等)串联，同时取消偏压电源。

本发明可以是单相的短路故障限流器结构、也可以是单相的带有耦合变压器的短路故障限流器结构、也可以是三个单相的短路故障限流器应用于三相系统而组成三相故障限流器结构、也可以是三个单相的带有耦合的短路故障限流器应用于三相系统而组成三相故障限流器结构、也可以是采用优化措施的三相系统的故障限流器结构和采用优化措施的带有耦合的三相系统故障限流器结构。

本发明单相短路故障限流器包括由第一晶闸管、第二晶闸管和第一二极管、第二二极管组成的单相整流桥和限流电感。在整流桥中串入第一电感、第二电感。第一晶闸管和第二晶闸管组成整流桥的一个桥臂，第一晶闸管和第二晶闸管的连接点为整流桥的输入点；第一二极管和第二二极管组成整流桥的另一个桥臂，第一二极管和第二二极管的连接点为整流桥的输出点。第一电感与第一晶闸管串联，第二电感与第一二极管串联；第一电感、第二电感和限流电感的一端连接于一点，呈星形接法；限流电感的另一端接于第二晶闸管和第二二极管的连接点。短路故障限流器通过整流桥的输入点和整流桥的输出点串入交流电源、断路器和负载的串联线路，构成单相的短路故障限流器。

本发明采用优化措施的三相系统短路故障限流器中，第一二极管、第二二极管、第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第五晶闸管、第六晶闸管及其限流电感、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感组成的三相故障限流器，分别串入a、b、c三相的电源和a、b、c三相负载之间。其中，第四电感与由第一二极管和第二二极管组成的桥臂串联；第一电感与由第一晶闸管和第二晶闸管组成的桥臂串联；第二电感与由第三晶闸管和第四晶闸管组成的桥臂串联；第三电感与由第五晶闸管和第六晶闸管组成的桥臂串联；限流电感一端接于第一电感、第二电感、第三电感以及第四电感的连接点，呈星形连接，限流电感的另一端接于第二二极管、第二晶闸管、第四晶闸管以及第六晶闸管的接点，呈星形连接；第一晶闸管和第二晶闸管的连接点、第三晶闸管和第四晶闸管的连接点、第五晶闸管和第六晶闸管的连接点分别串入a、b、c三相的电源和a、b、c三相负载，第一二极管和第二二极管的连接点通过断路器连接在a、b、c三相负载的星形中性点上，构成三相故障限流器。

本发明的主要优点：

1.本发明不但可以限制故障电流峰值，而且可以限制故障电流稳态值。已有限流电感只是在线路故障电流达到限流电感电流值时，限流电感才自动串入电路限制故障电流，因此，只能限制故障电流峰值。而改进后的短路故障限流器，两个与开关器件串联的电感具有限制故障电流稳态值的作用。从而获得比已有短路故障限流器更优的限流效果。同时保证了稳态工作时，限流器两端压降为零(忽略开关器件压降)，即限流器投入不会造成线路电压降落。

2.本发明在取消偏压电源的前提下，可消除线路稳态电流波形畸变。与开关器件串联的电感，提升了已有限流电感的电压，延缓了已有限流电感的电流变化，使得在稳态时，流过已有限流电感的电流略大于线路电流的峰值，续流电路一直导通，使得已有限流电感无法串入线路，而造成线路电流波形畸变，不产生谐波，从而更好地保证了线路的电能质量。

3.本发明省去了偏压电源，形成了无源短路故障限流器，同时保证了稳态时限流器不造成线路电流波形畸变。本发明电路中的电感，若采用超导电感，可以降低热损耗，进一步减小限流器对电路的影响。同时，偏压电源的取消降低了限流器成本，提高了限流器的可靠性。

4.本发明在线路稳态时，即未发生故障时，桥路中的串联电感对线路不产生压降。由于续流电路一直导通，所以桥路两端处于导通状态，限流器两端的压降为零。

附图说明

图1a、图1b、图1c为已有的短路故障限流器的电路原理示意图；

图2为本发明具体实施例1电路原理示意图；

图3为本发明具体实施例2电路原理示意图；

图4为本发明具体实施例3电路原理示意图；

图5为本发明具体实施例4电路原理示意图；

图6为本发明具体实施例5电路原理示意图；

图7为本发明具体实施例6电路原理示意图；

图8为本发明具体实施例7电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明的具体实施例1为单相的短路故障限流器。已有的单相短路故障限流器由第一晶闸管T1、第一晶闸管T2和第一二极管D1、第一二极管D2组成的单相整流桥及其限流电感L0组成。在此基础上，串入第一电感L1、第二电感L；第一晶闸管T1和第二晶闸管T2组成整流桥的一个桥臂，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的连接点M为整流桥的输入点；第一二极管D1和第二二极管D2组成整流桥的另一个桥臂，第一二极管D1和第二二极管D2的连接点N为整流桥的输出点；第一电感L1与第一晶闸管T1串联，第二电感L2与第一二极管D1串联；第一电感L1、第二电感L2和限流电感L0的一端连接于一点，呈星形接法，限流电感L0的另一端接于第二晶闸管T2和第二二极管D2的连接点，短路故障限流器通过整流桥的输入点和整流桥的输出点串入交流电源Vac、断路器SW和负载R的串联线路。线路无故障，即稳态时，开通第一晶闸管T1、第二晶闸管T2的触发脉冲使其一直处于导通状态，第一晶闸管T1、第二晶闸管T2和第一二极管D1、第二二极管D2与串联的第一电感L1、第二电感L2形成闭合回路，不断给限流电感L0充电使其等效为一电流源，第二晶闸管T2和第二二极管D2导通，可以保证限流器被短路，限流器两端的压降为零，对线路不造成影响。在系统发生短路故障时，若故障电流正向流过限流器，即故障电流的瞬时值等于限流电感L0的电流值，故障电流将通过第一晶闸管T1-第一电感L1-限流电感L0-第二二极管D2，使限流电感L0串入电路配合第一电感L1一起限流，同时第二晶闸管T2和第一二极管D1由于反偏而处于截止状态。当线路电流的负值等于限流电感L0的电流时，第一晶闸管T1和第二二极管D2由于反偏而处于截止状态，同时第二晶闸管T2和第一二极管D1自动导通，故障电流将通过第一晶闸管T2-第二电感L2-限流电感L0-第一二极管D1，使限流电感L0串入电路配合第二电感L2一起限流。同时，为了达到更好的限流效果，在线路电流由正变负过零(或由负变正过零)时，控制第二晶闸管T2(或第一晶闸管T1)的触发脉冲使其延迟导通，从而实现对限流器的控制。从上述的分析可以看出，限流电感L0只是限制故障电流峰值，而第一电感L1和第二电感L2则限制故障电流稳态值，有效限制了故障电流对限流器和线路的冲击。

如图3所示，本发明的具体实施例2为三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相故障限流器。三个单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。SW为断路器，Va、Vb、Vc为三相交流电源，R为三相负载等效电阻。三个单相的短路故障限流器分别串入a、b、c三相的电源VA、VB、VC，a、b、c三相断路器SW和a、b、c三相负载R之间，构成三相的短路故障限流器。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。

如图4所示，本发明的具体实施例3为单相带有耦合变压器的短路故障限流器。单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。TR为限流器的耦合变压器，SW为断路器，Vac为交流电源，R为负载等效电阻，单相短路故障限流器并联在耦合变压器TR的副边绕组上，耦合变压器TR的副边绕组的一端接单相短路故障限流器的第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的相互连接点，另一端接单相短路故障限流器的第一二极管D1和第二二极管D2的相互连接点；耦合变压器TR的原边绕组串入交流电源VAC、断路器SW和负载R的串联线路，构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器；对于高压或超高压变压器来说，通过将变压器耦合，可以降低限流器中功率器件的额定电压和绝缘级别，从而降低限流器的成本，提高其限流性能。单相带有耦合变压器的短路故障限流器的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。

如图5所示，本发明的具体实施例4为三个单相带有耦合的短路故障限流器分别串入a、b、c三相的电源VA、VB、VC，和a、b、c三相断路器SW和a、b、c三相负载R之间，构成三相带有耦合变压的短路故障限流器。单相带有耦合的短路故障限流器结构和具体实施例3相同。三相带有耦合变压器的短路故障限流器的每一相的工作原理和本发明的单相带有耦合的短路故障限流器的工作原理相同。

如图6所示，本发明的具体实施例5为优化的三相短路故障限流器。现有技术的采用优化措施的三相短路故障限流器由二极管D1、D2和晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6及其限流电感L0组成。本发明的优化的故障限流器是在现有的限流器的基础上，给第一二极管D1和第一、第三、第五晶闸管T1、T3、T5分别串联第四电感L4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3而形成的。第一二极管D1和第一晶闸管T1、第三晶闸管T3、第五晶闸管T5分别与第四电感L4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3串联，电感L4、L1、L2、L3一端相连呈星形接法。SW为断路器，Va、Vb、Vc为三相交流电源，R为三相负载等效电阻。·具体连接方式如下：由第一二极管D1、第二二极管D2、第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第五晶闸管T5、第六晶闸管T6及其限流电感L0、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3、第四电感L4组成的三相故障限流器，分别串入a、b、c三相的电源VA、VB、VC和a、b、c三相负载R之间；其中，第四电感L4与由第一二极管D1和第二二极管D2组成的桥臂串联；第一电感L1与由第一晶闸管T1和第二晶闸管T2组成的桥臂串联；第二电感L2与由第三晶闸管T3和第四晶闸管T4组成的桥臂串联；第三电感L3与由第五晶闸管T5和第六晶闸管T6组成的桥臂串联；限流电感L0一端接于第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3以及第四电感L4的连接点，呈星形连接，限流电感L0的另一端接于第二二极管D2、第二晶闸管T2、第四晶闸管T4以及第六晶闸管T6的接点，呈星形连接；第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的连接点、第三晶闸管T3和第四晶闸管T4的连接点、第五晶闸管T5和第六晶闸管T6的连接点分别串入a、b、c三相的电源VA、VB、VC和a、b、c三相负载R，第一二极管D1和第二二极管D2的连接点通过断路器SW连接在a、b、c三相负载R的星形中性点上，构成三相故障限流器。在稳态时，即电路未发生故障，第一二极管D1、第二二极管D2和第一晶闸管T1、第二晶闸管T2、第三晶闸管T3、第四晶闸管T4、第五晶闸管T5、第六晶闸管T6均处于导通状态，限流电感L0被屏蔽，限流器对线路不产生电压降。在系统发生短路故障(以A相为例)时，若故障电流正向流过限流器，即故障电流的瞬时值等于限流电感L0的电流值，故障电流将通过第一晶闸管T1-第一电感L1-限流电感L0-第二二极管D2，使限流电感L0串入电路配合第一电感L1一起限流。当线路电流的负值等于限流电感L0的电流时，第一晶闸管T1和第二二极管D2由于反偏而处于截止状态，同时第二晶闸管T2和第一二极管D1自动导通，故障电流将通过第二晶闸管T2-第二电感L2-限流电感L0-第一二极管D1，使限流电感L0串入电路配合第二晶闸管L2一起限流。同时，为了达到更好的限流效果，在线路电流由正变负过零(或由负变正过零)时，控制第二晶闸管T2(或第一晶闸管T1)的触发脉冲使其延迟导通，从而实现对限流器的控制。从上述的分析可以看出，限流电感L0只是限制故障电流峰值，而第一电感L1和第二电感L2则限制故障电流稳态值，有效限制了故障电流对限流器和线路的冲击。采用优化措施，使本发明故障限流器的结构更加简单，从而降低了系统的成本。

如图7所示，本发明的具体实施例6为优化的一种带有耦合变压器的三相系统故障限流器。现有技术的采用优化措施的三相短路故障限流器由二极管D1、D2和晶闸管T1、T2、T3、T4及其限流电感L0组成。本发明优化后的故障限流器是在现有的限流器的基础上，给第一二极管D1和第一晶闸管T1、第三晶闸管T3、第五晶闸管T5分别串联第四电感L4、第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3而形成的。TR1、TR2、TR3分别是三相的耦合变换器。SW为断路器，Va、Vb、Vc为三相交流电源，R为三相负载等效电阻。具体连接方式如下：由第一耦合变压器TR1、第二耦合变压器TR2、第三耦合变压器TR3三个耦合变压器和实施例5的三相故障限流器，构成带有耦合变压器的三相故障限流器，其中：第一耦合变压器TR1副边绕组的一端接第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的接点，第一耦合变压器TR1原边绕组接c相交流电源VC和c相负载串联组成c相回路；第二耦合变压器TR2副边绕组的一端接第三晶闸管T3和第四晶闸管T4的接点，第二耦合变压器TR2原边绕组接b相交流电源VB和b相负载串联组成b相回路；第三耦合变压器TR3副边绕组的一端接第五晶闸管T5和第六晶闸管T6的接点，第三耦合变压器TR3原边绕组和a相交流电源VA和a相负载串联组成a相回路；所述三个耦合变压器的副边绕组的接地一端呈星形连接；a、b、c三相负载呈星形连接；断路器SW一端接第一二极管D1和第二二极管D2的接点，另一端接三个耦合变压器的副边绕组的星形连接点，构成带有耦合变压器的三相故障限流器。优化的带有耦合变压器的三相系统故障限流器的工作原理和优化的三相短路故障限流器的工作原理相同。这种方案优化了限流器的结构，降低了成本，并且，在采用降压变压器的前提下，可以降低限流器中功率器件的额定电压，更进一步降低系统的成本。

本发明故障限流器提高了限流器的限流能力，既可限制故障电流峰值，又可限制故障电流稳态值。并且，在无需偏压电源的前提下，保证稳态时故障限流器不会引起线路电流畸变。因此，这种限流器不但有较强的限流能力，而且对线路的影响较小，大大地提高了线路的稳定性。

在-220V的单相系统试验中，两个与开关器件串联的电感值相等，并且其电感值为原有限流电感的10％左右，原有限流电感的取值为系统阻抗的2倍，可保证故障电流可以限制在原来故障电流峰值的50％左右，稳态值在38％左右。

Claims

1、一种短路故障限流器，包括由第一晶闸管(T1)、第二晶闸管(T2)和第一二极管(D1)、第二二极管(D2)组成的单相整流桥和限流电感(L0)，其特征是在整流桥中串入第一电感(L1)、第二电感(L2)；第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)组成整流桥的一个桥臂，第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)的连接点(M)为整流桥的输入点；第一二极管(D1)和第二二极管(D2)组成整流桥的另一个桥臂，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的连接点(N)为整流桥的输出点；第一电感(L1)与第一晶闸管(T1)串联，第二电感(L2)与第一二极管(D1)串联；第一电感(L1)、第二电感(L2)和限流电感(L0)的一端连接于一点，呈星形接法，限流电感(L0)的另一端接于第二晶闸管(T2)和第二二极管(D2)的连接点，短路故障限流器通过整流桥的输入点和整流桥的输出点串入交流电源(Vac)、断路器(SW)和负载(R)的串联线路，构成单相的短路故障限流器。

2、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是所述的三个单相的短路故障限流器分别串入a、b、c三相的电源(VA、VB、VC)、a、b、c三相断路器(SW)和a、b、c三相负载(R)之间，构成三相的短路故障限流器。

3、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是所述的单相短路故障限流器并联在耦合变压器(TR)的副边绕组上，耦合变压器(TR)的副边绕组的一端接单相短路故障限流器的第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)的相互连接点，另一端接单相短路故障限流器的第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的相互连接点；耦合变压器(TR)的原边绕组串入交流电源(VAC)、断路器(SW)和负载(R)的串联线路，构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器；三个单相带有耦合变压器的短路故障限流器分别串入a、b、c三相的电源(VA、VB、VC)、a、b、c三相断路器(SW)和a、b、c三相负载(R)之间，构成三相带有耦合变压器的短路故障限流器。

4、一种短路故障限流器，其特征是由第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第一晶闸管(T1)、第二晶闸管(T2)、第三晶闸管(T3)、第四晶闸管(T4)、第五晶闸管(T5)、第六晶闸管(T6)及其限流电感(L0)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电感(L4)组成的三相故障限流器，分别串入a、b、c三相的电源(VA、VB、VC)和a、b、c三相负载(R)之间；其中，第四电感(L4)与由第一二极管(D1)和第二二极管(D2)组成的桥臂串联；第一电感(L1)与由第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)组成的桥臂串联；第二电感(L2)与由第三晶闸管(T3)和第四晶闸管(T4)组成的桥臂串联；第三电感(L3)与由第五晶闸管(T5)和第六晶闸管(T6)组成的桥臂串联；限流电感(L0)一端接于第一电感(L1)、第二电感(L2)、第三电感(L3)以及第四电感(L4)的接点，呈星形连接，限流电感(L0)的另一端接于第二二极管(D2)、第二晶闸管(T2)、第四晶闸管(T4)以及第六晶闸管(T6)的接点，呈星形连接；第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)的连接点、第三晶闸管(T3)和第四晶闸管(T4)的连接点、第五晶闸管(T5)和第六晶闸管(T6)的连接点分别串入a、b、c三相的电源(VA、VB、VC)和a、b、c三相负载(R)，第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的连接点通过断路器(SW)连接在a、b、c三相负载(R)的星形中性点上，构成三相故障限流器。

5、按照权利要求3或4所述的短路故障限流器，其特征是第一耦合变压器(TR1)、第二耦合变压器(TR2)、第三耦合变压器(TR3)三个耦合变压器和三相故障限流器，构成带有耦合变压器的三相故障限流器，接入三相交流线路；其中：第一耦合变压器(TR1)副边绕组的一端接第一晶闸管(T1)和第二晶闸管(T2)的接点，第一耦合变压器(TR1)原边绕组接c相交流电源(VC)和c相负载串联组成c相回路；第二耦合变压器(TR2)副边绕组的一端接第三晶闸管(T3)和第四晶闸管(T4)的接点，第二耦合变压器(TR2)原边绕组接b相交流电源(VB)和b相负载串联组成b相回路；第三耦合变压器(TR3)副边绕组的一端接第五晶闸管(T5)和第六晶闸管(T6)的接点，第三耦合变压器(TR3)原边绕组和a相交流电源(VA)和a相负载串联组成a相回路；所述三个耦合变压器的副边绕组的接地一端呈星形连接；a、b、c三相负载呈星形连接；断路器(SW)一端接第一二极管(D1)和第二二极管(D2)的接点，另一端接三个耦合变压器的副边绕组的星形连接点，构成带有耦合变压器的三相故障限流器。