CN100472913C

CN100472913C - 一种用于输配电网的故障限流器

Info

Publication number: CN100472913C
Application number: CNB021568286A
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: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2022-12-19
Also published as: CN1508937A

Abstract

一种用于输配电网的故障限流器，属于电工技术领域。它安装于电力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器件两两串联后与等效电流源并联组成。本发明效率高，结构简单，运行可靠，不仅解决了电力系统故障电流过大问题，而且还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，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。

Description

一种用于输配电网的故障限流器

技术领域：

本发明涉及一种用于输配电网的故障限流器，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，同时使得短路电流水平日益增高，甚至于有些地方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。

现有技术主要采取的限制电力系统输配电网中的短路电流措施：

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、采用直流联网。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，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。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的，例如中国专利ZL96123001.0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，见图1所示。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等效电流源I_S3和二极管D并联再串联开关SW组成。正常运行时，等效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，当故障电流大于等效电流源的电流值时，二极管截止，等效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，电流为通过等效电流源也即电感单相流通，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，也即这种保护电路不能限制稳态故障电流。并且，若用于输配电网，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得故障电流，开断期间可靠性差；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器，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器由四对两两可控硅器件正反向并联，其中前两对与后两对可控硅器件分别串联后与等效电流源并联组成，连接于电力系统线路出口处断路器的前面。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，从而减小了故障电流对系统的冲击，确保原有的断路器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：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述；

本发明如图2、图3中虚线框所示。在图2单相系统中，本发明连接于电力系统AC线路出口处，与断路器DL相串联。本发明中，四对可控硅器件：第一和第二可控硅器件(T₁、T₂)、第三和第四可控硅器件(T₃、T₄)、第五和第六可控硅器件(T₅、T₆)、第七和第八可控硅器件(T₇、T₈)，每对可控硅器件中的两只可控硅器件正反向并联，其中前两对与后两对可控硅器件分别串联后与等效电流源I_DC并联组成本发明，即：第一可控硅器件T₁和第二可控硅器件T₂正反向并联，第三可控硅器件T₃和第四可控硅器件T₄正反向并联，第五可控硅器件T₅和第六可控硅器件T₆正反向并联，第七可控硅器件T₇和第八可控硅器件T₈正反向并联；第一可控硅器件T₁和第二可控硅器件T₂并联支路与第三可控硅器件T₃和第四可控硅器件T₄并联支路串联，第五可控硅器件T₅和第六可控硅器件T₆并联支路与第七可控硅器件T₇和第八可控硅器件T₈并联支路串联；等效电流源I_DC与上述四对可控硅器件T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈组成的两个串联支路并联。

在图3三相系统中，本发明分别连接于三相A、B与C线路出口处与断路器DL相串联，三相分别由四对正反向并联的可控硅器件：第一和第二可控硅器件T₁、T₂，第三和第四可控硅器件T₃、T₄，第五和第六可控硅器件T₅、T₆，第七和第八可控硅器件T₇、T₈，两两串联后与等效电流源I_DC并联组成，即：第一可控硅器件T₁和第二可控硅器件T₂正反向并联，第三可控硅器件T₃和第四可控硅器件T₄正反向并联，第五可控硅器件T₅和第六可控硅器件T₆正反向并联，第七可控硅器件T₇和第八可控硅器件T₈正反向并联；第一可控硅器件T₁和第二可控硅器件T₂并联支路与第三可控硅器件T₃和第四可控硅器件T₄并联支路串联，第五可控硅器件T₅和第六可控硅器件T₆并联支路与第七可控硅器件T₇和第八可控硅器件T₈并联支路串联；等效电流源I_DC与上述四对可控硅器件T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈组成的两个串联支路并联。

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：四对正反向并联的可控硅器件T₁和T₂，T₃和T₄，T₅和T₆，T₇和T₈，可以双向流通直流和交流，其中可控硅器件T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈也可以是其它的有源电力电子器件，如门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT等。电力系统正常时，等效电流源I_DC流过一大于系统负荷电流峰值的直流，它与并联的第二、第四、第六、第八可控硅器件T₂、T₄、T₆、T₈形成闭合回路，其余的第一、第三、第五、第七可控硅器件T₁、T₃、T₅、T₇脉冲封锁。由于与等效电流源I_DC并联的第二、第四、第六、第八可控硅器件T₂、T₄、T₆、T₈始终导通，若忽略可控硅器件的导通压降，连接于电力系统的本发明电路两端压降为零，相当于处于短接状态，对电力系统无影响。在电力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等效电流源I_DC的直流时，故障电流顺序通过第二可控硅器件T₂、等效电流源I_DC、第八可控硅器件T₈，此时第四可控硅器件T₄与第六可控硅器件T₆过零自然关断，且第一可控硅器件T₁与第七可控硅器件T₇的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流顺序通过第一可控硅器件T₁、—-等效电流源I_DC、—第七可控硅器件—T₇。从下一个周期开始，第一、二、七、八可控硅器件T₁、T₂、T₇与T₈脉冲始终开通，使它们过零即触发，第三、四、五、六可控硅器件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等效电流源I_DC和第一、二、七、八可控硅器件T₁、T₂、T₇与T₈组成的可控硅模块，进行故障限流。同理，若电力系统发生短路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等效电流源I_DC的直流时，故障电流顺序通过第四可控硅器件T₄、等效电流源I_DC、第六可控硅器件T₆，此时第二可控硅器件T₂与第八可控硅器件T₈过零自然关断，且第三可控硅器件T₃与第五可控硅器件T₅的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通，故障电流顺序通过第三可控硅器件T₃、等效电流源I_DC第五可控硅器件T₅。从下一个周期开始，第三、四、五、六可控硅器件T₃、T₄，T₅、T₆脉冲始终开通，使它们过零即触发，第一、二、七、八可控硅器件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等效电流源I_DC和第三、四、五、六可控硅器件T₃、T₄、T₅、T₆组成的可控硅模块，进行故障限流。以上所述可以看出，电力系统正常时流过等效电流源I_DC是一直流，而故障时，等效电流源I_DC双向流过系统电流，这样不仅使得本发明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中的应用实例中，等效电流源由直流电压源和一超导电感HTS-L串联而成，它与四对正反连接后两两串联后的可控硅器件T₁和T₂，T₃和T₄，T₅和T₆，T₇和T₈并联组成，安装在线路出口与断路器DL串联。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。超导电感HTS-L亦可以是普通电感。

本发明的故障限流器采用了一种由正反连接的可控硅器件组成的双向整流桥路和等效电流源也即是电感电流不能突变的方案，系统正常运行时，对系统运行无影响；系统故障后，可限制故障电流峰值和稳态值，既大大减轻了故障电流对系统的冲击，又使得现有断路器可安全的切断故障电流。本发明效率高，结构简单，运行可靠，不仅解决了输配电网，系统故障电流过大问题，而且还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，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。

在—220V单相系统试验中，电感HTS-L的电抗为系统阻抗的2倍，故障电流可以限制到原来故障电流的峰值约55％左右，稳态值约40％左右。

Claims

1、一种用于输配电网的故障限流器，其特征在于四对可控硅器件：第一和第二可控硅器件(T₁、T₂)、第三和第四可控硅器件(T₃、T₄)、第五和第六可控硅器件(T₅、T₆)、第七和第八可控硅器件(T₇、T₈)，每对可控硅器件中的两只可控硅器件正反向并联，其中前两对与后两对分别串联后与等效电流源(I_DC)并联组成故障限流器，即：第一可控硅器件(T₁)和第二可控硅器件(T₂)正反向并联，第三可控硅器件(T₃)和第四可控硅器件(T₄)正反向并联，第五可控硅器件(T₅)和第六可控硅器件(T₆)正反向并联，第七可控硅器件(T₇)和第八可控硅器件(T₈)正反向并联；第一可控硅器件(T₁)和第二可控硅器件(T₂)并联支路与第三可控硅器件(T₃)和第四可控硅器件(T₄)并联支路串联，第五可控硅器件(T₅)和第六可控硅器件(T₆)并联支路与第七可控硅器件(T₇)和第八可控硅器件(T₈)并联支路串联；等效电流源(IDC)与上述四对可控硅器件(T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈)组成的两个串联支路并联，连接于电力系统线路出口处与断路器DL相串联；等效电流源(I_DC)由直流电压源(V_DC)和超导电感(HTS-L)串联而成；电力系统正常运行时，与等效电流源(I_DC)并联的第二可控硅器件(T₂)、第四可控硅器件(T₄)、第六可控硅器件(T₆)、第八可控硅器件(T₈)始终导通，所述的故障限流器处于短接状态，对系统无影响；在电力系统发生短路故障时，若故障电流正向流过故障限流电路，即故障电流顺序通过第二可控硅器件(T₂)、等效电流源(I_DC)、第八可控硅器件(T₈)，当故障电流的瞬时值大于流过等效电流源(I_DC)的直流时，第四可控硅器件(T₄)与第六可控硅器件(T₆)过零自然关断，第一可控硅器件(T₁)与第七可控硅器件(T₇)的脉冲开放，故障电流即可得到限制；若故障电流负向流过故障限流电路时，即故障电流顺序通过第四可控硅器件(T₄)、等效电流源(I_DC)、第六可控硅器件(T₆)，当故障电流的瞬时值大于流过等效电流源(I_DC)的直流时，第二可控硅器件(T₂)与第八可控硅器件(T₈)过零自然关断，第三可控硅器件(T₃)与第五可控硅器件(T₅)的脉冲开放，故障电流即可得到限制。

2、按权利要求1所述的故障限流器，其特征在于可控硅器件(T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇、T₈)亦可以是门极可关断晶闸管GTO、绝缘栅双极型晶体管IGBT。

3、按权利要求1所述的故障限流器，其特征在于构成等效电流源(I_DC)的超导电感(HTS-L)亦可以是普通电感。

4、按权利要求1所述的故障限流器，其特征在于电力系统正常运行时，等效电流源(I_DC)通过与其并联的由第二可控硅器件(T₂)和第四可控硅器件(T₄)组成的支路、由第六可控硅器件(T₆)和第八可控硅器件(T₈)组成的支路形成闭合回路，流过一大于系统负荷电流峰值的直流，其余的第一、第三、第五、第七可控硅器件(T₁、T₃、T₅、T₇)脉冲封锁。

5、按权利要求1所述的故障限流器，其特征在于在电力系统发生短路故障时，若故障电流正向流过故障限流电路，即故障电流顺序通过第二可控硅器件(T₂)、等效电流源(I_DC)、第八可控硅器件(T₈)，此时第四可控硅器件(T₄)与第六可控硅器件(T₆)过零自然关断，且第一可控硅器件(T₁)与第七可控硅器件(T₇)的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通时，故障电流顺序通过第一可控硅器件(T₁)、等效电流源(I_DC)、第七可控硅器件(T₇)；从下一个周期开始，第一、二、七、八可控硅器件(T₁、T₂、T₇、T₈)脉冲始终开通，保证过零即触发，第三、四、五、六可控硅器件(T₃、T₄、T₅、T₆)脉冲始终封锁，直到故障切除，即故障电流正负两个半波始终通过等效电流源(I_DC)和第一、二、七、八可控硅器件(T₁、T₂、T₇、T₈)组成的可控硅模块，进行故障限流。

6、按权利要求1所述的故障限流器，其特征在于若电力系统发生短路故障时，故障电流负向流过故障限流电路时，即故障电流顺序通过第四可控硅器件(T₄)、等效电流源(I_DC)、第六可控硅器件(T₆)，此时第二可控硅器件(T₂)和第八可控硅器件(T₈)过零自然关断，且第三可控硅器件(T₃)和第五可控硅器件(T₅)的脉冲开放，以备故障电流的下一个半波时导通时，故障电流顺序通过第三可控硅器件(T₃)、等效电流源(I_DC)、第五可控硅器件(T₅)；从下一个周期开始，第三、四、五、六可控硅器件(T₃、T₄、T₅、T₆)脉冲始终开通，保证过零即触发，第一、二、七、八可控硅器件(T₁、T₂、T₇、T₈)脉冲始终封锁，直到故障切除，即故障电流正负两个半波分别通过等效电流源(I_DC)和第三、四、五、六可控硅器件(T₃、T₄、T₅、T₆)组成的可控硅模块，进行故障限流。