CN101174771A - 故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

故障电流限制器，属于电力系统的短路限流保护装置，目的在于克服现有技术在偏置电流源设计方面的不足之处，减少正常运行时限流装置的电阻损耗。本发明包括变压器，变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路，可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小，短路电流能被快速地限制在一定水平上。本发明运行损耗低，结构简单，响应迅速，有利于减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投资。

Description

故障电流限制器

技术领域

本发明属于电力系统的短路限流保护装置，特别涉及一种故障电流限制器。

背景技术

为有效抑制短路故障给电力系统及用户带来的巨大危害，保证电力系统运行的安全性、可靠性和稳定性，必须采取行之有效的方法限制短路电流，切断故障线路。传统的限流措施主要有以下形式：

(1)发展高电压等级的电力系统，将低电压等级电力系统解列分片运行。这种措施可以有效抑制系统短路(电流)容量，但将降低电网供电可靠性和运行灵活性，同时建造高一级电压的环网不仅复杂、造价昂贵，而且涉及到环境电磁污染问题。

(2)采用多母线运行或母线分段运行。对控制短路电流增长也很有效，但并非电网发展的趋势，不能实现电网能源的最优配置。

(3)采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用，但其反应速度较慢，不利于电网的稳态和暂态稳定，且对电网的瞬间电动力没有任何抑制作用；另一方面，熔断式保护器一般是一次性的，给电网的维护以及自动化带来不便。

(4)采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看，这种方案存在一定的局限性。一方面，超大容量断路器在技术上存在相当的难度，另一方面，系统短路电流和断路器设备遮断容量太大会加重并联设备的技术要求，是不经济的。

以上几种限流措施从原理到应用方式上都有所区别，均可以不同程度上实现对短路电流的约束和限制。但与此同时，它们又存在着各自的缺陷和不足，并以另一种形式对电网产生了不利的影响。为此，人们提出了故障限流器的概念，并开展了大量的研究工作。

华中科技大学申请的申请号为“200410013346.1”的《直流超导故障限流器》，该直流超导故障限流器在正常运行时，对直流系统的运行没有任何影响；而当系统发生故障时，该直流超导故障限流器能在短路后0.1s时间内将故障电流限制在正常值的2～3倍，具有良好的限流效果，且不会产生过电压。该限流器采用电压源与电阻相串联来提供偏置电流，在运行过程中会产生一定的电阻损耗，该损耗与电流的平方成正比，当直流系统的运行电流水平较高时，偏置源所产生的损耗就会很大，会影响系统运行的经济性。

发明内容

本发明提供一种故障电流限制器，目的在于克服现有技术在偏置电流源设计方面的不足之处，减少正常运行时限流装置的电阻损耗。

本发明的一种故障电流限制器，包括变压器，变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路，其特征在于：可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小。

所述的故障电流限制器，其特征在于：所述变压器一次侧线圈和二次侧线圈的材料为超导材料。

所述的故障电流限制器，其特征在于：所述可控开关为断路器开关、电力电子开关或者PWM变流器。

本发明在电路结构中用可控开关并联限流电阻的方式来代替偏置电压源和串联电阻，正常运行时，可控开关处于闭合状态，本发明故障电流限流器呈现低阻抗，对系统不产生影响；当发生短路故障后，控制可控开关处于断开状态，使故障电流限流器呈现大阻抗来抑制故障电流的上升。串联变压器的铁心一直工作在非饱和区域，所以该限流器在系统中为一线性阻抗，不会产生谐波。当发生故障时，通过可控开关迅速开断，由于限流电阻的存在，不会产生过电压。可控开关的合适选取能有效保证限流器的动态响应特性。由于是在二次侧线圈实现开断和闭合等操作，通过变压器的隔离，可以方便地选择变比来确定可控开关的电压电流等级，从而使限流器的性价比最优。该限流器可以立刻把大的短路电流限制在比较低的水平，该限流器运行损耗低，结构简单，响应迅速，有利于减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投资。

附图说明

图1为本发明应用于交流电力系统的电路示意图；

图2为本发明应用于交流电力系统的等效电路图；

图3(a)为本发明实施例1应用于交流系统的变压器一次侧系统电流is的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为系统电流i_s(A)；并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较。

图3(b)为本发明实施例1应用于交流系统的变压器一次侧电压u₁的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为变压器一次侧电压u₁(V)；

图3(c)为本发明实施例1应用于交流系统的变压器二次侧电压u₂的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为变压器二次侧电压u₂(V)；

图4(a)为本发明实施例1同主断路器配合时主断路器上流过的电流波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为主断路器上流过的电流i_CB(A)，并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较；

图4(a)为本发明实施例1同主断路器配合时主断路器开断线路时的暂态恢复电压波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为主断路器上暂态恢复电压U_TRV(V)，并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较。

图5为本发明实施例2应用于交流电力系统的电路示意图；

图6为本发明实施例2应用于交流系统的变压器一次侧系统电流i_s的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为系统电流i_s(A)；并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较。

图7为本发明实施例1和实施例2的限流波形比较图。横坐标为时间(s)，纵坐标为系统电流i_s(A)；

具体实施方式

由图1所示，本发明包括变压器1、限流电阻R及可控开关S，变压器1的结构为，在铁心上绕制一次侧线圈W1、二次侧线圈W2，一次侧线圈W1串联接入交流系统，交流系统的等效电压源U_s，线路阻抗和负载阻抗分别为Z₁，Z₂，主断路器CB。可控开关S并联限流电阻R之后同二次侧线圈W2相连。变压器1的铁心工作在线性区，通过控制可控开关的闭合和断开来调节限流器串接入系统的限流阻抗。

基于变压器的等效电路关系，本发明应用于交流电力系统的等效电路如图2所示，L₁，R₁，L₂，R₂分别是变压器一次侧线圈W1和二次侧线圈W2的自感和电阻，R_m，M为线圈之间的励磁电阻和互感，在此采用超导变压器模型，省略掉线圈电阻R₁，R₂和励磁电阻R_m。当系统正常运行时，可控开关处于闭合状态。根据图2可以得出，此时限流器呈现的阻抗Z_SFCL＝jω(L₁L₂-M²)/L₂，由于 $M=k\sqrt{L_1{L}_2}$ (其中k为耦合系数)，故有Z_SFCL＝jω(1-k²)L₁。在耦合非常好的情况下，k可以近似为1，此时该限流器接入系统的阻抗非常之小，相对于电网来说完全能够忽略不计，对系统没有影响。

当发生短路故障时，系统电流开始上升，感应到二次侧的电流也会有所增加。当系统电流上升至一定阈值，控制可控开关处于断开状态，限流电阻以及变压器的电感一同接入系统主回路来限制故障电流，限流阻抗为 $Z_{\mathrm{SFCL}}=\mathrm{j\ω}{L}_1+\frac{{\mathrm{\ω}}^2{M}^2}{R+\mathrm{j\ω}{L}_2}.$ 由此可见，Z_SFCL的幅值和相位由限流电阻R和超导线圈自感L₁，L₂共同决定，限流阻抗中的阻性成分还能够抑制短路电流的稳态值。

实施例1，变压器选用常导变压器，可控开关S选用断路器开关，限流电阻选用线性电阻，负载回路的交流电源为理想电压源。结构参数如下：U_s＝220sinωt V，变压器线圈的自感和互感为L₁＝L₂＝20mH，M＝19.6mH，变压器线圈的电阻和励磁电阻为R₁＝R₂＝0.5Ω，R_m＝0.49Ω，线路阻抗Z₁＝(0.19+2.16j)Ω，负载阻抗为Z₂＝15+2jΩ，限流电阻R＝8Ω，工频f＝50Hz。

图3(a)、(b)、(c)所示为实施例1应用于交流系统的限流波形图，在此为看出限流效果，故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0～0.038s时间内，交流电力系统正常运行，在0.038s～0.1s时间内，交流电力系统发生短路故障。

如图3(a)所示，粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流i_s，细虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流i_s。系统的正常运行时电流峰值为14A，当发生短路故障时，如果系统中没有安装限流装置，如粗实线所示，电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统中安装了限流器之后，当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为20A)，控制断路器开关S断开，开始限流运行。如细虚线所示，在故障发生后的第一个周期内能把系统电流的峰值限制在45.8A左右，限流效果非常明显。

图3(b)和图3(c)所示为限流器运行过程中变压器一次侧输出电压u₁和二次侧输出电压u₂。从图中可以看出，当系统正常运行时，变压器一次侧输出电压u₁的峰值为3.5V，二次侧输出电压u₂的峰值为0.1V，相比较于系统电压220V，u₁基本上对正常运行没有影响；当发生短路故障时，检测到系统电流大于一定阈值，操作断路器开关S断开线路，变压器一次侧和二次侧输出电压的u₁、u₂的峰值分别上升至155V及150V，且并没有产生过电压现象。

图4(a)、(b)为实施例1同主断路器CB配合的波形电路图，t＝0.05s时令主断路器CB动作开断系统主回路。

如图4(a)所示，粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上流过的电流，细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上流过的电流。可以看出，有故障电流限制器之时流过主断路器的电流相比较没有之时要小很多，有利于降低主断路器的遮断容量。

如图4(b)所示，粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上的暂态恢复电压，细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上的暂态恢复电压波形。可见因为限流装置的引入，降低了暂态恢复电压的波动。没有安装限流装置之时，通过主断路器CB直接开断线路，初始暂态恢复电压的峰值可以达到320V，加装了限流器之后，能将其限制在120V左右，效果非常明显，从开关电器的灭弧角度来说，这是非常有利的。

实施例2，变压器选用超导变压器，可控开关S选用电力电子开关。实施例2应用于交流电力系统的电路示意图如图5所示，结构参数如下：U_s＝220sinωt V，超导变压器线圈的自感和互感为L₁＝L₂＝20mH，M＝19.6mH，在此省略掉线圈电阻和励磁电阻。线路阻抗Z₁＝(0.19+2.16j)Ω，负载阻抗为Z₂＝15+2jΩ，电力电子开关选用两个反向并联的绝缘门极双极型晶体管(IGBT)：T1和T2，限流电阻R＝8Ω，工频f＝50Hz。

正常运行时，T1和T2处于交互导通状态，限流电阻R被短接，限流器呈现低阻抗，对电力系统无影响。

发生短路故障后，当检测到一次侧的系统电流上升至一定阈值，控制T1和T2关断。限流电阻同超导线圈一同接入系统主回路，来抑制短路大电流。

图6所示为本发明实施例2应用于交流电力系统的限流波形图，在此为看出限流效果，故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0～0.038s时间内，交流电力系统正常运行，在0.038～0.1s时间内，交流电力系统发生短路故障。

图6所示，粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流i_s，细虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流i_s。系统的正常运行时电流峰值为14A，当发生短路故障时，如果系统中没有安装限流装置，如粗实线所示，电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统中安装了限流器之后，当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为20A)，控制T1、T2关断，开始限流运行。如细虚线所示，在故障发生后的第一个周期内能把系统电流的峰值限制在43.8A左右，限流效果非常明显。

图7所示为本发明实施例1和实施例2的限流波形比较图。粗实线表示实施例1应用于交流电力系统的电流i_s，细虚线表示实施例2应用于交流电力系统的电流i_s。在限流效果和响应速度的比较上，实施例2要略强于实施例1。实施例2采用电力电子开关，响应时间短，在得到控制信号之后T1、T2可以马上关断，开始限流运行。实施例1选取断路器开关作为可控开关则需要等到电流过零的时候才关断线路，中间会存在一定的响应延迟。超导变压器的引入有助于提高限流器运行效率，降低装置损耗，增强限流能力。

Claims (3)

1.一种故障电流限制器，包括变压器，变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路，其特征在于：可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小。

2.如权利要求1所述的故障电流限制器，其特征在于：所述变压器一次侧线圈和二次侧线圈的材料为超导材料。

3.如权利要求1或2所述的故障电流限制器，其特征在于：所述可控开关为断路器开关、电力电子开关或者PWM变流器。

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