CN101521373A - 短路电流限制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种短路电流限制装置及方法。它减小了短路电流过零点处周围区段的电流值，加长了电流过零点处周围小电流区段的时间，使短路电流限制器体积减小、短路电流限制器制造成本降低，电力系统正常运行时损耗较小。其结构为：它包括磁饱和电抗器铁芯I、II，在磁饱和电抗器铁芯I上安装磁饱和电抗器线圈L1和直流线圈L2；在磁饱和电抗器铁芯II上安装磁饱和电抗器线圈L3和直流线圈L4；一个电流互感器，电流互感器有一次侧绕组L5和二次侧绕组L6；一个由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路，另一个由二极管D5、D6、D7、D8组成的全桥整流电路；一个电容C；一个控制电路；一个晶闸管D9；两个三端双向晶闸管开关模块D10、D11；一个电阻R。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统送变电领域，特别涉及一种短路电流限制装置及方法。
背景技术
电能已经成为工业、农业、国防、交通等部门不可缺少的动力。随着电力系统的不断发展，发电容量的不断上升，电力系统发生短路引起的短路电流很大。电力系统发生短路引起的短路电流对电力系统的危害是很大的。继电保护可在电力系统发生短路时自动切断短路电流。继电保护装置通过保护安装处电压互感器TV和电流互感器TA送来的电气量测量电力系统是否发生短路，当电力系统发生短路时，发出跳闸命令，使断路器跳闸。断路器切断短路电流的能力有限制，短路电流超过断路器最大切断电流值时，断路器无法切断短路电流。断路器是在电流过零点处切断交流电流，断路器最大切断电流值与电流过零点处电流上升速度直接有关；短路电流越大，电流过零点处电流上升速度越快，越不利电流电弧的熄灭。因此，减小电流过零点处周围区段的电流值、加长电流过零点处周围小电流区段的时间，可提高断路器切断最大短路电流值，可减小断路器切断短路电流时的灭弧时间。从而提高电力系统的稳定性，减小电力设备在短路时的损害程度。
近年来研究限制短路电流的方法与装置(也称电流限制器)成为热门课题。但是，大部分研究和专利还局限在理论研究、实验室样机、以及在电压等级不是太高的实际系统试运行。
利用超导材料构成电流限制器。超导材料在流过正常负荷电流时，呈现零电阻；串联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，超导材料流过很大电流，超导材料呈现大电阻；串联在输电线路中的电流限制器对短路电流起限制作用，减小短路电流。超导材料构成电流限制器的缺点是：机构复杂、价格昂贵、超导材料技术不成熟、超导材料呈现大电阻时的散热问题。
利用串联谐振原理构成电流限制器。电感线圈与电容器串联谐振时，呈现小电阻；串联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，控制模块测到短路电流，控制并联于电容器两端的阀晶闸管导通；电容器失效；串联在输电线路中的电感线圈对短路电流起限制作用，减小短路电流。串联谐振原理构成电流限制器的缺点是：电容器组体积大，用地面积大，运行维护困难，价格昂贵、串联谐振引起电力系统过电压，以及阀晶闸管耐短路电流的问题。
利用磁饱和电抗器铁芯的饱和特性构成电流限制器。在磁饱和电抗器铁芯上增加一组直流线圈，电力系统正常运行时，直流电源给直流线圈提供直流电流，使磁饱和电抗器的铁芯深度饱和。磁饱和电抗器的铁芯深度饱和时，磁饱和电抗器呈现小电抗；串联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，控制模块切断直流线圈的直流电流，磁饱和电抗器的铁芯脱离饱和；磁饱和电抗器呈现很大电抗。串联在输电线路中的磁饱和电抗器对短路电流起限制作用，减小短路电流。现有磁饱和电抗器电流限制器的缺点是：给直流线圈提供直流电流的电路复杂；相应的设备技术要求高；设备体积大，设备造价高；等等。
现有电流限制器以限制大电流幅值为主要目的，因此，存在设备体积大、设备造价高的现状。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种减小短路电流，特别是减小短路电流过零点处周围区段的电流值、加长电流过零点处周围小电流区段的时间、短路电流限制器体积减小、短路电流限制器制造成本降低、电力系统正常运行时损耗较小的短路电流限制装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种短路电流限制装置，它包括：
磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II，在磁饱和电抗器铁芯I上安装有磁饱和电抗器线圈L1和直流线圈L2；在磁饱和电抗器铁芯II上安装有磁饱和电抗器线圈L3和直流线圈L4；其中磁饱和电抗器线圈L1一端与磁饱和电抗器线圈L3一端串联，直流线圈L2一端与直流线圈L4一端串联；磁饱和电抗器线圈L1另一端与输入端子连接；
一个电流互感器，它包括一次侧绕组L5和二次侧绕组L6，一次侧绕组L5一端与输入端子连接，另一端接地；
并联的整流电路I和整流电路II；其中，整流电路I与电流互感器的二次侧绕组L6两端连接；整流电路II分别与磁饱和电抗器线圈L3和输出端子连接；整流电路I和整流电路II的并联端与直流线圈L2和直流线圈L4连接；
一个控制电路，其输入端与控制电路输入端子连接，其输出端分别经晶闸管模块I与整流电路I连接；经晶闸管模块II与整流电路II连接；经晶闸管模块III与整流电路I和整流电路II并联端连接。
所述整流电路I是由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；整流电路II是由二极管D5、D6、D7、D8组成的全桥整流电路；整流电路I和整流电路II输出端并联，同时该并联端还分别并联电容C以及晶闸管模块III。
所述磁饱和电抗器线圈L1的同名端与输入端子连接，磁饱和电抗器线圈L1的异名端连接磁饱和电抗器线圈L3的同名端，磁饱和电抗器线圈L3的异名端与整流电路II的一个输入端连接，整流电路II的另一输入端与输出端子连接；
所述直流线圈L2的同名端连接直流线圈L4的同名端，直流线圈L2的异名端与直流线圈L4的异名端与整流电路I和整流电路II并联端连接。
所述电流互感器二次侧绕组L6与整流电路I的输入回路连接。
所述晶闸管模块I为三端双向晶闸管开关模块D10，它与整流电路I的输入端并联；
晶闸管模块II为三端双向晶闸管开关模块D11，它与整流电路II的输入端并联；三端双向晶闸管开关模块D10和三端双向晶闸管开关模块D11的控制端分别与控制电路输出端连接；
晶闸管模块III为晶闸管D9，它的正极与整流电路II的正极连接，负极与一个电阻连接，电阻的另一端与整流电路II的负极连接，晶闸管D9的控制端与控制电路连接。
所述磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II均为具有饱和特性的口字型结构。
所述磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数与结构相同，且分别绕在磁饱和电抗器铁芯I与II上；所述直流线圈L2、L4匝数与结构相同，直流线圈L2绕在磁饱和电抗器铁芯I上，直流线圈L4绕在磁饱和电抗器铁芯II上；所述直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器线圈L1、L3的匝数。
所述电流互感器一次侧绕组L5的匝数大于二次侧绕组L6。
所述输入端子接电源，输出端子接输电回路。
一种短路电流限制装置的工作方法，它的方法为：
短路电流限制装置投入正常运行的电力系统时，电流互感器将输电回路电压提供的电流送全桥整流电路I，全桥整流电路I将电流整流后给磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4提供直流电流，两直流线圈中的直流电流使两磁饱和电抗器铁芯轻度饱和；同时，输电回路的电流经另一个全桥整流电路II整流后也给磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4提供直流电流；则不论输电回路的负荷电流大小，磁饱和电抗器铁芯始终处于饱和状态；
当电力系统短路时，控制电路如果没有接到继电保护的跳闸命令，控制电路输出为零；两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管截止；
当电力系统短路时，控制电路如果接到限制短路电流命令，控制电路输出指令给两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管；控制电路控制两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管导通；两个磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态；当短路电流处于过零点处周围区段时，两磁饱和电抗器铁芯处于非饱和状态；当短路电流增大时，两磁饱和电抗器线圈中的交流电流的瞬时值使两磁饱和电抗器铁芯再次进入饱和状态。
本发明提供了一种减小短路电流过零点处周围区段的电流值、加长电流过零点处周围小电流区段的时间，电力系统正常运行时损耗较小的短路电流限制装置及方法。
本发明的有益效果是：短路电流限制器体积减小、短路电流限制器制造成本降低、电力系统正常运行时损耗较小，断路器切断最大短路电流值得到提高，断路器切断短路电流的灭弧时间减小。
附图说明
图1表示短路电流限制装置结构与连接方式；
图2表示口字型磁饱和电抗器铁芯的饱和特性。
其中，1.磁饱和电抗器铁芯I，2.磁饱和电抗器铁芯II，3.电流互感器，4.控制电路，5.输入端子，6.输出端子，7.接地端子，8.控制电路输入端子。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
短路电流限制装置结构与连接方式如图1所示。装置串联接入输电线路，输入端子5接断路器，输出端子6接输电回路，接地端子7接地。电力系统正常运行时，断路器闭合，短路电流限制装置获得输电回路电压。电流互感器3一次侧绕组L5的其中一端连接输入端子5，另一端连接接地端子7，输电回路电压给电流互感器3一次侧绕组L5送电；电流互感器3二次侧绕组L6经二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路I给磁饱和电抗器直流线圈L2、L4送直流电流。磁饱和电抗器直流线圈L2、L4对直流电的电抗为零，磁饱和电抗器直流线圈L2、L4对直流电有电阻，电阻很小；加大磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的直径，可进一步减小电阻。磁饱和电抗器直流线圈L2、L4对于电流互感器3二次侧绕组L6相当短接。电流互感器3通过一、二次侧线圈变比增大二次侧绕组L6电流，减小一次侧绕组L5电流；减小一次侧绕组L5电流，可减小短路电流限制装置对电力系统的影响。设计电流互感器二次侧绕组L6的电流，以达到送入磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的电流使磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II初始进入饱和状态，如图2中Is。
二极管D5、D6、D7、D8组成的全桥整流电路II，输电回路的电流经整流电路II的整流后也给磁饱和电抗器直流线圈L2、L4提供直流电流；输电回路的负荷电流小，输电回路电流给磁饱和电抗器直流线圈L2、L4提供的直流电流就小；输电回路的负荷电流大，输电回路电流给磁饱和电抗器直流线圈L2、L4提供的直流电流就大。不论输电回路的负荷电流大小，磁饱和电抗器铁芯I、II始终处于饱和状态；磁饱和电抗器铁芯I、II处于饱和状态，磁饱和电抗器线圈L1、L3对输电回路的阻抗很小。直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器线圈L1、L3的匝数，以保证输电回路输入磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的直流电流值Id乘以直流线圈L2匝数N2的安匝值IdN2大于输电回路负荷电流的峰值Im乘以磁饱和电抗器线圈L1匝数NI的安匝值IdN1。
由于直流线圈L2、L4中的直流电流有自我调节能力，负荷电流小时，直流线圈L2、L4中的直流电流自动减小，可减低电力系统正常运行时的损耗。特别是有效降低了电流互感器3二次线圈L6中的电流，减小了电流互感器3的体积，减小了制造成本。
与全桥整流电路并联的电容C，用以减小磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中直流电流的波动。
电力系统短路时，控制电路4如果从控制电路输入端子8没有接到继电保护的跳闸命令，则控制电路4没有输出；两个三端双向晶闸管开关模块D10、D11和一个晶闸管D9处于断开状态。磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2处于饱和状态，磁饱和电抗器线圈L1、L3对输电回路的阻抗很小。
电力系统短路时，控制电路4如果从控制电路输入端子8接到继电保护的跳闸命令，则控制电路4输出指令给两个三端双向晶闸管开关模块D10、D11和一个晶闸管D9；控制电路4控制两个三端双向晶闸管开关模块D10、D11和一个晶闸管D9导通，使磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中直流电流下降为零；磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2脱离饱和状态；当短路电流处于过零点处周围区段时，磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2处于非饱和状态，磁饱和电抗器线圈L1、L3对输电回路的阻抗很大，使短路电流处于过零点处周围区段的电流值更小；当短路电流增大时，两磁饱和电抗器线圈中的交流电流的瞬时值使磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2再次进入饱和状态，磁饱和电抗器线圈L1、L3对短路电流没有限制；短路电流很大。
磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中直流电流为零条件下，如果磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数多，流过线圈L1、L3电流就小，使磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2不易饱和；如果磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数少，流过线圈L1、L3电流就大，磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2易饱和。磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数多，优点是可大幅度限制短路电流；缺点是设备体积大、设备造价高。反之，磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数少，缺点是限制短路电流作用有限；优点是设备体积减小、设备造价降低。不论磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数多少，短路电流过零点处周围区段的电流值都可减小；磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数少，小电流值的时间区段短；磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数多，小电流值的时间区段长。因此，通过减少磁饱和电抗器线圈L1、L2、L3、L4匝数，减小磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2的截面积，可减小短路电流限制装置的体积，可降低电流限制装置的制造成本。
与晶闸管D9串接的电阻R，其目的是在晶闸管D9导通时，限制导通电流，以免过大的电流流过晶闸管模块，使晶闸管模块损坏。
磁饱和电抗器线圈L1在磁饱和电抗器铁芯I1中产生工频磁通，该工频磁通在直流线圈L2产生感生电动势；磁饱和电抗器线圈L3在磁饱和电抗器铁芯II2中产生工频磁通，该工频磁通在直流线圈L4产生感生电动势；直流线圈L2的工频感生电动势与直流线圈L4的工频感生电动势相减为零，磁饱和电抗器线圈L1、L3的交流电流对直流回路不产生影响。
控制电路4可以从端子8接收继电保护的跳闸命令，也可接收其他测控装置的限制短路电流命令。
三端双向晶闸管开关模块D11可用磁饱和电抗器代替；当D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端电压大于最大负荷电流在D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端所产生的电压时，磁饱和电抗器开始饱和。
三端双向晶闸管开关模块D11可用大功率稳压管代替；当D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端电压大于最大负荷电流在D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端所产生的电压时，大功率稳压管稳压。
三端双向晶闸管开关模块D11和晶闸管模块D9可分别用大功率控制开关管代替；当D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端电压大于最大负荷电流在D5、D6、D7、D8全桥整流电路输入端所产生的电压时，大功率控制开关管导通；否则，大功率控制开关管截止。
磁饱和电抗器直流线圈L2、L4可用同时绕在磁饱和电抗器铁芯I1和磁饱和电抗器铁芯II2的一个直流线圈代替，这一个直流线圈的匝数是磁饱和电抗器直流线圈L2匝数与L4匝数之和。
电流互感器3可用高压电磁式电压互感器与低压电流互感器的组合代替。
所述短路电流限制装置各部件可用现有技术设计制造，完全可以实现，有广阔应用前景。
Claims (10)
1.一种短路电流限制装置，其特征是，它包括：
磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II，在磁饱和电抗器铁芯I上安装有磁饱和电抗器线圈L1和直流线圈L2；在磁饱和电抗器铁芯II上安装有磁饱和电抗器线圈L3和直流线圈L4；其中磁饱和电抗器线圈L1一端与磁饱和电抗器线圈L3一端串联，直流线圈L2一端与直流线圈L4一端串联；磁饱和电抗器线圈L1另一端与输入端子连接；
一个电流互感器，它包括一次侧绕组L5和二次侧绕组L6，一次侧绕组L5一端与输入端子连接，另一端接地；
并联的整流电路I和整流电路II；其中，整流电路I与电流互感器的二次侧绕组L6两端连接；整流电路II分别与磁饱和电抗器线圈L3和输出端子连接；整流电路I和整流电路II的并联端与直流线圈L2和直流线圈L4连接；
一个控制电路，其输入端与控制电路输入端子连接，其输出端分别经晶闸管模块I与整流电路I连接；经晶闸管模块II与整流电路II连接；经晶闸管模块III与整流电路I和整流电路II并联端连接。
2.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述整流电路I是由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；整流电路II是由二极管D5、D6、D7、D8组成的全桥整流电路；整流电路I和整流电路II输出端并联，同时该并联端还分别并联电容C以及晶闸管模块III。
3.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电抗器线圈L1的同名端与输入端子连接，磁饱和电抗器线圈L1的异名端连接磁饱和电抗器线圈L3的同名端，磁饱和电抗器线圈L3的异名端与整流电路II的一个输入端连接，整流电路II的另一输入端与输出端子连接；
所述直流线圈L2的同名端连接直流线圈L4的同名端，直流线圈L2的异名端与直流线圈L4的异名端与整流电路I和整流电路II并联端连接。
4.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述电流互感器二次侧绕组L6与整流电路I的输入回路连接。
5.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述晶闸管模块I为三端双向晶闸管开关模块D10，它与整流电路I的输入端并联；
晶闸管模块II为三端双向晶闸管开关模块D11，它与整流电路II的输入端并联；三端双向晶闸管开关模块D10和三端双向晶闸管开关模块D11的控制端分别与控制电路输出端连接；
晶闸管模块III为晶闸管D9，它的正极与整流电路II的正极连接，负极与一个电阻连接，电阻的另一端与整流电路II的负极连接，晶闸管D9的控制端与控制电路连接。
6.如权利要求3所述的短路电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II均为具有饱和特性的口字型结构。
7.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数与结构相同，且分别绕在磁饱和电抗器铁芯I与II上；所述直流线圈L2、L4匝数与结构相同，直流线圈L2绕在磁饱和电抗器铁芯I上，直流线圈L4绕在磁饱和电抗器铁芯II上；所述直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器线圈L1、L3的匝数。
8.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述电流互感器一次侧绕组L5的匝数大于二次侧绕组L6。
9.如权利要求1所述的短路电流限制装置，其特征是，所述输入端子接电源，输出端子接输电回路。
10.一种采用权利要求1所述的短路电流限制装置的工作方法，其特征是，它的方法为：
短路电流限制装置投入正常运行的电力系统时，电流互感器将输电回路电压提供的电流送全桥整流电路I，全桥整流电路I将电流整流后给磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4提供直流电流，两直流线圈中的直流电流使两磁饱和电抗器铁芯轻度饱和；同时，输电回路的电流经另一个全桥整流电路II整流后也给磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4提供直流电流；则不论输电回路的负荷电流大小，磁饱和电抗器铁芯始终处于饱和状态；
当电力系统短路时，控制电路如果没有接到继电保护的跳闸命令，控制电路输出为零；两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管截止；
当电力系统短路时，控制电路如果接到限制短路电流命令，控制电路输出指令给两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管；控制电路控制两个三端双向晶闸管开关模块和一个晶闸管导通；两个磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态；当短路电流处于过零点处周围区段时，两磁饱和电抗器铁芯处于非饱和状态；当短路电流增大时，两磁饱和电抗器线圈中的交流电流的瞬时值使两磁饱和电抗器铁芯再次进入饱和状态。
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