CN102623982A - 一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器，采用三相多绕组变压器作为限流器接入电网主电路的接口器件，正常运行时接于最外层和最内层绕组的三相桥路全开通，最外层和最内层绕组等效于“短接”，对中间层绕组形成磁屏蔽，从而将限流器压降限制在很低的水平，限流器对系统的影响可以忽略；故障时，多绕组变压器各层绕组按各自电抗值分压，可有效降低整流桥路中晶闸管的电压等级及限流器整体成本。本发明所公开的固态限流器更适于在高压电网中进行工业化应用。<u/>

Description

一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器

技术领域

本发明涉及一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器，特别适合作为高压电网的故障限流装置。

背景技术

应用于电力系统的短路限流器,一般须满足以下几点要求: 

1 正常运行时低阻抗或零阻抗，对系统影响很小或可忽略不计；

2能快速响应短路故障；

3 故障限流时能通过限流阻抗将短路电流限制在预设值以内；

4 体积小，重量轻，成本低。

在中低压电网，目前常见的几款限流器，如饱和式限流器、固态限流器及超导限流器都有一定的应用前景，但在高压电网中，较高的电压等级及短路容量，则对以上限流器的应用造成技术或经济方面的瓶颈。目前在高压电网限流领域，较有应用前景的为串联谐振式限流器，其拓扑结构如图1所示，为防止过电压，避雷器1与电容器2并联，正常运行时，与电容器2并联的晶闸管3关断，电容器2与电感4发生串联谐振，限流器等效阻抗接近于零；线路发生短路故障时，晶闸管3被触发开通，电容器2通过阻尼电路5被旁路，电感4串入线路限制短路电流。该限流器的优点在于正常运行时，由于电容与电感发生串联谐振，串入线路的阻抗基本接近于零短路故障时，，对系统几乎无影响，且晶闸管处于关断状态，损耗较小，无需散热装置。但其缺点也很显著：系统发生要求晶闸管尽快触发开通，否则在电容与晶闸管之间会形成较大的电压与电流振荡，电容与晶闸管的工况将十分恶劣，这对控制系统提出了很高的要求；晶闸管需要在故障时的恶劣环境下可靠开通，但开通可靠性却不能保证。

中国专利200420022582.5公开的一种新型电力电子型短路限流器，如图2所示，则很好的解决了以上串联谐振式限流器所存在的问题，正常运行时与耦合变压器TR3副边并联的由晶闸管S1、S2、S3、S4、S5及S6组成的三相桥路全开通，副边等效于“短接”，限流器等效阻抗仅为变压器原边漏抗，对系统影响很小；系统发生短路故障时，直流电抗器L3无延时自动插入，限制短路电流，当控制器监测到线路故障后，在半个周波内关断副边桥路，副边绕组开路，此时限流器等效于一电抗器串入线路限制故障电流。在限流过程中，限流器快速响应故障，且不会发生大幅电磁振荡，能确保可靠限流。但若该限流器用于高压系统，短路故障发生后，限流器需要承担全部或部分系统电源电压，虽然限流时由于耦合变压器工作于深饱和状态，副边电压低于原边电压，但由于系统本身电压等级较高，副边桥路所须承担的电压等级也是相当可观的，这导致限流器成本较高，直接影响到其在高压电网中的工程应用。

发明内容

本发明提出了针对现有技术的不足，提出了一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器。本发明包括两种方案。

方案1

本发明提出的三相多绕组变压器耦合型固态限流器由三相多绕组变压器及三相限流桥路组成。

所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，可采用铁芯式或空心式两种结构。

三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间。

三相多绕组变压器的每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成三相主回路绕组，三相主回路绕组串接于三相系统电源和线路负荷之间，三相多绕组变压器的最外层三相绕组采用Y型联接，出线端分别接至三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点，中性点与三相限流桥路中续流桥臂的中点相连，三相多绕组变压器的最内层三相绕组也采用Y型联接，出线端分别与另一三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点相连，中性点与对应三相限流桥路中续流桥臂中点相连；

方案2

本发明提出的三相多绕组变压器耦合型固态限流器由三相多绕组变压器及三相限流桥路组成。

所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，可采用铁芯式或空心式两种结构。

三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间。

三相多绕组变压器的每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成每相主回路绕组，串接于三相系统电源和线路负荷之间，每相最外层绕组与最内层绕组顺向串联，构成屏蔽绕组，三相多绕组变压器的三相屏蔽绕组采用Y型联接，出线端分别接至三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点，中性点与三相限流桥路中续流桥臂的中点相连。 

本发明的有益效果：

1、作为限流器核心器件的三相多绕组变压器，在系统正常运行时电压降很低，对系统影响可以忽略。

2、由于绕组采用分层结构，系统故障时桥路中晶闸管的电压等级可得到有效降低，绕组层数越多，则桥路晶闸管电压等级越低，这十分有利于该限流器在高压电网中的应用。

3、限流器中若采用空心结构变压器，内侧桥路中晶闸管电压等级可进一步得到降低，桥路中直流电抗器的容量也随最内侧绕组电压-时间面积积分的减小而大大减小，这十分有利用降低限流器的成本。

附图说明

图1 串联谐振式限流器拓扑结构；

图2 为新型电力电子型短路限流器；

图3 为方案1的多绕组变压器耦合桥式固态限流器拓扑结构；

图4为方案2的多绕组变压器耦合桥式固态限流器拓扑结构。

具体实施方式

本发明的具体实施方法如下：

如图3所示，本发明的三相多绕组变压器耦合型固态限流器，由三相多绕组变压器及第一三相限流桥路和第二三相限流桥路组成。

三相多绕组变压器每相绕组均由多层绕组同轴安装而成，可采用铁心式或空心式两种结构，每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，且最外层三相绕组和最内层三相绕组均采用Y型联接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成每相主回路绕组，三相主回路绕组分别串接于系统电源Ua、Ub、Uc与负荷Zload1、Zload1、Zload3之间。

第一三相限流桥路包括晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相整流桥、由晶闸管T7、T8顺向串接而组成的续流桥臂以及直流电抗器Ld1,三相整流桥中，位于上桥臂的T1、T3、T5共阴极连接，位于下桥臂的晶闸管T4、T6、T2共阳极联接，三相整流桥各桥臂中点分别与三相变压器中最外层三相绕组的的出线端相连，续流桥臂的中点与最外层三相绕组中性点N1相连，续流桥臂及直流电抗器Ld1均并接于三相整流桥的共阴极及共阳极之间。

第二三相限流桥路包括晶闸管T1’、T2’、T3’、T4’、T5’、T6’组成的三相整流桥、由晶闸管T7、T8顺向串接而形成的续流桥臂以及直流电抗器Ld2,三相整流桥中，位于上桥臂的T1’、T3’、T5’共阴极连接，位于下桥臂的晶闸管T4’、T6’、T2’共阳极联接，三相整流桥各桥臂中点分别与三相变压器中最内层三相绕组的出线端相连，续流桥臂的中点与最内层三相绕组中性点N2相连，续流桥臂及直流电抗器Ld2均并接于三相整流桥的共阴极及共阳极之间。

如图4所示，本发明的三相多绕组变压器耦合型固态限流器，由三相多绕组变压器及一个三相限流桥路组成。

三相多绕组变压器每相绕组均由多层绕组同轴安装而成，可采用铁心式或空心式两种结构，每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成三相主回路绕组，并串接于三相系统电源Ua、Ub、Uc与负荷Zload1、Zload1、Zload3之间，每相最外层绕组与最内层绕组顺向串联，构成三相屏蔽绕组,三相屏蔽绕组采用Y型联接。 

三相限流桥路包括：由晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相整流桥、由晶闸管T7、T8顺向串接而形成的续流桥臂以及直流电抗器Ld,三相整流桥中，位于上桥臂的T1、T3、T5共阴极连接，位于下桥臂的晶闸管T4、T6、T2共阳极联接，三相整流桥各桥臂中点分别与三相变压器中三相磁屏蔽绕组的出线端相连，续流桥臂的中点与三相磁屏蔽绕组中性点N相连，续流桥臂及直流电抗器Ld均并接于三相整流桥的共阴极及共阳极之间。

工作原理：当系统正常工作时，单相限流桥路1和单相限流桥路2中的组成单相整流桥的两组晶闸管T1、T2、T3、T4和T1’、T2’、T3’及T4’全开通，直流电抗器Ld1、Ld2分别通过T3,、T4管和T3’、T4’管续流，流过Ld1及Ld2的电流保持不变，Ld1及Ld2两端电压可视为零，单相自耦式变压器中分别与单相限流桥路1和单相限流桥路2相并接的最外层绕组和最内层绕组可视为“短接”，而“短接”的最外层和最内层绕组对中间层绕组则形成磁屏蔽作用，限流器电压降也很低，对系统的影响可忽略。当系统发生故障时，直流电抗器Ld1及Ld2均无延时插入线路限流，限制短路电流及其上升率，控制器检测到系统故障后，封锁桥路触发脉冲。

本发明中的三相多绕组变压器耦合固态限流器，当系统正常运行时，限流器中所有桥路全开通，与桥路相并接的绕组等效为“短接”，绕组两端压降可视为零，对于方案1，三相变压器中分别于三相桥路相并接的最外层三相绕组和最内层三相绕组可等效为“短接”，对三相中间绕组形成磁屏蔽作用，中间绕组漏抗及漏抗压降被限制在很低的水平；对于方案2，三相变压器中与三相桥路并接的磁屏蔽绕组等效为“短接”，同样对三相中间绕组形成磁屏蔽作用，中间绕组漏抗及漏抗压降被限制在很低的水平。根据以上分析，本发明提出的四种技术解决方案，在系统正常运行时，漏抗压降均很低，对系统影响可以忽略。

当系统发生短路故障后，限流器中所有桥路中的直流电抗器无延时自动插入线路，限制短路电流的上升率及其幅值，当控制器监测到系统短路故障后，同步封锁三相桥路所有晶闸管触发脉冲，并在半个周波内关断所有桥路，此时限流器等效于由多绕组串联而成的电抗器，通过它将短路电流稳态值限制在预设值以内。与此同时，当系统发生短路故障后，系统电源电压全部或部分加至限流器端部，待所有桥路关断，限流器处于稳态限流阶段时，多绕组变压器中串接于线路的各绕组则按各自电抗值分担电压。设限流器端部相电压为U，若变压器由n层绕组串联，且各绕组电抗值相等，则每层绕组的电压为U/n,对于方案1中的三相变压器，若变压器采用铁心结构，则桥路中晶闸管电压等级为均为                                               

U/n，若变压器采用空心结构，外侧三相整流桥中晶闸管电压等级约为

U/n，接至最内层绕组三相整流桥中晶闸管电压等级则远小于

U/n。对于方案2中的三相变压器，若变压器采用铁心结构，则桥路中晶闸管电压等级为2

U/n，若采用空心结构，则小于2

U/n。

Claims (2)

1.一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器，其特征在于：包括三相多绕组变压器和三相限流桥路；

所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，可采用铁芯式或空心式两种结构；

三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间；

三相多绕组变压器的每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成三相主回路绕组，三相主回路绕组串接于三相系统电源和线路负荷之间，三相多绕组变压器的最外层三相绕组采用Y型联接，出线端分别接至三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点，中性点与三相限流桥路中续流桥臂的中点相连，三相多绕组变压器的最内层三相绕组也采用Y型联接，出线端分别与另一三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点相连，中性点与对应三相限流桥路中续流桥臂中点相连。

2.一种三相多绕组变压器耦合型固态限流器，其特征在于：包括三相多绕组变压器和三相限流桥路；

所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，可采用铁芯式或空心式两种结构；

三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间；

三相多绕组变压器的每相绕组中最外层绕组与最内层绕组分别与次外层和次内层绕组磁耦合，而无电气连接，从次外层绕组到次内层绕组依次顺向串联，构成每相主回路绕组，串接于三相系统电源和线路负荷之间，每相最外层绕组与最内层绕组顺向串联，构成屏蔽绕组，三相多绕组变压器的三相屏蔽绕组采用Y型联接，出线端分别接至三相限流桥路中三相整流桥三个桥臂的中点，中性点与三相限流桥路中续流桥臂的中点相连。

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