CN103633632A - 一种饱和桥式短路故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种饱和桥式短路故障限流器，该限流器由饱和电抗器和整流桥组成。整流桥（Br）的第一二极管（D1）和第二二极管（D2）的连接点为第一交流端（A），第三二极管（D3）和第四二极管（D4）的连接点为第二交流端（B），第一二极管（D1）和第三二极管（D3）的连接点为第一直流端（M），第二二极管（D2）和第四二极管（D4）的连接点为第二直流端（N）；饱和电抗器（L）连接在第一直流端（M）和第二直流端（N）之间；交流电源（Uac）的一端连接在第一交流端（A），交流电源（Uac）的另一端接地；断路器（SW）的一端连接在第二交流端B，断路器（SW）的另一端与负载（R_L）串联后接地。饱和电抗器由永磁体和直流线圈实现。

Description

一种饱和桥式短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种饱和桥式短路故障限流器，特别涉及一种输配电网的短路故障限流装置。

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，断路器的开断能力已经越来越难以适应电网运行的需要。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。目前，基于材料特性及其技术突破，提出并发展了多种限流器，包括PTC（Positive TemperatureCoefficient，正温度系数）限流器、谐振限流器、固态限流器、超导限流器等。由于PTC限流器的限流容量太小，谐振限流器在限流过程伴有高电压产生从而存在极大安全隐患，因此均不具备在实际电网中的应用前景。固态限流器由于在高电压大容量系统中应用时，需要大量固态开关管（IGBT、GTO等）串并联来实现，导致结构复杂、价格昂贵、稳态损耗大、可靠性低，因此其实际应用也具有很大局限性。比如，固态短路故障限流器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。

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US4490769和中国发明专利ZL96123001.0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。如此，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US4490769的技术方案如图1a和图1b所示，其主电路由二极管T1、T2、T3、T4，直流电感L和偏压电源Vb组成。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。

但是，已有的固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处，只有在电网电流达到磁体电流时，其限流磁体L0才会自动串入电网来实现限流，并且，随着磁体电流的不断增大，磁体的限流能力不断减小。严格地说，二极管组成的桥路无法实现真正的限流，必须采用可控开关管，如图1b所示，通过控制，减小整流桥桥臂上的开关管的导通角来增大磁体的放电时间，从而达到较好的限流效果。同时，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

本发明的目的是克服已有技术的不足，提出一种用于输配电网的短路故障限流器。本发明不但能够自动串入电网限制故障电流，而且结构简单、成本低，能够有效限制电网故障电流。

本发明采用的技术方案：

本发明包括整流桥和饱和电抗器。其中，整流桥由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成。第一二极管和第二二极管的连接点为第一交流端，第三二极管和第四二极管的连接点为第二交流端，第一二极管和第三二极管的连接点为第一直流端，第二二极管和第四二极管的连接点为第二直流端。饱和电抗器连接在第一直流端和第二直流端之间。交流电源的一端连接在第一交流端，交流电源的另一端接地。断路器的一端连接在第二交流端，断路器的另一端与负载串联后接地，构成单相饱和桥式短路故障限流器。

本发明的主要优点：

1.本发明通过饱和电抗器在限流过程中的阻抗变化，有效地限制了故障电流，提高了限流器的限流能力，从而达到了比已有短路故障限流器更好的限流效果。

2.本发明的饱和电抗器通过软磁铁芯的自动调节来改变阻抗，实现了故障自动触发，该限流器的故障响应速度快、可靠性高。

3.本发明的饱和电抗器在电网稳态时，阻抗小，并且作为直流电抗器，对电网不造成压降和谐波干扰。

4.本发明的饱和电抗器在限流过程中，通过其阻抗自动增大来限流，可以通过优化设计饱和电抗器的参数，提高了限流器的限流能力。

附图说明

图1为已有发明的电路原理图；

图2为本发明具体实施例1的电路原理图；

图3为本发明具体实施例1的饱和电抗器结构图；

图4为所示为本发明的具体实施例1的饱和电抗器的C型软磁铁芯的磁化曲线；

图5为本发明具体实施例1的饱和电抗器结构图；

图6为本发明具体实施例2的电路原理图；

图7为本发明具体实施例3的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明的具体实施例1为一种单相饱和桥式短路故障限流器。所述的单相饱和桥式短路故障限流器包括整流桥Br和饱和电抗器L。其中，整流桥Br由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成。第一二极管D1和第二二极管D2的连接点为第一交流端A，第三二极管D3和第四二极管D4的连接点为第二交流端B，第一二极管D1和第三二极管D3的连接点为第一直流端M，第二二极管D2和第四二极管D4的连接点为第二直流端N。饱和电抗器L连接在第一直流端M和第二直流端N之间。交流电源Uac的一端连接在第一交流端A，交流电源Uac的另一端接地。断路器SW的一端连接在第二交流端B，断路器SW的另一端与负载R_L串联后接地，构成单相饱和桥式短路故障限流器。

图3所示为本发明的具体实施例1的饱和电抗器L的一种结构。饱和电抗器L的绕组绕制在C型软磁铁芯F1上，绕组的两端分别连接在第一直流端M和第二直流端N之间。C型软磁铁芯F1与永磁体F2连接组成一个闭合的口字型铁芯。饱和电抗器L的绕组电流始终由第一直流端M流向第二直流端N，其磁感线及其方向为B1所示，永磁体F2的磁感线及其方向为B2所示。在口字型铁芯内，饱和电抗器L的绕组的磁场和永磁体F2的磁场方向始终相反。

饱和电抗器L工作在整流桥Br的直流侧，电网稳态时，正向电流顺序通过第一二极管D1-饱和电抗器L-第四二极管D4；反向电流顺序通过第二二极管D2-饱和电抗器L-第三二极管D3。饱和电抗器L的绕组电流始终由第一直流端M流向第二直流端N。永磁体F2的磁场远大于饱和电抗器L的绕组电流所产生的磁场，使C型软磁铁芯F1处于深度饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率减小，饱和电抗器L呈现低阻抗。饱和电抗器L的电感很小，限流器对电网不会产生谐波等影响。电网发生短路故障时，饱和电抗器L的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，抵消或超过永磁体F2的磁场，使C型软磁铁芯F1退出深度饱和状态而处于未饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率增大，饱和电抗器L呈现较大的阻抗，有效限制故障电流。饱和电抗器L由低阻抗向高阻抗的转变，一方面，避免了电感过大，而造成电网的稳态运行电流谐波问题，另一方面，其阻抗增加能够有效抑制故障电流的变化。

图4为所示为本发明的具体实施例1的饱和电抗器L的C型软磁铁芯F1的磁化曲线。该曲线反映了C型软磁铁芯F1的磁化规律，即C型软磁铁芯F1的磁感应强度B和磁场强度H之间的关系，曲线的OP段表示C型软磁铁芯F1未饱和状态，曲线的PQ段表示C型软磁铁芯F1处于饱和状态，曲线的QS段表示C型软磁铁芯F1处于深度饱和状态，磁感应强度B越大，饱和程度越大。电网稳态时，永磁体F2的磁场远大于饱和电抗器L的绕组电流所产生的磁场，使C型软磁铁芯F1处于深度饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率减小，饱和电抗器L呈现低阻抗；电网发生短路故障时，饱和电抗器L的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，抵消或超过永磁体F2的磁场，使C型软磁铁芯F1处于未饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率增大，饱和电抗器L呈现较大的阻抗。

图5所示为本发明的具体实施例1的饱和电抗器L的另一种结构。饱和电抗器L的绕组绕制在口字型软磁铁芯F1的一侧，绕组的两端分别连接在第一直流端M和第二直流端N之间。电抗器L1的绕组绕制在口字型软磁铁芯F1的另一侧，电抗器L1的绕组与直流电源Udc、IGBT开关管Ks依次串联组成闭合回路。饱和电抗器L的绕组电流始终由第一直流端M流向第二直流端N，其磁感线及其方向为B1所示，电抗器L1绕组电流的磁感线及其方向为B2所示。在口字型铁芯内，饱和电抗器L的绕组的磁场和电抗器L1绕组的磁场方向始终相反。

饱和电抗器L工作在整流桥Br的直流侧，饱和电抗器L的绕组电流始终由第一直流端M流向第二直流端N。电网稳态时，IGBT开关管Ks闭合，直流电源Udc给电抗器L1绕组供电，电抗器L1绕组电流所产生的磁场远大于饱和电抗器L的绕组电流所产生的磁场，使口字型软磁铁芯F1处于深度饱和状态，口字型软磁铁芯F1的磁导率减小，饱和电抗器L呈现低阻抗。饱和电抗器L的电感很小，限流器对电网不会产生谐波等影响。

电网发生短路故障时，饱和电抗器L的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，也可以通过断开IGBT开关管Ks，使电抗器L1绕组的磁场变为零，从而使口字型软磁铁芯F1退出深度饱和状态而处于未饱和状态，口字型软磁铁芯F1的磁导率增大，饱和电抗器L呈现较大的阻抗，有效限制故障电流。饱和电抗器L由低阻抗向高阻抗的转变，一方面，避免了电感过大，而造成电网的稳态运行电流谐波问题，另一方面，其阻抗增加能够有效抑制故障电流的变化。

本发明的具体实施例1所述的三个单相饱和桥式短路故障限流器串联接入三相系统，组成三相饱和桥式短路故障限流器。三相饱和桥式短路故障限流器中的每个单相饱和桥式短路故障限流器的结构和具体实施例1相同，三相饱和桥式短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相饱和桥式短路故障限流器的工作原理相同。饱和电抗器L的结构和工作原理与具体实施例1相同。

如图6所示，本发明的具体实施例2为单相带有耦合变压器的饱和桥式短路故障限流器。单相饱和桥式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，Uac为交流电源，RL为负载阻抗。单相饱和桥式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的副边绕组的两端分别连接在第一交流端A和第二交流端B上。耦合变压器TR的原边绕组串入交流电源Uac、断路器SW和负载RL的串联线路，构成单相带有耦合变压器的饱和桥式短路故障限流器。单相带有耦合变压器的饱和桥式短路故障限流器的工作原理和本发明的单相饱和桥式短路故障限流器的工作原理相同。饱和电抗器L的结构和工作原理与具体实施例1相同。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。

如图7所示，本发明的具体实施例3为三相耦合饱和桥式短路故障限流器。包括三相整流桥Br3、饱和电抗器L和A相耦合变压器Tra、B相耦合变压器Trb和C相耦合变压器Trc。其中，整流桥Br3由第一二极管D1、第二二极管D2、……、和第八二极管D8组成。第一二极管D1和第二二极管D2通过第一连接点W串联、第三二极管D3和第四二极管D4通过第二连接点V串联、第五二极管D5和第六二极管D6通过第三连接点U串联、第七二极管D7和第八二极管D8通过第四连接点G1串联，并且，第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和第七二极管D7连接在第一直流端M上，第二二极管D2、第四二极管D4、第六二极管D6和第八二极管D8连接在第二直流端N上。饱和电抗器L连接在第一直流端M和第二直流端N之间。A相耦合变压器Tra的副边绕组连接在第二连接点U和第四连接点G1之间，B相耦合变压器Trb的副边绕组连接在第三连接点V和第四连接点G1之间，C相耦合变压器Trc的副边绕组连接在第一连接点W和第四连接点G1之间。A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源Ua、Ub、Uc和三相断路器SWa、SWb、SWc之间，并与三相负载阻抗RLa、RLb、RLc串联。三相负载阻抗RLa、RLb、RLc和三相电源Ua、Ub、Uc连接到接地点G上，组成三相耦合饱和桥式短路故障限流器。本发明的具体实施例3的饱和电抗器L的结构和工作原理分别与具体实施例1相同。

下面以A相为例，以图3所示饱和电抗器L的结构和工作原理为例说明三相耦合饱和桥式短路故障限流器中的饱和电抗器L的工作原理。

电网稳态时，正向电流顺序通过第六二极管D6-饱和电抗器L-第八二极管D8；反向电流顺序通过第五二极管D5-饱和电抗器L-第七二极管D7。饱和电抗器L工作在整流桥的直流侧，饱和电抗器L的绕组电流始终由第一直流端M流向第二直流端N。永磁体F2的磁场远大于饱和电抗器L的绕组电流所产生的磁场，使“C型”软磁铁芯F1处于深度饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率减小，饱和电抗器L呈现低阻抗。饱和电抗器L的电感很小，限流器对电网不会产生谐波等影响。

电网发生短路故障时，饱和电抗器L的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，使“C型”软磁铁芯F1退出深度饱和状态而处于未饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率增大，饱和电抗器L呈现较大的阻抗，有效限制故障电流。饱和电抗器L由低阻抗向高阻抗的转变，一方面，避免了电感过大，而造成电网的稳态运行电流谐波问题，另一方面，其阻抗增加能够有效抑制故障电流的变化。

在10kV电网中，饱和桥式短路故障限流器能较好地实现短路故障限流，故障电流的瞬时值和稳态值都可以限制在最大故障电流的60%以下。并且，根据电网的故障特点和阻抗情况，进一步调节饱和电抗器的参数，可以达到更好的限流效果。

Claims (8)

1.一种饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的短路故障限流器包括整流桥（Br）和饱和电抗器（L）；所述的整流桥（Br）由第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、第三二极管（D3）和第四二极管（D4）组成；第一二极管（D1）和第二二极管（D2）的连接点为第一交流端（A），第三二极管（D3）和第四二极管（D4）的连接点为第二交流端（B），第一二极管（D1）和第三二极管（D3）的连接点为第一直流端（M），第二二极管（D2）和第四二极管（D4）的连接点为第二直流端（N）；饱和电抗器（L）连接在第一直流端（M）和第二直流端（N）之间；交流电源（Uac）的一端连接在第一交流端（A），交流电源（Uac）的另一端接地；断路器（SW）的一端连接在第二交流端B，断路器（SW）的另一端与负载（R_L）串联后接地。

2.按照权利要求1所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的饱和电抗器（L）的绕组绕制在C型软磁铁芯（F1）上，饱和电抗器（L）绕组的两端分别连接在第一直流端（M）和第二直流端（N）之间；C型软磁铁芯（F1）与永磁体（F2）连接组成一个闭合的口字型铁芯；饱和电抗器（L）的绕组电流由第一直流端（M）流向第二直流端（N），在口字型铁芯内，饱和电抗器（L）的绕组的磁场和永磁体（F2）的磁场方向相反。

3.按照权利要求1或2所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的饱和电抗器（L）工作在整流桥（Br）的直流侧；电网稳态时，永磁体（F2）的磁场远大于饱和电抗器（L）的绕组电流所产生的磁场，使C型软磁铁芯（F1）处于深度饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率减小，饱和电抗器L呈现低阻抗；电网发生短路故障时，饱和电抗器（L）的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，使C型软磁铁芯（F1）退出深度饱和状态而处于未饱和状态，C型软磁铁芯F1的磁导率增大，饱和电抗器（L）呈现较大的阻抗，有效限制故障电流。

4.按照权利要求1所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的饱和电抗器（L）的绕组绕制在口字型软磁铁芯（F1）的一侧，饱和电抗器（L）绕组的两端分别连接在第一直流端（M）和第二直流端（N）之间；电抗器（L1）的绕组绕制在口字型软磁铁芯（F1）的另一侧，电抗器（L1）的绕组与直流电源（Udc）、IGBT开关管（Ks）依次串联组成闭合回路；饱和电抗器（L）的绕组电流由第一直流端（M）流向第二直流端（N），在口字型铁芯内，饱和电抗器（L）绕组的磁场和电抗器（L1）绕组的磁场方向相反。

5.按照权利要求1或4所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的饱和电抗器（L）工作在整流桥（Br）的直流侧；电网稳态时，IGBT开关管（Ks）闭合，直流电源（Udc）给电抗器（L1）的绕组供电，电抗器（L1）的绕组电流所产生的磁场远大于饱和电抗器（L）的绕组电流所产生的磁场，使口字型软磁铁芯（F1）处于深度饱和状态，口字型软磁铁芯（F1）的磁导率减小，饱和电抗器（L）呈现低阻抗；电网发生短路故障时，饱和电抗器（L）的绕组电流突然增大而产生较大的磁场，通过断开IGBT开关管（Ks），使电抗器（L1）绕组的磁场变为零，从而使口字型软磁铁芯（F1）退出深度饱和状态而处于未饱和状态，口字型软磁铁芯（F1）的磁导率增大，饱和电抗器（L）呈现较大的阻抗，有效限制故障电流。

6.按照权利要求1至5的任何一项所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的三个单相饱和桥式短路故障限流器串联接入三相系统组成三相饱和桥式短路故障限流器。

7.按照权利要求1至5的任何一项所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是所述的单相饱和桥式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）的副边绕组的两端分别连接在第一交流端（A）和第二交流端（B）上；耦合变压器（TR）的原边绕组串入交流电源（Uac）、断路器（SW）和负载（RL）的串联线路，构成单相带有耦合变压器的饱和桥式短路故障限流器。

8.按照权利要求7所述的饱和桥式短路故障限流器，其特征是三个单相带有耦合变压器的饱和桥式短路故障限流器串联接入三相系统组成三相耦合饱和桥式短路故障限流器；三相耦合饱和桥式短路故障限流器包括三相整流桥（Br3）、饱和电抗器（L）和A相耦合变压器（Tra）、B相耦合变压器（Trb）、C相耦合变压器（Trc）；其中，整流桥（Br3）由第一二极管（D1）、第二二极管（D2）、……、和第八二极管（D8）组成；第一二极管（D1）和第二二极管（D2）通过第一连接点（W）串联，第三二极管（D3）和第四二极管（D4）通过第二连接点（V）串联，第五二极管（D5）和第六二极管（D6）通过第三连接点（U）串联，第七二极管（D7）和第八二极管（D8）通过第四连接点（G1）串联；并且，第一二极管（D1）、第三二极管（D3）、第五二极管（D5）和第七二极管（D7）连接在第一直流端（M）上，第二二极管（D2）、第四二极管（D4）、第六二极管（D6）和第八二极管（D8）连接在第二直流端（N）上；饱和电抗器（L）连接在第一直流端（M）和第二直流端（N）之间；A相耦合变压器（Tra）的副边绕组连接在第三连接点（U）和第四连接点（G1）之间，B相耦合变压器（Trb）的副边绕组连接在第二连接点（V）和第四连接点（G1）之间，C相耦合变压器（Trc）的副边绕组连接在第一连接点（W）和第四连接点（G1）之间；A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源（Ua、Ub、Uc）和三相断路器（SWa、SWb、SWc）之间，并与三相负载阻抗（RLa、RLb、RLc）串联；三相负载阻抗（RLa、RLb、RLc）和三相电源（Ua、Ub、Uc）连接到接地点（G）上，组成三相耦合饱和桥式短路故障限流器。

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