CN103762576A - 自饱和电抗器型故障限流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自饱和电抗器型故障限流器，包括相互并联的第一支路和第二支路，以及与所述第一支路和第二支路串联的电抗器Lc；第一支路包括依次串联的限流保护电抗器Lb2、自饱和电抗器Lsat和恢复时降流电阻Rj；第二支路包括依次串联的电容器C1和限流保护电抗器Lb1，其中：自饱和电抗器包括一个铁芯和两个绕组线圈。本发明提供的自饱和电抗器型故障限流器，电路结构简单，并具有限流作用显著、适应更大范围的输入电压、可靠稳定、实用性广等特点。

Description

自饱和电抗器型故障限流器

技术领域

本发明涉及电力输配电设备保护领域，具体而言，涉及一种自饱和电抗器型故障限流器。

背景技术

随着电力需求的增加，发电量日益增加。伴随着发电量的增长，故障电流水平随之提高。设备故障、恶劣天气、事故或恶意破坏都会导致功率变化。这些故障会损坏昂贵的关键元件，如果不能被及时清除，可能导致长时间的停电导致巨大的经济损失。因此保证电力系统安全稳定运行，快速限制短路电流水平就成为当前电力系统极其紧迫的问题。

目前国内外电力系统中故障限流器主要有以下几种：可控电阻型超导故障限流器：参见图1，通过把高温超导载流导体2串入被保护主回路，在正常情况下，高温超导载流导体阻值为零，不对线路产生任何影响；在发生故障时，电流突然增大导致高温超导载流导体失超，阻值瞬间突变为很大，从而达到限制故障电流的效果。旁路阻抗起续流作用。直流绕组起控制高温超导载流导体限制不同的故障电流作用。铜线限流绕组1（即旁路阻抗）、高温超导载流导体2、高温超导绕组3、直流稳压电源4和低温液氮容器；

但是这种可控电阻型超导故障限流器存在如下技术缺陷：上述可控电阻型超导故障限流器含超导部件，该超导部件（即超导体）制冷工艺复杂，维护麻烦；最为重要的是，超导体失超后重新进入超导状态时间长，不满足超导限流器需要在几十毫秒内恢复工作的时间要求。

另外有一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器；参见图2，在电力系统正常运行时，电容器C与L2串联谐振，限流器阻抗为零或者接近零，不对线路产生影响。当电力系统发生短路故障时，可关断晶闸管（GTO，Gate Turn-Off Thyristor）导通，L1与电容器C并联谐振，并联谐振阻抗很大，从而限制故障电流。在上述故障限流器结构中，有可关断晶闸管GTO或者可控硅整流器(SCR，Silicon Controlled Rectifier)这样的电力电子器件单个最大工作电压不超过6kV，在高压35kV到800kV的线路中，需要多个电力电子器件串联，这样一来控制复杂，成本高，故障率高，不合适高压线路这种安全性要求特别高的系统。

另外还有一种故障电流限制器；如图3所示，在系统正常运行时，电容器C与LS串联谐振，限流器阻抗为零或者接近零，不对线路产生影响。当发生短路故障时，饱和电抗器LB饱和，电容器C相当于被短路，串联谐振被破坏，电流主要从LB与LS流过，也能起到限流作用。然而在上述故障电流限制器结构中，电容器C被旁路，LB饱和后不能与电容器C发送并联谐振，在短路电流很大的情况下，单靠LS来限流，限流效果不明显，限流作用不大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自饱和电抗器型故障限流器，以解决上述技术问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明提供的一种自饱和电抗器型故障限流器，包括相互并联的第一支路和第二支路，以及与所述第一支路和第二支路串联的电抗器Lc；

所述第一支路包括依次串联的限流保护电抗器Lb2、自饱和电抗器Lsat和恢复时降流电阻Rj；所述第二支路包括依次串联的电容器C1和限流保护电抗器Lb1，其中：

所述自饱和电抗器包括一个铁芯和两个绕组线圈。

较佳地，所述第一支路上还串联有阻尼回路D。

较佳地，所述第二支路上的电容器C1的两端还分别并联有避雷器MOVC和可控火花间隙G。

较佳地，所述电抗器Lc的两端还分别并联有避雷器MOVL和保护电容器C2。

较佳地，还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括旁路刀闸MBS，其中：

所述旁路刀闸MBS的两端分别与所述阻尼回路D的输入端和电抗器Lc的输出端电连接。

较佳地，所述开关控制电路还包括旁路断路器B，其中：

所述旁路断路器的两端分别与限流保护电抗器Lb1的输入端和所述自饱和电抗器Lsat的输出端电连接。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的自饱和电抗器型故障限流器，分析上述自饱和电抗器型故障限流器的结构可知：它利用自饱和电抗器Lsat自励磁电流可以令铁芯饱和从而阻抗趋向极低的特性，在此基础上，特别设计的大直径定阻抗线圈，保证自饱和电抗器不至于阻抗为零的功能。相当于把一个空心电抗器与铁芯电抗器组合为一体。在此电抗器电压低于某设定值时（从接近零到一个不超过电容器C1容抗之间的一个数值，通过调整设置绕组的匝数与直径来现实），电抗器铁芯不饱和，电抗器阻抗极大，相当于被旁路，对高压输电线路系统无任何不利影响。当线路发生故障时，线路大部分电压加在此电抗器上，远远超出设定值，此时铁芯完全饱和，铁芯所起的阻抗作用完全失去，接近为零，此时的大直径线圈相当于一个空心电抗器，合理设计此空心线圈的阻抗值，使得此电抗器能与并联的电容C1发生完全或者不完全并联谐振，此时并联的电容器与电抗器组成的限流系统的阻抗值非常大，从而起到显著的限制故障电流的作用。

另外，恢复时降流电阻Rj也起到了关键作用：在故障切除后，吸收电容器C1与自饱和电抗器Lsat谐振时的电流，使得限流器能够快速恢复，重新进入待命工作状态。

由于上述自饱和电抗器型故障限流器避免了使用GTO或是SCR这样的电力电子器件，而是采用电容器和电抗器联合限流的结构（即自饱和电抗器）实现更大的限流效果，进而可以适应10kV至800kV高压大容量输电线路系统。

附图说明

图1为现有技术中可控电阻型超导故障限流器的电路原理图；

图2为现有技术中具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器的电路原理图；

图3为现有技术中具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器的电路原理图；

图4为本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器的电路原理图；

图5为本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器中的自饱和电抗器的俯视结构示意图；

图6为图5中的本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器中的自饱和电抗器的侧视结构示意图；

图7为图5中的本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器中的自饱和电抗器的接线图。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图4，本发明实施例提供了一种自饱和电抗器型故障限流器10，包括相互并联的第一支路和第二支路，以及与上述第一支路和第二支路串联的电抗器Lc（用于串联谐振）；所述第一支路包括依次串联的电容器C1（用于串联谐振）和限流保护电抗器Lb1；所述第二支路包括依次串联的限流保护电抗器Lb2、自饱和电抗器Lsat和恢复时降流电阻Rj。

所述自饱和电抗器包括一个铁芯100和两个较大直径的绕组线圈200（参见图5、图6和图7）。

需要说明的是，如图4所示，整个限流器系统主要由自饱和电抗器Lsat与限流保护电抗器Lb2串联后，再与已经串联了限流保护电抗器Lb1的电容器C1并联。此并联体再与电抗器Lc串联，加上一些开关与保护器件，组成整个限流器系统。

（1）、在电力系统正常运行时，自饱和电抗器Lsat处于不饱和状态，此时Z(Lsat)的阻抗趋向无穷大，相当于被旁路，对系统不产生任何不利影响；同时，把C1的容抗与Lc的感抗设计成大小一样，此时整个限流器的阻抗Z0为：Z0=Z_C1-Z_Lc≈0；其中：

$Z_{C1}=\frac{1}{\mathrm{j\ωC}1};Z_{\mathrm{Lc}}=\mathrm{j\ωLc}$

此时限流器相当于一条导线，对整个线路无不利影响；

（2）、当电力系统发生短路时，大部分线路电压加在限流器上，此时Lsat上的电压远远大于不饱和时的设计值，自饱和电抗器Lsat的铁芯在高压下瞬间进入过饱和状态，铁芯产生阻抗趋向于零，自饱和电抗器Lsat的阻抗完全由绕组的漏抗决定，设计合适的漏抗值，使得自饱和电抗器Lsat上有漏抗的绕组的与电容器C1瞬间就发生完全或者不完全并联谐振，从而使得并联阻抗为Zb为无穷大或者一个较大的定值（即

具体情况由具体项目的线路系统的限流值来决定。

分析上述技术内容可知：设置合适的Lsat与C1值，使得ω²L_satC1与1相差的值比较小或者为一个需要的数值，则Zb的阻抗很大，起到了限制故障电流的作用。

另外，如果设置ωL_sat很小，接近零，则相当于C1被旁路。此时，故障电流只通过电抗器Lc与大部分通自饱和电抗器过Lsat（小部分通过C1），起限流作用的主要是Lc，这样也能达到限制故障电流的目的。

下面对本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器的具体结构做进一步说明：

参见图4，所述第一支路上还串联有阻尼回路D。所述第二支路上的电容器C1的两端还分别并联有避雷器MOVC和可控火花间隙G。所述电抗器Lc的两端还分别并联有避雷器MOVL（即金属氧化物半导体变阻器，MOV）和保护电容器C2。

需要说明的是，限流保护电容器用的电抗器Lb1与限流保护电抗器Lb2分别对C1与Lsat起限流保护作用。其中Lb1数值较小；其中Lb2可以设计为很小或者一个较大的数值，在漏抗不足够时，提供部分感抗。

避雷器MOVC对C1起保护作用，避雷器MOVL与电容器C2对Lc起保护作用。可控火花间隙G，对电容器组的过电压起后备保护作用。另外，阻尼回路D起限制并阻尼放电电流的作用，确保电容器组、火花间隙、自饱和电抗器Lsat安全运行。

较佳地，还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括旁路刀闸MBS，其中：

所述旁路刀闸MBS的两端分别与所述阻尼回路D的输入端和电抗器Lc的输出端电连接。

所述开关控制电路还包括旁路断路器B，其中：

所述旁路断路器的两端分别与限流保护电抗器Lb1的输入端和所述自饱和电抗器Lsat的输出端电连接。

需要说明的是，如图4所示，旁路断路器B以及旁路刀闸MBS在限流器检修或者故障时，保证线路能正常运行。与此同时，该电路结构中的多个开关装置（例如：接地刀闸ES1、接地刀闸ES2和隔离刀闸DS2）也是起到隔离电力系统与限流器，方便检修，对此本发明实施例不再赘述。

在本发明实施例中，上述自饱和电抗器（Lsat）又能起到在故障时可以瞬间与并联电容器谐振，使得限流器进入完全或者不完全并联谐振状态，产生极大的并联谐振阻抗来限制故障电流。

此自饱和电抗器（Lsat）的漏抗，即铁芯饱和后线圈的空抗：

$L=\frac{{0.08d}_{\mathrm{cp}}^2\×n^2\×{10}^{-3}}{{3d}_{\mathrm{cp}}+9H+10d}\mathrm{mH};$

上述公式中，d=绕组的厚度；n=绕组的匝数；H=绕组的高度；dcp=绕组的平均直径。由此可见，要提高L的值，可以通过提高dcp及绕组的匝数来实现。此单相电抗器线圈俯视直径较大，以保证漏抗满足要求；铁芯是无气隙的；其中两个线圈是连接在一起，磁通方向相同，实际是一个绕组的结构（需要说明的是，图4为单相接入电网限流器系统的原理图，另外三相接入电网中的限流器系统由三个图4这样的限流器组成，对此本发明实施例不再一一赘述）。

本发明实施例提供的自饱和电抗器型故障限流器具有较为优越的实用性，举例说明：以一个220kv系统的限流器具体实施为例：220kv系统发生单相对地短路故障时，单相对地电压为127kv，系统的线路与电源总阻抗为1.8Ω，则短路电流为70.5kA;串联设计值为1.9欧姆的本发明限流器后，短路电流可以降低到39.6kA。故障电流降低率为43.8%。通过设计不同的Lc及C1阻抗值，根据系统实际需求，可以得到更低故障电流。本发明不需要超导部件，进入工作状态及恢复工作状态响应速度快。

本发明中关键部件是高阻抗自饱和电抗器，取代了现有技术中的GTO或者SCR器件。现有的生产技术中，已经可以加工生产并有800kV的类似电抗器在电网中运行，电抗器的特点就是耐超高压，皮实耐冲击，操作维护简单，运行稳定，可以充分地发挥故障限流器在变电站起到的电网涌流保护器的作用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，包括相互并联的第一支路和第二支路，以及与所述第一支路和第二支路串联的电抗器Lc；

所述第一支路包括依次串联的限流保护电抗器Lb2、自饱和电抗器Lsat和恢复时降流电阻Rj；所述第二支路包括依次串联的电容器C1和限流保护电抗器Lb1，其中：

所述自饱和电抗器包括一个铁芯和两个绕组线圈。

2.根据权利要求1所述的自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，

所述第一支路上还串联有阻尼回路D。

3.根据权利要求2所述的自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，

所述第二支路上的电容器C1的两端还分别并联有避雷器MOVC和可控火花间隙G。

4.根据权利要求3所述的自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，

所述电抗器Lc的两端还分别并联有避雷器MOVL和保护电容器C2。

5.根据权利要求4所述的自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，

还包括开关控制电路，所述开关控制电路包括旁路刀闸MBS，其中：

所述旁路刀闸MBS的两端分别与所述阻尼回路D的输入端和电抗器Lc的输出端电连接。

6.根据权利要求5所述的自饱和电抗器型故障限流器，其特征在于，

所述开关控制电路还包括旁路断路器B，其中：

所述旁路断路器的两端分别与限流保护电抗器Lb1的输入端和所述自饱和电抗器Lsat的输出端电连接。

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