CN104134979A

CN104134979A - 一种谐振式超导短路故障限流器

Info

Publication number: CN104134979A
Application number: CN201410344499.8A
Authority: CN
Inventors: 张志丰; 刘大千; 郭腾炫; 邱清泉; 肖立业; 朱志芹; 周薇薇; 靖立伟; 马韬; 许熙; 张国民; 戴少涛
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2014-07-18
Filing date: 2014-07-18
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2034-07-18
Also published as: CN104134979B

Abstract

一种谐振式超导短路故障限流器，由电抗器、超导线圈、电容器、开关、第一电阻、第二电阻、第一避雷器和第二避雷器组成。超导线圈与电容器串联后，与电抗器并联；第一电阻和第一避雷器串联后与超导线圈并联，作为超导线圈的保护回路；第二电阻和第二避雷器串联后，与电容器并联，再与开关并联。本发明的限流器可实现自动故障限流，也可实现可控限流，进一步提高限流器的限流能力，减小超导带材的使用量。本发明采用超导线圈与电容器的串联谐振，使得超导线圈不再采用无感线圈的绕制方式，显著降低了超导线圈的制作难度，提高了线圈的运行可靠性。

Description

一种谐振式超导短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种谐振式超导短路故障限流器，特别涉及输配电网的短路故障限流器。

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，因此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。文献“两种经济型故障限流器的工作特性比较”(电力系统及其自动化学报2005年第17卷第4期)一文中介绍了饱和电抗型串联谐振限流器，如图1所示，其工作原理是：该限流器由饱和电抗器Xs、电容器Xc和串联电抗器X1组成。饱和电抗器与电容器并联后,再与串联电抗器共同组成串联谐振电路。电网稳态时，限流器形成谐振，对电网无影响；电网发生故障时，饱和电抗器Xs，使得电容器Xc处于短路状态，串联电抗器X1自动限流。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。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出一种用于输配电网的短路故障限流器，它结构简单、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：

本发明的一种谐振式超导短路故障限流器由电抗器、超导线圈、电容器、开关、第一电阻、第二电阻、第一避雷器和第二避雷器组成。

超导线圈与电容器串联后，与电抗器并联，第一电阻和第一避雷器串联后与超导线圈并联，作为超导线圈的保护回路，第二电阻和第二避雷器串联后，与电容器并联，再与开关并联。其中，超导线圈、电抗器、第一电阻与第一连接点相连，超导线圈、第一避雷器、第二电阻、开关和电容器与第二连接点相连，开关、电抗器、第二避雷器和电容器与第三连接点相连。交流电源连接在第一连接点与地之间，断路器和负载串联后连接在第三连接点与地之间。第一连接点是超导线圈、电抗器、第一电阻和交流电源的公共连接点，第二连接点是超导线圈、第一避雷器、第二电阻、开关和电容器的公共连接点，第三连接点相连是开关、电抗器、第二避雷器、电容器和断路器的公共连接点，构成短路故障限流器。

本发明的主要优点：

1.本发明通过超导线圈与电容器配合，实现在电网稳态运行过程中的谐振，确保了限流器的稳态运行损耗小，提高了限流器的运行效率。

2.本发明的限流器可实现自动故障限流，通过大电流冲击使超导线圈，迫使超导线圈产生电阻来自动限制故障电流，因此，避免了故障判定的误操作和延时性，提高了限流器的可靠性。

3.本发明的限流器在自动限流的基础上，可实现可控限流，进一步提高限流器的限流能力，减小超导带材的使用量。

4.本发明采用超导线圈与电容器的串联谐振，使得超导线圈不再采用无感线圈的绕制方式，显著降低了超导线圈的制作难度，提高了线圈的运行可靠性。

附图说明

图1为已有的饱和电抗型串联谐振限流器的电路原理图；

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含超导线圈的失超电阻的电路原理图；

图4为具体实施例1的故障判定和控制原理图；

图5为本发明具体实施例2的电路原理图；

图6为本发明具体实施例2含超导线圈的失超电阻的电路原理图；

图7为具体实施例1的故障判定和控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明的具体实施例1为一种谐振式超导短路故障限流器。该短路故障限流器包括电抗器L、超导线圈Ls、电容器C、开关K、第一电阻R1、第二电阻R2、第一避雷器M1和第二避雷器M2。

超导线圈Ls与电容器C串联后，与电抗器L并联，第一电阻R1和第一避雷器M1串联后与超导线圈Ls并联，作为超导线圈Ls的保护回路，第二电阻R2和第二避雷器M2串联后，与电容器C并联，再与开关K并联。其中，超导线圈Ls、电抗器L和第一电阻R1与第一连接点A相连，超导线圈Ls、第一避雷器M1、第二电阻R2、开关K和电容器C与第二连接点B相连，开关K、电抗器L、第二避雷器M2和电容器C与第三连接点D相连。交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间。第一连接点A是超导线圈Ls、电抗器L、第一电阻R1和交流电源Uac的公共连接点，第二连接点B是超导线圈Ls、第一避雷器M1、第二电阻R2、开关K和电容器C的公共连接点，第三连接点D相连是开关K、电抗器L、第二避雷器M2、电容器C和断路器SW的公共连接点，构成短路故障限流器。

本发明的具体实施例1的超导线圈Ls基于YBCO超导带材绕制的超导线圈，工作在液氮温度或液氮温度以下的低温环境中。

本发明的具体实施例1的开关K是快速合闸开关，或是反并联晶闸管组，或是可控间隙，或是避雷器，或是快速合闸开关、或是饱和电抗器，或是反并联晶闸管组、可控间隙和避雷器的并联组合，或是快速合闸开关、反并联晶闸管组和避雷器的并联组合，或是反并联晶闸管组、可控间隙和避雷器的并联组合，或是饱和电抗器与快速合闸开关、反并联晶闸管组和避雷器的并联组合。

本发明的具体实施例1的第一电阻R1和第一避雷器M1串联后与超导线圈Ls并联，作为超导线圈Ls的保护回路，使超导线圈Ls免受过压冲击。

本发明的具体实施例1的第二电阻R2和第二避雷器M2串联后与电容器C并联，作为电容器C的保护回路，使电容器C免受过压冲击，同时，吸收电容器C在限流过程中释放的能量。

电网稳态时，开关K处于断开状态，超导线圈Ls和电容器C处于串联谐振状态，谐振阻抗为零，由于串联谐振的存在，限流器对电网不造成影响；同时，超导线圈可以降低电网稳态损耗。

电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，流过超导线圈Ls的电流迅速增大，当超导线圈Ls的电流峰值，即电网电流峰值大于超导线圈Ls的临界电流时，超导线圈Ls失超而产生失超电阻Rs，如图3所示，电网电流受失超电阻Rs影响，形成了失超电阻Rs与电抗器L的分流，即失超电阻Rs与电抗器L共同限流。

同时，当电网电流大于电流阈值时，开关K闭合，电容器C被旁路，超导线圈Ls及其失超电阻Rs与电抗器L并联，形成更大的限流阻抗，共同限制故障电流。通过超导线圈的失超限流实现了限流器限流的自动化，同时，通过开关K的短路作用，提高了限流器的限流能力。

图4所示为本发明的具体实施例1的故障判定和控制原理图。电网电流的有效值Ia在故障过程中快速增加，并随着故障的结束而快速下降。故障判定采用阈值判定方法，设定电流阈值I和偏差△I，采用滞回控制方法来实现开关K的控制，控制信号为“0”和“1”，“0”表示低电平，开关K关断；“1”表示高电平，开关K闭合。按照滞回控制原理，当电网电流的有效值Ia上升到或超过电流阈值上限I+△I时，控制信号由低电平“0”跳变为高电平“1”，信号再经过取反，变为低电平“0”，开关K关断；当电网电流的有效值Ia下降到或低于电流阈值下限I-△I时，控制信号由高电平“1”跳变为低电平“0”，信号再经过取反，变为高电平“1”，开关K闭合。

如图5所示，本发明的具体实施例2为一种谐振式超导短路故障限流器。该限流器包括电抗器L、超导线圈Ls、电容器C、开关K、第一电阻R1、第二电阻R2、第一避雷器M1、第二避雷器M2和第三避雷器M3。

超导线圈Ls、开关K和电容器C依次串联后，与电抗器L并联，第一电阻R1和第一避雷器M1串联后与超导线圈Ls并联，作为超导线圈Ls的保护回路；第二电阻R2和第二避雷器M2串联后，与电容器C并联；第三避雷器M3与开关K并联。其中，超导线圈Ls、电抗器L和第一电阻R1与第一连接点A相连，超导线圈Ls、第一避雷器M1、第三避雷器M3和开关K与第二连接点B相连，电抗器L、第二避雷器M2和电容器C与第三连接点D相连，开关K、第二电阻R2、第三避雷器M3和电容器C与第四连接点E相连。交流电源Uac连接在第一连接点A与地之间，断路器SW和负载R_L串联后连接在第三连接点D与地之间。第一连接点A是超导线圈Ls、电抗器L、第一电阻R1和交流电源Uac的公共连接点，第二连接点B是超导线圈Ls、第一避雷器M1、第三避雷器M3和开关K的公共连接点，第三连接点D是电抗器L、第二避雷器M2，电容器C和断路器SW的公共连接点，第四连接点E是开关K、第二电阻R2、第三避雷器M3和电容器C的公共连接点，构成短路故障限流器。

本发明的具体实施例2的超导线圈Ls基于YBCO超导带材绕制的超导线圈，工作在液氮温度或液氮温度以下的低温环境中。

本发明的具体实施例2的开关K是快速合闸开关，或是断路器。

本发明的具体实施例2的第一电阻R1和第一避雷器M1串联后与超导线圈Ls并联，作为超导线圈Ls的保护回路，使超导线圈Ls免受过压冲击。

本发明的具体实施例2的第二电阻R2和第二避雷器M2串联后与电容器C并联，作为电容器C的保护回路，使电容器C免受过压冲击，同时，吸收电容器C在限流过程中释放的能量。

本发明的具体实施例2的第三避雷器M3与开关K并联，作为开关K的保护回路，使开关K免受过压冲击。

电网稳态时，开关K处于闭合状态，超导线圈Ls和电容器C处于串联谐振状态，谐振阻抗为零，由于串联谐振的存在，限流器对电网不造成影响；同时，超导线圈可以降低电网稳态损耗。

电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，流过超导线圈Ls的电流迅速增大，当超导线圈Ls的电流峰值，即电网电流峰值大于超导线圈Ls的临界电流时，超导线圈Ls失超而产生失超电阻Rs，如图6所示，电网电流受失超电阻Rs影响，形成了失超电阻Rs与电抗器L的分流，即失超电阻Rs与电抗器L共同限流。

同时，当电网电流大于电流阈值时，开关K断开，电抗器L单独限流。电容器C通过第二电阻R2和第二避雷器M2的串联回路释放能量。通过超导线圈的失超限流实现了限流器限流的自动化，同时，通过开关K的短路作用，提高了限流器的限流能力。

图7所示为本发明的具体实施例2的故障判定和控制原理图。电网电流的有效值Ia在故障过程中快速增加，并随着故障的结束而快速下降。故障判定采用阈值判定方法，设定电流阈值I和偏差△I，采用滞回控制方法来实现开关K的控制，控制信号为“0”和“1”，“0”表示低电平，开关K关断；“1”表示高电平，开关K闭合。按照滞回控制原理，当电网电流的有效值Ia上升到或超过电流阈值上限I+△I时，控制信号由低电平“0”跳变为高电平“1”，开关K闭合；当电网电流的有效值Ia下降到或低于电流阈值下限I-△I时，控制信号由高电平“1”跳变为低电平“0”，开关K关断。

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，进一步调节超导无感线圈和电抗器的参数，可以达到更好的限流效果。

Claims

1.一种谐振式超导短路故障限流器，其特征是：所述的短路故障限流器包括电抗器(L)、超导线圈(Ls)、电容器(C)、开关(K)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一避雷器(M1)和第二避雷器(M2)；超导线圈(Ls)与电容器(C)串联后与电抗器(L)并联；第一电阻(R1)和第一避雷器(M1)串联后与超导线圈(Ls)并联，作为超导线圈(Ls)的保护回路；第二电阻(R2)和第二避雷器(M2)串联后，与电容器(C)并联，再与开关(K)并联；其中，超导线圈(Ls)、电抗器(L)、第一电阻(R1)与第一连接点(A)相连，超导线圈(Ls)、第一避雷器(M1)、第二电阻(R2)、开关(K)和电容器(C)与第二连接点(B)相连，开关(K)、电抗器(L)、第二避雷器(M2)和电容器(C)与第三连接点(D)相连；交流电源(Uac)连接在第一连接点(A)与地之间，断路器(SW)和负载(R_L)串联后连接在第三连接点(D)与地之间；第一连接点(A)是超导线圈(Ls)、电抗器(L)、第一电阻(R1)和交流电源(Uac)的公共连接点，第二连接点(B)是超导线圈(Ls)、第一避雷器(M1)、第二电阻(R2)、开关(K)和电容器(C)的公共连接点，第三连接点(D)是开关(K)、电抗器(L)、第二避雷器(M2)、电容器(C)和断路器(SW)的公共连接点，构成短路故障限流器。

2.按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：超导线圈(Ls)是采用YBCO超导带材绕制的超导线圈，工作在液氮温度或液氮温度以下的低温环境中。

3.按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：所述的开关(K)是快速合闸开关，或是反并联晶闸管组，或是可控间隙，或是避雷器，或是快速合闸开关、或是饱和电抗器，或是反并联晶闸管组、可控间隙和避雷器的并联组合，或是快速合闸开关、反并联晶闸管组和避雷器的并联组合，或是反并联晶闸管组、可控间隙和避雷器的并联组合，或是饱和电抗器与快速合闸开关、反并联晶闸管组和避雷器的并联组合。

4.按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：所述的第一电阻(R1)和第一避雷器(M1)串联后与超导线圈(Ls)并联，作为超导线圈(Ls)的保护回路，使超导线圈(Ls)免受过压冲击。

5.按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：所述的第二电阻(R2)和第二避雷器(M2)串联后与电容器(C)并联，作为电容器(C)的保护回路，使电容器(C)免受过压冲击，同时吸收电容器(C)在限流过程中释放的能量。

6.按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：电网稳态时，所述的开关(K)处于断开状态，超导线圈(Ls)和电容器(C)处于串联谐振状态，谐振阻抗为零；电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，流过超导线圈(Ls)的电流迅速增大，当超导线圈(Ls)的电流峰值，即电网电流峰值大于超导线圈(Ls)的临界电流时，超导线圈(Ls)失超而产生失超电阻(Rs)，电网电流受失超电阻(Rs)影响，形成了失超电阻(Rs)与电抗器(L)的分流，即失超电阻(Rs)与电抗器(L)共同限流；同时，当电网电流大于电流阈值时，开关(K)闭合，电容器(C)被旁路，超导线圈(Ls)及其失超电阻(Rs)与电抗器(L)并联，形成更大的限流阻抗，共同限制故障电流。

7.一种谐振式超导短路故障限流器，其特征是：所述的短路故障限流器包括电抗器(L)、超导线圈(Ls)、电容器(C)、开关(K)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一避雷器(M1)、第二避雷器(M2)和第三避雷器(M3)；超导线圈(Ls)、开关(K)和电容器(C)依次串联后，与电抗器(L)并联，第一电阻(R1)和第一避雷器(M1)串联后与超导线圈(Ls)并联，作为超导线圈(Ls)的保护回路，第二电阻(R2)和第二避雷器(M2)串联后，与电容器(C)并联，第三避雷器(M3)与开关(K)并联；其中，超导线圈(Ls)、电抗器(L)和第一电阻(R1)与第一连接点(A)相连，超导线圈(Ls)、第一避雷器(M1)、第三避雷器(M3)和开关(K)与第二连接点(B)相连，电抗器(L)、第二避雷器(M2)和电容器(C)与第三连接点(D)相连，开关(K)、第二电阻(R2)、第三避雷器(M3)和电容器(C)与第四连接点(E)相连；交流电源(Uac)连接在第一连接点(A)与地之间，断路器(SW)和负载(R_L)串联后连接在第三连接点(D)与地之间；第一连接点(A)是超导线圈(Ls)、电抗器(L)、第一电阻(R1)和交流电源(Uac)的公共连接点，第二连接点(B)是超导线圈(Ls)、第一避雷器(M1)、第三避雷器(M3)和开关(K)的公共连接点，第三连接点(D)是电抗器(L)、第二避雷器(M2)、电容器(C)和断路器(SW)的公共连接点，第四连接点(E)是开关(K)、第二电阻(R2)、第三避雷器(M3)和电容器(C)的公共连接点，构成短路故障限流器。

8.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：所述的超导线圈(Ls)是基于YBCO超导带材绕制的超导线圈，工作在液氮温度或液氮温度以下的低温环境中。

9.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：所述的开关(K)是快速合闸开关，或是断路器。

10.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：所述的第一电阻(R1)和第一避雷器(M1)串联后与超导线圈(Ls)并联，作为超导线圈(Ls)的保护回路，使超导线圈(Ls)免受过压冲击。

11.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：所述的第二电阻(R2)和第二避雷器(M2)串联后与电容器(C)并联，作为电容器(C)的保护回路，使电容器(C)免受过压冲击，同时吸收电容器(C)在限流过程中释放的能量。

12.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：所述的第三避雷器(M3)与开关(K)并联，作为开关(K)的保护回路，使开关(K)免受过压冲击。

13.按照权利要求7所述的短路故障限流器，其特征是：电网稳态时，所述的开关(K)处于闭合状态，超导线圈(Ls)和电容器(C)处于串联谐振状态，谐振阻抗为零；电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，流过超导线圈(Ls)的电流迅速增大，当超导线圈(Ls)的电流峰值，即电网电流峰值大于超导线圈(Ls)的临界电流时，超导线圈(Ls)失超而产生失超电阻(Rs)，电网电流受失超电阻(Rs)影响，形成了失超电阻(Rs)与电抗器(L)的分流，即失超电阻(Rs)与电抗器(L)共同限流；同时，当电网电流大于电流阈值时，开关(K)断开，电抗器(L)单独限流；电容器(C)通过第二电阻(R2)和第二避雷器(M2)的串联回路释放能量；通过超导线圈的失超限流实现了限流器限流的自动化，同时，通过开关(K)的短路作用，提高了限流器的限流能力。