CN104332977A - 磁通约束型三相故障电流限制器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁通约束型三相故障电流限制器，属于电工技术领域。本发明包括故障电流限制器本体，所述故障电流限制器为变压器铁芯，变压器铁芯上安装有三相耦合绕组，各相耦合绕组以相同的方向卷绕在变压器铁芯上，各相耦合绕组各自接入电网的三相线路中的其中一相线路。本发明能够在系统正常状态下，对系统传输功率及线路电流无影响，在发生单相接地故障时，能快速并有效抑制故障相电流的增大，本发明中磁通约束性故障电流限制器的整机损耗较低，损耗主要为铜损，其响应速度快，相比常规故障电流限制器，本发明中故障电流限制器在故障发生时刻，基于磁通约束机理，可实现故障电流的及时响应，响应时间短，应对故障电流反应迅速。

Description

磁通约束型三相故障电流限制器
技术领域
本发明属于电工技术领域，更准确地说本发明涉及一种适用于电力系统短路保护的故障电流限制器。
背景技术
随着城市建设的迅速发展，电网中负荷和负荷密度的的增加，电力系统的输送容量不断提升，电力系统的网络架构愈加复杂，导致电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加。部分地区的短路容量已经达到甚至超过断路器的开断容量，而大容量断路器受限于制造水平和高造价，故障电流过大已严重威胁到电力系统的安全稳定性，对电网的输送能力也构成限制瓶颈。
故障电流限制器（Fault Current Limitation，FCL），可以有效限制电网在故障状态下的暂态故障电流，在不改变电网架构的前提下，保持电网继电保护的可靠性和现有配置，提高电网的稳态安全性和暂态稳定性，是当前超高压电网建设中重要的电力装备之一。
故障电流限制器的工作机理为：在系统正常时呈现低阻抗，降低对电网正常运行的影响到最小程度；在接地故障等异常发生时，呈现高阻抗，从而对电网短路电流水平构成最大程度的限制。故障电流限制器的主要优势有：1、减轻断路器的开断压力；2、减少线路损耗，改善系统功角稳定性；3、避免电力设备达到选型时的热稳定极限，提高利用率。
故障电流限制器当前比较成熟的类别有：谐振型故障电流限制器、超导故障电流限制器(中科院电工所)、磁控开关型故障电流限制器（上海交大）、新型固态限流器（浙江大学）。超导故障电流限制器反应速度快，损耗低，缺点是冷却系统昂贵、材料不稳定；固态限制器基于全控器件，具有快速限制和分段能力，但造价高、损耗大；谐振型故障限制器可实现自触发，但体积大、造价高。
中国专利文件CN 103825262A公开了一种双回线用的故障电流限制器，采用了装于铁心柱的两耦合线圈的结构，可以一定程度实现故障电流的限制。但是，该技术方案也存在一些问题，主要在于：1）这种故障电流限制器只能是用于双回线（每一回线均为三相线路），因此对于普通单回线路或电缆线路无法使用，且双回线路主要侧重于220KV或500KV的输电系统，应用范围较为局限；2）故障电流限制器仅可应对三相接地故障，对电网尤其是配电网中常见的单相接地故障难以起到效果；3）成本较高，双回线路的各自相均需要一个铁芯组成限制回路，因而三相共需3个铁芯，从而大大增加了成本。
因此，目前迫切需要一种能够适用于单一回路的输配电线路、涵盖低压线路到500KV高压输电线路且能够应对单相接地故障的故障电流限制器。
发明内容
本发明的目的是：为了克服现有技术中故障电流限制器的缺陷，提供一种基于磁通约束的故障电流限制器，该故障电流限制器能够适用于单一回路的输配电线路、涵盖低压线路到500KV高压输电线路且能够应对单相接地故障，从而适应在电网短路容量不断增大的情况下对故障电流限制器这种电网建设重要设备的需求，实现维持系统继电保护配置和稳定、提高电网暂态稳定性和稳态安全性。
相比于常规故障电流限制器在成本、体积、系统复杂度、触发速度等性能指标难以兼顾，本发明依据磁通平衡原理，提出在某相线路发生接地故障时，另外两相电流产生的磁通对故障相的短路电流实现限制。本发明的磁通约束型的故障电流限制器设备结构简单，易于工程化，可兼顾成本、体积、系统复杂度、触发速度等性能指标。
具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括故障电流限制器本体，所述故障电流限制器为变压器铁芯，变压器铁芯上安装有三相耦合绕组，各相耦合绕组以相同的方向卷绕在变压器铁芯上，各相耦合绕组各自接入电网的三相线路中的其中一相线路。由于采用了三相耦合绕组，这样在电网发生单向线路接地故障时，非故障相电流所产生磁通可以对故障相电流进行限制，从而确保故障相电流在断路器开断电流范围内，实现故障电流限制。
上述技术方案的进一步特征在于，所述变压器铁芯为单相双柱式铁芯。
上述技术方案的进一步特征在于，各相耦合绕组的变比为1：1：1。这可保证电网在正常运行时的电压和潮流平衡，以及铁芯柱内磁通和磁势的平衡。
上述技术方案的进一步特征在于，各相耦合绕组的进线点和出线点分别并联有旁路开关。旁路开关的作用有二：1）在故障电流限制器发生故障时，可以利用旁路开关将故障电流限制器切除；2）在发生单向线路接地故障后继电保护会将故障相线路切除，此时可以利用旁路开关将其余非故障相线路与故障电流限制器旁路，保证非故障相线路的功率平衡，从而维持非故障相线路的运行。
上述技术方案的进一步特征在于，故障电流限制器安装于三相平衡的电缆线路或架空线路的首端、中部或末端。
本发明的有益效果如下：本发明能够适用于单一回路的输配电线路、涵盖低压线路到500KV高压输电线路，在系统正常状态下，本发明对系统传输功率及线路电流无影响，在发生单相接地故障时，则能快速并有效抑制故障相电流的增大。本发明的磁通约束性故障电流限制器的整机损耗较低，损耗主要为铜损，具有良好的损耗性能。相比常规故障电流限制器，本发明能够在故障发生时刻基于磁通约束机理，实现故障电流的及时响应，响应时间短，应对故障电流反应迅速。本发明的三相耦合绕组可以共用一个铁芯，成本较低。
附图说明
图1为磁通约束型故障电流限制器结构原理图。
图2 为磁通约束性故障电流限制器带旁路开关的结构原理图。
图3为磁通约束型故障电流限制器的系统接入图。
图4为不接入故障电流限制器情况下系统正常工作时A、B、C三相线路的仿真电流图。
图5为接入故障电流限制器情况下系统正常工作时A、B、C三相线路的仿真电流图。
图6为不接入故障电流限制器情况下系统发生单相接地故障时A、B、C三相线路的仿真电流图。
图7为接入故障电流限制器情况下系统发生接地故障时A、B、C三相线路的仿真电流图。
具体实施方式
下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
图1和图3为本发明的一个实施例。如图1所示，该实施例的磁通约束型三相故障电流限制器，由一个变压器铁芯作为故障电流限制器本体，该变压器铁芯为单相双柱式铁芯。变压器铁芯上安装有三相耦合绕组A、B和C用于与电网的三相线路连接，其中A相耦合绕组接入电网的A相线路，B相耦合绕组接入电网的B相线路，C相耦合绕组接入电网的C相线路，各相耦合绕组以相同的方向卷绕在变压器铁芯上。
如图3所示，当电网发生单向线路接地故障如C相线路发生接地故障时，则可通过A相电流Ia和B相电流Ib经A相耦合绕组、B相耦合绕组所产生磁通对C相电流Ic进行限制，从而确保Ic在断路器开断电流范围内，实现对故障相电流的限制。
各相耦合绕组的变比为1：1：1，保证电网在正常运行时的电压和潮流平衡，以及铁芯柱内磁通和磁势的平衡。故障电流限制器安装于三相平衡的电缆线路或架空线路的首端、中部或末端。
实施例二：
图2给出了本发明的第二个实施例。该实施例与第一个实施例的区别在于各相耦合绕组的进线点和出线点还分别并联有旁路开关ka、kb和kc。旁路开关的作用有二：1）在故障电流限制器发生故障时，可以利用旁路开关将故障电流限制器切除；2）在发生单向线路接地故障后继电保护会将故障相线路切除，此时可以利用旁路开关将其余非故障相线路与故障电流限制器旁路，保证非故障相线路的功率平衡，从而维持非故障相线路的运行。
图4至图7给出了本发明的实施效果的仿真电流图。图4表明在不接入本发明的磁通约束型三相故障电流限制器时电网正常运行时的三相电流瞬时值，其幅值设定为148A。图5表明在接入本发明的磁通约束型三相故障电流限制器时电网正常运行时的三相电流瞬时值，幅值设定为147A。可见，在电网正常工作时，本发明的磁通约束型三相故障电流限制器的接入对系统电流及输送功率基本无影响
图6表明不接入本发明的磁通约束型三相故障电流限制器时电网发生单相接地故障运行时的三相电流瞬时值，其中A相电流为3482A，B、C相电流为148A，可看出故障电流较大。图7表明接入本发明的磁通约束型三相故障电流限制器时电网发生单相接地故障运行时的三相电流瞬时值，其中A相电流为423A，B、C相电流为148A。因此，本发明的磁通约束型三相故障电流限制器确实对单相接地故障的故障电流起到较大的抑制作用。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.磁通约束型三相故障电流限制器，包括故障电流限制器本体，其特征在于，所述故障电流限制器为变压器铁芯，变压器铁芯上安装有三相耦合绕组，各相耦合绕组以相同的方向卷绕在变压器铁芯上，各相耦合绕组各自接入电网的三相线路中的其中一相线路。
2.根据权利要求1所述的磁通约束型三相故障电流限制器，其特征在于，所述变压器铁芯为单相双柱式铁芯。
3.根据权利要求1所述的磁通约束型三相故障电流限制器，其特征在于，各相耦合绕组的变比为1：1：1。
4.根据权利要求1所述的磁通约束型三相故障电流限制器，其特征在于，各相耦合绕组的进线点和出线点分别并联有旁路开关。
5.根据权利要求1~4任一所述的磁通约束型三相故障电流限制器，其特征在于，故障电流限制器安装于三相平衡的电缆线路或架空线路的首端、中部或末端。
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