CN105048429A - 强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器及其控制方法 - Google Patents

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隗华荣
武迪
蒋应伟
侯凯
郑建勇
姚磊
梅军
钱滢锋
赵晔
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Southeast University
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Abstract

本发明公开了一种强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器及其控制方法，属于电工技术领域。本发明的强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器分为单相和三相结构，主要由各口字形铁芯、直流线圈和交流线圈组成，其中各口字形铁芯的相邻边合在一起形成组合中间柱，交流线圈分别绕制在各口字形铁芯的相邻边上，同相的交流线圈以同名端相连后串联接入电网，直流线圈绕制在交流线圈外侧，并与可调励磁电源连接，口字型铁芯上设置有气隙，在控制时通过对可励磁电源进行控制，使故障电流限制器在电力系统非故障运行状态和故障运行状态分别呈现低阻抗和高阻抗。本发明结构简单紧凑，易于实现，可靠性高。

Description

强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器及其控制方法
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磁路控制型故障电流限制器及其控制方法。
背景技术
在我国经济持续增长的背景下，我国电力系统的规模迅猛增大，电力系统的发展呈现出装机容量逐渐增大和互联范围逐渐扩大的趋势。随着电力系统输送容量的剧增，电网互联的网络架构愈加复杂，各级电网中的短路电流水平不断增加，特别我国三大负荷中心京津塘、长江三角洲、珠江三角洲的短路电流水平的不断提高，部分地区的短路电流已经达到了断路器的遮断容量。过大的故障电流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形成限制瓶颈。
故障电流限制器（FaultCurrentLimitation，FCL），可以有效限制暂态故障电流，在不改变电网架构的前提下，尽可能保持电网继电保护的可靠性和现有配置，提高电网的稳定性，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：超导故障电流限制器、固态故障电流限制器、爆破型故障电流限制器。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；爆破型故障限制器造价较低，但维护量大。
发明内容
本发明目的是：为了克服现有技术中故障电流限制器的缺陷，提供一种基于磁通控制的强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，并相应提供该类型故障电流限制器的控制方法。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的：
本发明公开的强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器分为单相和三相两种结构，其中，单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，包括故障电流限制器本体、直流线圈和交流线圈，所述故障电流限制器本体包括2个呈180°排列的相邻的口字形铁芯，2个口字形铁芯的相邻边合在一起形成组合中间柱，每个口字型铁芯在相同的位置均设置有大小相同的气隙；所述交流线圈共有2个且绕制的匝数相同，分别绕制在每个口字形铁芯的相邻边上，并以同名端相连后串联接入电网；所述直流线圈有1个，绕制在2个交流线圈的外侧，并与可调励磁电源连接。
上述单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其进一步特征在于，交流线圈绕制的匝数比直流线圈绕制的匝数少。
上述单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其进一步特征在于，气隙设置的位置为口字型铁芯的边柱、上磁轭或者下磁轭。
三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的技术方案则为：包括故障电流限制器本体、直流线圈和交流线圈，所述故障电流限制器本体包括6个相邻的口字形铁芯，6个口字形铁芯的相邻边合在一起形成组合中间柱，使得6个口字型铁芯整体呈围绕组合中间柱而形成的360°圆周结构且其中每两个口字形铁芯呈180°排列，每两个呈180°排列的口字形铁芯构成一相，每个口字型铁芯在相同的位置均设置有大小相同的气隙；所述交流线圈共有6个且绕制的匝数相同，分别绕制在每个口字形铁芯的相邻边上，每相的2个交流线圈以同名端相连后串联接入电网输配电线路的对应相；所述直流线圈有1个，绕制在6个交流线圈的外侧，并与可调励磁电源连接。
上述三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其进一步特征在于，交流线圈绕制的匝数比直流线圈绕制的匝数少。
上述三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其进一步特征在于，气隙设置的位置为口字型铁芯的边柱、上磁轭或者下磁轭。
与上述单相或三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器相适应的控制方法为：当电力系统稳定运行时，对可励磁电源进行控制令各口字形铁芯工作在饱和状态，使故障电流限制器对电力系统呈现低阻抗状态；当电力系统发生短路故障时，控制可励磁电源的输出电流下降至零，使故障电流限制器进入限流工作状态。
本发明的有益效果如下：本发明的单相或三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的结构简单紧凑，不使用超导材料，易于实现，且可靠性高，控制方法简便易行。实践证明，当本发明适用于输配电系统（特别是6~500KV以下的输配电系统）时，在系统正常状态下，本发明对系统输送容量无限制作用，在发生短路故障时，能快速有效抑制故障电流，从而取得良好的控制效果。
附图说明
图1为本发明的三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的俯视图。
图2为本发明的三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的立体图。
图3为本发明的单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的俯视图.
图4为本发明的单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的正视图。
以上图中，1、2分别为单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的第一和第二口字形铁芯，3、4分别为单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的第一和第二交流线圈，5、6分别为单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的第一和第二口字形铁芯上的气隙，7为单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的直流线圈，11为三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的口字形铁芯，12为三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的直流线圈，13为三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的交流线圈，14为三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中的气隙，15为三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器中故障电流限制器本体。
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1：
实施例1为一种三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器。如图1、图2所示，该三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器包括故障电流限制器本体15、6个交流线圈13和1个直流线圈12。故障电流限制器本体15主要由6个相邻的口字形铁芯11组成，6个口字形铁芯11的相邻边合在一起形成组合中间柱，使得6个口字型铁芯整体呈围绕组合中间柱而形成的360°圆周结构且其中每两个口字形铁芯呈180°排列，每两个呈180°排列的口字形铁芯构成一相。
每个口字形铁芯的上磁轭都开有气隙，当然也可以选择在下磁轭或边柱开气隙，但每个口字型铁芯上气隙设置的位置要相同。同时6个气隙的大小要相同，使得各口字形铁芯呈现出相同特性。
每个交流线圈13分别绕制在每个口字形铁芯的相邻边上。每相的2个交流线圈以同名端相连后串联接入电网输配电线路的对应相。直流线圈12绕制在6个交流线圈13的外侧，并与可调励磁电源连接。直流线圈12的匝数较多，通常可设置为几百匝。交流线圈13匝数较少，通常可设置为几十匝。交流线圈13的匝数均相同。
可调励磁电源一般由电力电子器件组成，其作用是，在稳态时通过准确控制开关器件来调节直流线圈电流到指令值，进而改变故障电流限流器对电网呈现的阻抗值。由于故障电流限流器中的铁芯开有气隙，因此铁芯磁化曲线线性度好，输出电抗的调节范围广，整个故障电流限流器引入电网的谐波小。当电力系统稳定运行时，对可励磁电源进行控制令各口字形铁芯工作在饱和状态（即即铁芯材料磁化曲线的饱和区），使故障电流限制器对电力系统呈现低阻抗状态；当电力系统发生单相接地、相间短路、三相短路等故障时，控制可励磁电源的输出电流下降至零使铁芯退饱和，实现电网短路时快速投入故障电流限制器进行限流。
实施例2：
如图3、图4所示，实施例2为一种单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，包括呈180度排列的相邻的第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2、第一交流线圈3、第二交流线圈4和直流线圈7。第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2的相邻边合在一起形成组合中间柱，使得第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2组成故障电流限制器本体。
第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2的边柱上分别设置有气隙5和6，当然也可以选择在下磁轭或上磁轭开气隙，但每个口字型铁芯上气隙设置的位置要相同。同时气隙5和6的大小要相同，使得第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2获得相同的工作特性。
第一交流线圈3、第二交流线圈4的匝数相同，分别绕制在第一口字形铁芯1和第二口字形铁芯2的相邻边上，并以同名端相连后串联接入电网。直流线圈7绕制在第一交流线圈3和第二交流线圈4的外侧，并与可调励磁电源连接。直流线圈7以及第一交流线圈3和第二交流线圈4的匝数可按实施例1设置。
实施例2的控制方法与实施例1相同，在此不再重复。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不用来限定本发明。在不脱离本发明之精神和范围内，所做任何等效变化或润饰，同样属于本发明保护范围。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 (7)

1.一种单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，包括故障电流限制器本体、直流线圈和交流线圈，其特征在于：所述故障电流限制器本体包括2个呈180°排列的相邻的口字形铁芯，2个口字形铁芯的相邻边合在一起形成组合中间柱，每个口字型铁芯在相同的位置均设置有大小相同的气隙；所述交流线圈共有2个且绕制的匝数相同，分别绕制在每个口字形铁芯的相邻边上，并以同名端相连后串联接入电网；所述直流线圈有1个，绕制在2个交流线圈的外侧，并与可调励磁电源连接。
2.根据权利要求1所述的单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其特征在于，交流线圈绕制的匝数比直流线圈绕制的匝数少。
3.根据权利要求1或2所述的单相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其特征在于，气隙设置的位置为口字型铁芯的边柱、上磁轭或者下磁轭。
4.一种三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，包括故障电流限制器本体、直流线圈和交流线圈，其特征在于，所述故障电流限制器本体包括6个相邻的口字形铁芯，6个口字形铁芯的相邻边合在一起形成组合中间柱，使得6个口字型铁芯整体呈围绕组合中间柱而形成的360°圆周结构且其中每两个口字形铁芯呈180°排列，每两个呈180°排列的口字形铁芯构成一相，每个口字型铁芯在相同的位置均设置有大小相同的气隙；所述交流线圈共有6个且绕制的匝数相同，分别绕制在每个口字形铁芯的相邻边上，每相的2个交流线圈以同名端相连后串联接入电网输配电线路的对应相；所述直流线圈有1个，绕制在6个交流线圈的外侧，并与可调励磁电源连接。
5.根据权利要求4所述的三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其特征在于，交流线圈绕制的匝数比直流线圈绕制的匝数少。
6.根据权利要求4或5所述的三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器，其特征在于，气隙设置的位置为口字型铁芯的边柱、上磁轭或者下磁轭。
7.适用于如权利要求1~6任一所述的单相或三相强磁耦合磁饱和开关型故障电流限制器的控制方法，其特征在于，当电力系统稳定运行时，对可励磁电源进行控制令各口字形铁芯工作在饱和状态，使故障电流限制器对电力系统呈现低阻抗状态；当电力系统发生短路故障时，控制可励磁电源的输出电流下降至零，使故障电流限制器进入限流工作状态。
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