CN105305369B - 一种基于晶闸管的固态故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，该固态故障电流限制器包括三个单相电流限制器，每个单相电流限制器均包括主电路和断路器；主电路包括串联的第一限流电抗器和第二限流电抗器，以及第一晶闸管和第二晶闸管；该固态故障电流限制器串联接入输电线中，在线路无故障时正常工作，晶闸管持续导通，电流限制器等效阻抗基本为0；线路发生短路故障后，无延迟自动进入限流工作状态，限制短路电流第一个峰值，之后通过去掉晶闸管的触发信号，将两个限流电抗器完全接入线路，限制短路电流稳态值。本发明对故障识别速度要求低，无需增加旁路限流电抗器，结构简单，可靠性高，便于工程应用。

Description

一种基于晶闸管的固态故障电流限制器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于晶闸管的固态故障电流限制器。

背景技术

电力系统的迅速发展，导致了一个新的突出问题，即各级电网中的短路电流水平不断增加。系统中部分地区的短路电流已经达到甚至超过了断路器遮断容量，严重威胁系统的安全运行。提高电压等级、采用串联电抗等传统电流限制技术虽然可一定程度上抑制系统的短路电流，但都会对系统的正常运行造成负面影响。使用故障电流限制器(FaultCurrent Limiter，FCL)成为解决短路电流超标问题的新途径，其特点是在电力系统正常运行时呈现零阻抗或低阻抗，在电力系统发生短路故障时阻抗迅速增大，达到快速限制短路电流的目的。

随着大功率电力电子器件的进步，出现了固态故障电流限制器(Solid StateFCL)。固态FCL的基础模块是由晶闸管或可关断电力电子器件与限流元件、控制系统组成。常用的固态FCL主要有以下几种：

1、并联开关型FCL

反向并联的全控型器件与限流电抗或电阻并联，正常时电流流过全控型器件，故障后器件关断，限流电阻或电抗接入系统抑制短路电流。该方案结构较为简单，但会产生很高的暂态过电压，且全控型器件成本较高。

2、桥式固态FCL

将基于晶闸管的整流桥串联接入系统，直流侧为限流电抗，正常时FCL对系统无明显影响，故障后随着电流增大，限流电抗自动起到限流作用。该方案可自动限制短路电流第一个峰值，但为了限制稳态短路电流，需另设旁路限流电抗。

3、串联谐振型FCL

电抗器和电容器串联，两者处于工频下的串联谐振态，正常时阻抗为零。故障发生后，快速旁路电容器，电抗器起到限制短路电流作用。该方案损耗小，且已有示范工程应用，但保护和旁路设备复杂，占地和成本较高。

上述几种方案在技术难度、成本与占地方面都存在不足或欠缺，因此需要提供一种能够在正常运行时对电力系统没有影响，且故障发生后自动限制短路电流的新型固态故障电流限制器。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种基于晶闸管的固态故障电流限制器。

本发明的技术方案是：

所述固态故障电流限制器包括三个单相电流限制器，每个单相电流限制器均包括主电路和断路器；所述主电路包括串联的第一限流电抗器和第二限流电抗器，以及第一晶闸管和第二晶闸管；

所述第一晶闸管并联在第一限流电抗器两端，第一晶闸管的阴极接入第一限流电抗器与第二限流电抗器之间；所述第二晶闸管并联在第二限流电抗器两端，第二晶闸管的阴极也接入第一限流电抗器与第二限流电抗器之间；

所述断路器，用于旁路所述主电路。

优选的，所述断路器并联在所述第一限流电抗器和第二限流电抗器组成的串联支路的两端；

所述第一限流电抗器和第二限流电抗器串联接入电力系统的输电线中；

优选的，所述固态故障电流限制器还包括降压变压器；

所述主电路接入该降压变压器的低压侧绕组，所述断路器并联在该降压变压器的高压侧绕组两端；所述高压侧绕组串联接入电力系统的输电线中；

优选的，所述固态故障电流限制器的工作模式包括启动模式、正常运行模式和限流模式；

当所述固态故障电流限制器进入启动模式时：固态故障电流限制器启动且未进入正常运行状态，所述断路器由合闸状态进入分闸状态；

当所述固态故障电流限制器进入正常运行模式时：固态故障电流限制器进入正常运行状态且未进入限流状态，所述断路器处于分闸状态；

当所述固态故障电流限制器进入限流模式时：固态故障电流限制器进入限流状态，所述断路器处于分闸状态；

优选的，所述固态故障电流限制器进入启动模式包括：

持续向第一晶闸管和第二晶闸管发送导通信号；

触发断路器分闸，电力系统的电流通过第一晶闸管为第二限流电抗器充磁，以及通过第二晶闸管为第一限流电抗器充磁；

优选的，当所述固态故障电流限制器进入正常运行模式时：持续向第一晶闸管和第二晶闸管发送导通信号，第一限流电抗器和第二限流电抗器不产生无功压降；

优选的，所述限流模式包括第一限流模式和第二限流模式；

所述第一限流模式为短路故障发生时固态故障电流限制器的限流模式，第二限流模式为短路故障被检测到后固态故障电流限制器的限流模式；

当固态故障电流限制器进入第一限流模式时：第一晶闸管和第二晶闸管交替截止，第一限流电抗器和第二限流电抗器迅速交替接入电力系统的输电线进行限流；

当固态故障电流限制器进入第二限流模式时：迅速撤掉第一晶闸管和第二晶闸管的触发信号，在电压反向时所述第一晶闸管和第二晶闸管关断，第一限流电抗器和第二限流电抗器同时接入电力系统的输电线。

与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：

1、电力系统发生短路故障后，限流电抗器无延迟自动起到限流作用，与并联开关型FCL和串联谐振型FCL相比，降低了对故障识别速度的要求，从而能够可靠地限制短路电流第一个峰值，减少短路电流对电力设备的影响；

2、本发明提供的一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，与桥式固态FCL相比，能够有效限制短路电流的稳态值，无需增加旁路限流电抗器；

3、本发明提供的一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，在正常工作和限流工作过程中均不会产生暂态冲击电压，从而使得对保护装置的要求降低；

4、本发明提供的一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，不包含全控型电力电子器件，降低了成本；所用元器件少，结构和控制策略简单，运行可靠性高，有利于工程应用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1：本发明实施例中一种基于晶闸管的固态故障电流限制器结构示意图；

图2：本发明实施例中另一种基于晶闸管的固态故障电流限制器结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明提供的一种基于晶闸管的固态故障电流限制器包括三个单相电流限制器，每个单相电流限制器均包括主电路和断路器。其中，

1、主电路

该主电路包括串联的第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2，以及第一晶闸管T1和第二晶闸管T2。

第一晶闸管T1并联在第一限流电抗器L1两端，第一晶闸管T1的阴极接入第一限流电抗器L1与第二限流电抗器L2之间。

第二晶闸管T2并联在第二限流电抗器L2两端，第二晶闸管T2的阴极也接入第一限流电抗器L1与第二限流电抗器L2之间。

本实施例中第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2的电抗值相等，用于限制短路电流。第一晶闸管T1和第二晶闸管T2在固态故障电流限制器处于正常工作状态时为限流电抗器提供续流通道，发生短路故障后反向关断，将限流电抗器完全接入电力系统的输电线中。

2、断路器

该断路器K用于旁路主电路，当固态故障电流限制器发生故障后将其旁路，便于检修。

本发明提供了两种结构的固态故障电流限制器，具体为：

1、第一种固态故障电流限制器

如图1所示，断路器K并联在第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2组成的串联支路的两端。第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2串联接入电力系统的输电线中。

当断路器K断开时启动主电路。

2、第二种固态故障电流限制器

如图2所示，固态故障电流限制器还包括一个降压变压器。主电路接入该降压变压器的低压侧绕组，断路器K并联在该降压变压器的高压侧绕组两端；高压侧绕组串联接入电力系统的输电线中。

当断路器K断开时启动主电路。

本发明中基于晶闸管的固态故障电流限制器的工作模式包括启动模式、正常运行模式和限流模式。其中，

1、启动模式

当固态故障电流限制器进入启动模式时：固态故障电流限制器启动且未进入正常运行状态，断路器由合闸状态进入分闸状态，即启动过程是给晶闸管触发信号，断路器从合闸到分闸，然后电抗器充磁，并不是启动时断路器处于合闸状态。

固态故障电流限制器进入启动模式的步骤为：

(1)持续给第一晶闸管和第二晶闸管导通信号；

(2)触发断路器分闸，电力系统的电流通过第一晶闸管为第二限流电抗器充磁，以及通过第二晶闸管为第一限流电抗器充磁。

如图1所示：

①：持续给第一晶闸管T1和第二晶闸管T2导通信号；

②：令旁路断路器K分闸；

③：电力系统的电流将分别通过第一晶闸管T1和第二晶闸管T2为第二限流电抗器L2和第一限流电抗器L1充磁；

④：当第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2电流达到输电线电流时，故障电流限制器进入正常运行模式。

2、正常运行模式

当固态故障电流限制器进入正常运行模式时：固态故障电流限制器进入正常运行状态且未进入限流状态，断路器处于分闸状态。同时，本实施例中当固态故障电流限制器进入正常运行模式时：第一晶闸管和第二晶闸管导通信号常加，第一限流电抗器和第二限流电抗器不产生无功压降。

电力系统正常运行时，持续向第一晶闸管T1和第二晶闸管T2发送导通信号，若限流电抗器和晶闸管的有功损耗足够小，则第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2中分别流过近似直流的电流，该电流值为输电线电流的峰值，两者分别通过第一晶闸管T1和第二晶闸管T2续流。此时第一晶闸管T1和第二晶闸管T2一直处于导通状态，输电线电流通过两个晶闸管流通，固态故障电流限制器的总阻抗基本为0。在输电线中电流即电流系统电流达到峰值附近时，第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2会有短暂的充磁过程，固态故障电流限制器具有一定的电抗值，但是该段时间很短，对电力系统的影响较小。

3、限流模式

当固态故障电流限制器进入限流模式时：固态故障电流限制器进入限流状态，断路器处于分闸状态。

本实施例中限流模式包括第一限流模式和第二限流模式，第一限流模式为短路故障发生时固态故障电流限制器的限流模式，第二限流模式为短路故障被检测到后固态故障电流限制器的限流模式：

①：当固态故障电流限制器进入第一限流模式时：第一晶闸管和第二晶闸管交替截止，第一限流电抗器和第二限流电抗器迅速交替接入电力系统的输电线并开始限流；

②：当固态故障电流限制器进入第二限流模式时：迅速撤掉第一晶闸管和第二晶闸管的触发信号，在电压反向时所述第一晶闸管和第二晶闸管关断，第一限流电抗器和第二限流电抗器同时接入电力系统的输电线。

由于输电线的短路电流远大于正常运行时的电流，因此，当短路电流通过固态故障电流限制器时，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2会有长时间的反向截止状态，当第一晶闸管或者第二晶闸管反向截止时，对应的第一限流电抗器L1或者第二限流电抗器L2流通所述短路电流，即第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2自动交替接入电力系统中，固态故障电流限制器无延迟起到限制短路电流峰值的作用。

在检测到电流系统发生短路故障后，同时撤掉第一晶闸管T1和第二晶闸管T2的触发信号，第一晶闸管T1和第二晶闸管T2在反向截止后退出运行，第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2均流通短路电流，第一限流电抗器L1和第二限流电抗器L2共同限制短路电流稳态值。

最后应当说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，其特征在于，所述固态故障电流限制器包括三个单相电流限制器，每个单相电流限制器均包括主电路和断路器；所述主电路包括串联的第一限流电抗器和第二限流电抗器，以及第一晶闸管和第二晶闸管；

所述第一晶闸管并联在第一限流电抗器两端，第一晶闸管的阴极接入第一限流电抗器与第二限流电抗器之间；所述第二晶闸管并联在第二限流电抗器两端，第二晶闸管的阴极也接入第一限流电抗器与第二限流电抗器之间；

所述断路器，用于旁路所述主电路；

所述固态故障电流限制器还包括降压变压器；

所述主电路接入该降压变压器的低压侧绕组，所述断路器并联在该降压变压器的高压侧绕组两端；所述高压侧绕组串联接入电力系统的输电线中。

2.如权利要求1所述的一种基于晶闸管的固态故障电流限制器，其特征在于，所述固态故障电流限制器的工作模式包括启动模式、正常运行模式和限流模式；

当所述固态故障电流限制器进入启动模式时：固态故障电流限制器启动且未进入正常运行状态，所述断路器由合闸状态进入分闸状态；

当所述固态故障电流限制器进入正常运行模式时：固态故障电流限制器进入正常运行状态且未进入限流状态，所述断路器处于分闸状态；

当所述固态故障电流限制器进入限流模式时：固态故障电流限制器进入限流状态，所述断路器处于分闸状态。

3.如权利要求2所述的基于晶闸管的固态故障电流限制器，其特征在于，所述固态故障电流限制器进入启动模式包括：

持续向第一晶闸管和第二晶闸管发送导通信号；

然后触发断路器分闸，电力系统的电流通过第一晶闸管为第二限流电抗器充磁，以及通过第二晶闸管为第一限流电抗器充磁。

4.如权利要求2所述的基于晶闸管的固态故障电流限制器，其特征在于，当所述固态故障电流限制器进入正常运行模式时：持续向第一晶闸管和第二晶闸管发送导通信号，第一限流电抗器和第二限流电抗器不产生无功压降。

5.如权利要求2所述的基于晶闸管的固态故障电流限制器，其特征在于，所述限流模式包括第一限流模式和第二限流模式；

所述第一限流模式为短路故障发生时固态故障电流限制器的限流模式，第二限流模式为短路故障被检测到后固态故障电流限制器的限流模式；

当固态故障电流限制器进入第一限流模式时：第一晶闸管和第二晶闸管交替截止，第一限流电抗器和第二限流电抗器迅速交替接入电力系统的输电线进行限流；

当固态故障电流限制器进入第二限流模式时：迅速撤掉第一晶闸管和第二晶闸管的触发信号，在电压反向时所述第一晶闸管和第二晶闸管关断，第一限流电抗器和第二限流电抗器同时接入电力系统的输电线。