CN105703344A - 一种新型电力电缆短路电流限制器 - Google Patents

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陈传清
郭左
金伟
衡凤平
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    • H02H9/04—Emergency protective circuit arrangements for limiting excess current or voltage without disconnection responsive to excess voltage

Abstract

本发明公开了一种新型电力电缆短路电流限制器，包括金属氧化物压敏电阻、铁芯、绕组线圈、快速开关以及快速开关控制器，快速开关及快速开关控制器、铁芯及绕组线圈和金属氧化物压敏电阻三部分并联组成。其中铁芯及绕组线圈在故障发生时串入系统中产生非线性电感来限制短路电流，快速开关串接于系统线路中，由快速开关控制器控制其打开或闭合，金属氧化物压敏电阻为快速开关断开和闭合时提供过电压支持。其显著效果是：不需要加设直流偏置电路来使铁芯达到饱和，系统在正常工作状态下零损耗，在系统单相保护中只需要一个铁芯，三相保护也只需要三个铁芯。本发明具备结构简单、操作方便及工作可靠等优点。

Description

一种新型电力电缆短路电流限制器
技术领域
本发明涉及一种电流限制装置，具体涉及在输电过程中城市电网发生短路故障时对电流起限制作用的一种新型电力电缆短路电流限制器。
背景技术
城市电网的改造大量电力电缆投入使用，智能电网的发展以及各种大型电站的接入使得当前城市电力网短路电流水平逼近现有断路器容量的上限。电力电缆大都埋与地下因短路过流损坏电力电缆维修非常不便。城市电网电力电缆限流就显的尤为重要。在电力负荷密集区域，此类问题尤为突出。常规技术措施如母线分段、固定串联电抗、环网解列等都会给电网运行带来不小的负面影响。短路电流限制器已成为应对短路电流快速增长的重要手段，短路电流限制器经历了机械开关型短路电流限制器、超导型短路电流限制器、电力电子型短路电流限制器和混合型短路电流限制器四个不同的历史阶段。目前，短路电流限制器的种类繁多，根据工作原理及材料的不同大致可分为两类：常规材料型短路电流限制器和超导型短路电流限制器。常规材料型短路电流限制器一般采用电力电子开关技术，主要包括固态限流器、电弧电流转移型限流器以及PTC热敏电阻限流器等。超导型短路电流限制器主要应用超导技术和超导材料。超导型短路电流限制器是目前研究的热点之一，其类型也较为多样化。根据超导材料特性的不同，可分为低温超导短路电流限制器和高温超导短路电流限制器；根据其工作原理的不同可分为电阻型，磁屏蔽型，变压器型，三相电抗器型，桥路型，有源型，饱和铁芯型等。
对当前城市电力网来说，最有前途的就是饱和铁芯型超导短路电流限制器。此类短路电流限制器的优点非常突出，在其工作期间，直流偏置线圈没有超导态到常态之间的转变，因此该装置的反应时间和恢复时间都很短，克服了传统超导型短路电流限制器故障恢复时间过长的难题。但是其缺点也是明显的，首先，直流偏置系统在短路故障期间需要承受巨大的故障电流，因此对线圈的要求很高；其次，直流偏置系统通常采用超导材料，超导材料需要冷却，这将导致大量的操作损耗；另外，在现有的设计中，每个铁芯限制半个周期的交流正弦电流，因此一个单相系统的全短路电流保护需要两个铁芯，一个三相系统就需要六个铁芯，这就增加了限流器的尺寸、重量以及成本。
发明内容
本发明的目的是：针对传统饱和铁芯型超导短路电流限制器中存在偏置线圈要求高、操作损耗多、尺寸偏大及成本过高等不足，提出一种新型电力电缆短路电流限制器的设计，该短路电流限制器不仅不需要直流偏置系统，而且单相保护只需要一个铁芯，三相系统也只需三个铁芯，大大降低了成本，缩减了铁芯和总体的尺寸及重量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型电力电缆短路电流限制器，包括金属氧化物压敏电阻3、铁芯4、绕组线圈5、快速开关6、快速开关控制器7；快速开关6及快速开关控制器7、铁芯4及绕组线圈5和金属氧化物压敏电阻3三部分并联组成；系统正常运行时，铁芯4及绕组线圈5并联于系统中，系统发生短路时，铁芯4及绕组线圈5串联于系统中；快速开关6串接于系统线路中，由快速开关控制器7检测故障发生与否来控制其打开或闭合；所述金属氧化物压敏电阻3为氧化锌压敏电阻或氧化钛压敏电阻。
本发明的工作原理为：系统正常运行时，快速开关6闭合，负载电流流过快速开关6，铁芯4上的绕组线圈5中没有电流流过，因此铁芯4内无磁通产生，此时新型短路电流限制器零损耗。短路故障发生时，一旦快速开关控制器7检测到短路故障的发生，新型短路电流限制器进入故障限流模式。快速开关6在5ms内断开，将故障电流转入绕组线圈5，突然流入的正弦交流短路电流将产生一个变化的外加磁场，从而在铁芯4中产生磁通，铁芯4的滞后效应可产生强大的非线性电感来达到限制短路电流的目的。由于一个铁芯4就可以遍历整个磁滞曲线，因此短路电流的正负半周均能得到有效限制。短路故障排除后，当断路器动作切除故障后，快速开关控制器7检测到短路故障被排除，立即控制快速开关6重新闭合，新型短路电流限制器恢复正常工作状态。
由于在快速开关6断开和闭合的瞬间，将会产生较大的操作过电压，会对系统中的设备造成一定危害。为了抑制操作过电压，在快速开关6上并联一个金属氧化物压敏电阻3，用于吸收快速开关6开闭瞬间产生的过电压，从而保护机械接触开关及设备。
与传统饱和铁芯型超导短路电流限制器所不同的是，该新型短路电流限制器中的铁芯4并联于系统中，而非串联，因此不需要加设直流偏置电路来使铁芯4达到饱和，而系统在正常工作状态下电流仅流经快速开关6而非铁芯4上的绕组线圈5，因此实现了正常工作期间零损耗的目标。另外，一个铁芯4就可以遍历整个磁滞曲线，可以限制短路电流的正负半周，故该新型短路电流限制器单相保护只需要一个铁芯4，三相保护也只需要三个铁芯4，缩减了短路电流限制器的总体尺寸、重量和成本，在总体上提高了短路电流限制器的功能。
本发明的有益效果是：提出了一种新型电力电缆短路电流限制器，在较为简便的条件下达到良好的短路电流限制作用。
附图说明
图1是本发明的原理图。
图2是本发明在限流回路工作的流程图。
图3是本发明故障检测电路原理图。
图4是未加本发明时在saber软件下的两相相间短路电流波形仿真图。
图5是加入本发明后在saber软件下的两相相间短路电流波形仿真图。
其中：1、电源；2、电力电缆等效阻抗；3、金属氧化物压敏电阻；4、铁芯；5、绕组线圈；6、快速开关；7、快速开关控制器；8、系统回路等效负载；9、系统短路故障点；10、接地线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明是由金属氧化物压敏电阻3、铁芯4、绕组线圈5、快速开关6、快速开关控制器7构成，其中快速开关6及快速开关控制器7、铁芯4及绕组线圈5和金属氧化物压敏电阻3三部分并联组成。
压敏电阻是一种具有非线性伏安特性的电阻器件，主要用于在电路承受过压时进行钳位，吸收多余的电流以保护敏感器件。本发明中的金属氧化物压敏电阻3采用的是氧化锌压敏电阻或氧化钛压敏电阻。铁芯4是本发明主要的磁路部分，当系统发生故障时，铁芯4需要工作在不饱和状态才能呈现高阻特性来抑制系统中的短路电流。因此可以把铁磁材料的外壳设计成类似于变压器的形状，由两个C形铁块连接在一起构成。由于本发明不需要直流偏置电路，所以铁块中间的第三条腿就不再需要，大大降低了铁芯4的成本。综合考虑各种铁磁材料的磁滞回线和饱和磁通密度，本发明选择钕作为铁芯4的材料。铁芯4的截面积主要由短路情况下其承受的短路容量所决定，本发明以10KV电压等级系统为例。一般10kV电压等级的系统最大短路电流已超过40kA，这就需要采用50kA等级的断路器，因此在设计新型短路电流限制器时，设计最大允许短路电流为50kA，经计算，本发明中铁芯4的截面为边长为20cm的正方形，磁路长度为2.3m。当系统发生短路故障，快速开关6断开后，巨大的短路电流将瞬间流入绕组线圈5，产生大量的热量使绕组线圈5温度迅速升高。因此，在选择绕组线圈5时，不仅要考虑其对于巨大冲击电流的耐受性，还要考虑其耐热性和绝缘效果。在材料的选择上，本发明采用的是QZ聚酯漆包圆铜线，其直径为1mm。另外，线圈匝数的选择将直接关系到装置的限流效果。经推算，本发明选取线圈匝数为60。快速开关6和快速开关控制器7集成断路器、接触器、热继电器及隔离器为一体，具有短路分析能力高、体积小、功能全、操作寿命长和可靠性高等特点。
图2是本发明在限流回路工作的流程图，具体流程为：在建得铁芯4磁滞回线Preisach模型的基础上，首先对流入绕组线圈5的短路电流进行测量采样，并进行电流变化率的计算，通过采样得到的电流值计算出此刻的磁场强度H值，再寻找到该值所对应磁滞回线上的磁通密度B值。由于B-H特性曲线上每一个H值都对应有两个B值，此时就需要根据电流变化率来对其进行选择。在找到采样电流值所对应磁滞回线上的点后，对该点求导，即可得出该点的磁导率u，再通过该值求出需要实时串入系统中的限流器电感L值。
图3是本发明故障检测电路原理图，在本发明中，快速开关控制器7的作用举足轻重。其作用主要是准确并及时地检测出系统短路故障的发生和排除，并要将此检测结果反映到快速开关6的开断状态上，因此故障检测回路性能的好坏将直接影响本发明的限流效果。本发明中故障检测电路由移相电路和电平检测电路两部分组成，采用的是基于系统电流幅值变化的检测算法。系统正常工作时，c点电压为零，电平检测电路不翻转，当短路故障发生时，移相电路的滞后效应引起c点电压变化，致使电平检测电路翻转发出故障信号。
图4是在10kV系统中未投入本发明时在saber软件下的两相相间短路电流波形仿真图。图5是在同等条件下投入本发明后在saber软件下的两相相间短路电流波形仿真图。很明显，由图4中电流波形可以看出系统在发生两相相间短路故障时，短路电流峰值接近40kA，稳态短路电流也有近20kA。加入本发明之后从图5中可发现短路电流的幅值得到了有效的限制，短路电流峰值由原来的40kA下降到了20kA以内，稳态短路电流也由原来的20kA限制到了10kA以内，限幅率达到了50%以上。这说明本发明对短路电流具有良好的限制作用，能达到预期设计目的。

Claims (3)

1.一种新型电力电缆短路电流限制器，包括金属氧化物压敏电阻3、铁芯4、绕组线圈5、快速开关6、快速开关控制器7，快速开关6及快速开关控制器7、铁芯4及绕组线圈5和金属氧化物压敏电阻3三部分并联组成，其特征在于：系统正常运行时，铁芯4及绕组线圈5并联于系统中，系统发生短路时，铁芯4及绕组线圈5串联于系统中。
2.根据权利要求1所述的一种新型电力电缆短路电流限制器，其特征在于：快速开关6串接于系统线路中，由快速开关控制器7检测故障发生与否来控制其打开或闭合。
3.根据权利要求1所述的一种新型电力电缆短路电流限制器，其特征在于：所述金属氧化物压敏电阻3为氧化锌压敏电阻或氧化钛压敏电阻。
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