CN106385018B - 一种短路故障限流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种短路故障限流器，包括：断路器CB1、转移限流单元和电流检测单元。电流检测单元与断路器CB1串联连接，断路器CB1和转移限流单元并联后接入电力系统线路中；电流检测单元的输出端与转移限流单元的控制端连接；电流检测单元检测在短路故障工况下流过断路器CB1支路的故障电流，并触发转移限流单元中相应的触发开关导通，使断路器CB1断开，耦合电抗器副边绕组串联接入系统线路中，能够快速限制故障电流的幅值，减小故障电流对系统的冲击。

Description

一种短路故障限流器
技术领域
本发明属于限流器领域，更具体地，涉及一种基于耦合电抗器的短路故障限流器。
背景技术
近年来，随着电力系统的快速发展，系统短路电流水平急剧增加，短路电流水平的不断增加对电网造成了严重的后果，制约了电力系统的发展。因此，必须采取有效的措施来限制短路故障电流。
故障限流器作为一种限制短路故障电流的技术方案，能够有效的限制电网中的短路电流水平。其中故障限流器具有以下优点：一方面，能够减轻断路器等各种高压电器设备的动、热稳定负担，保证电网的安全与稳定运行；另一方面，可以显著降低对电网结构的设计容量。因此研究性能优良、经济合理的新型故障限流器具有重要的现实意义和应用价值。
目前已有的故障限流器主要有以下几种：(1)将限流电抗器串入到系统，然而串入电感会增加系统正常运行的阻抗，影响系统输送容量和系统运行稳定性。(2)感应型超导限流器，然而在限流过程中需避免变压器承受过大的短路电流而磁通饱和的隐患。(3)固态限流器：开关型固态限流器，然而该方案成本较高，同时要求保护电路具有极快的相应速度；谐振型固态限流器，然而该方案引入了电感、电容元件，增加了系统产生振荡和过电压的可能性。(4)电弧电流转移型限流器，然而该方案中采用限流电阻来限制故障电流，在限流工况下存在电阻发热问题。以上限流方案由于种种缺陷而限制了其在实际系统中的应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种短路故障限流器，其目的在于减少大的故障电流的持续时间，减小故障电流对系统的影响，增加开断的可靠性，降低装置的成本。
本发明提供了一种短路故障限流器，包括：断路器CB1、转移限流单元和电流检测单元；所述电流检测单元与断路器CB1串联连接，所述断路器CB1与所述转移限流单元并联后接入电力系统线路中，电流检测单元的输出端与转移限流单元的控制端连接。所述电流检测单元检测在短路故障工况下流过断路器CB1支路的故障电流，并触发所述转移限流单元的触发开关导通。
更进一步地，所述转移限流单元可采用方案a或方案b实现。方案a包括：第一预充电电容C1、第二预充电电容C2、第一触发开关K1、第二触发开关K2和耦合电抗器；所述耦合电抗器的原边绕组具有第一分接头和第二分接头，所述耦合电抗器的副边绕组与所述断路器CB1并联。所述第一分接头依次串联连接所述第一触发开关K1和所述第一预充电电容C1；所述第二分接头依次串联连接所述第二触发开关K2和所述第二预充电电容C2。
更进一步地，当发生短路故障时，通过所述电流检测单元检测到的故障电流的方向，触发方案a中第一触发开关K1或第二触发开关K2导通，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
更进一步地，根据系统短路故障电流合理匹配方案a中电容参数与耦合电抗器的参数，主要包括：第一预充电电容C1、第二预充电电容C2的电容值和充电电压，第一分接头、第二分接头与副边绕组的变比及耦合系数等参数。
方案b包括：第三预充电电容C3、第三触发开关K3和耦合电抗器；所述耦合电抗器的原边绕组依次串联连接所述第三触发开关K3和所述第三预充电电容C3，所述耦合电抗器的副边绕组与所述断路器CB1并联。
更进一步地，当发生短路故障时，通过所述电流检测单元检测到的故障电流触发方案b中第三触发开关K3，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
更进一步地，根据系统的短路故障电流合理匹配方案b中电容参数与耦合电抗器参数，主要包括第三预充电电容C3的电容值和充电电压，耦合电抗器原副边变比及耦合系数等参数，使耦合电抗器副边绕组产生的高频振荡电流与流过断路器CB1的短路故障电流产生过零点。
本发明具有以下优点：
(1)在正常工况下，系统电流流过断路器CB1支路，运行损耗小，限流器对系统基本无影响。
(2)在短路故障工况下，若转移限流单元采用方案a时，根据电流检测单元检测到的故障电流的方向，通过触发第一触发开关K1或第二触发开关K2的导通使断路器CB1断开，耦合电抗器副边绕组串联接入系统线路中，能够快速限制故障电流的幅值，减小故障电流对系统的冲击。
(3)在短路故障工况下，若转移限流单元采用方案b时，通过触发第三触发开关K3的导通使断路器CB1支路断开，耦合电抗器副边绕组串联接入系统线路中，能够快速限制故障电流的幅值，减小故障电流对系统的冲击。
附图说明
图1为本发明提供的一种短路故障限流器的原理框图。其中1为转移限流单元，2为电流检测单元。
图2为本发明的一种短路故障限流器中转移限流单元采用方案a的原理图。C1为第一预充电电容，C2为第二预充电电容，K1为第一触发开关，K2为第二触发开关，耦合电抗器由原边绕组和副边绕组构成，其中原边绕组由第一分接头和第二分接头组成。图2中转移限流单元接线端A、B分别与图1中接线端A、B相连。
图3为本发明的一种短路故障限流器中转移限流单元采用方案b的原理图。C3为第三预充电电容，K3为第三触发开关。图3中转移限流单元接线端A、B分别与图1中接线端A、B相连。
图4为本发明的一种短路故障限流器应用在电力系统中的原理图，G为无穷大系统，T为变压器，CB2、CB3为线路断路器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明具体涉及一种基于耦合电抗器能快速限制故障电流的电流转移型故障限流器。图1示出了短路故障限流器的原理框图，图2示出了短路故障限流器中转移限流单元1采用方案a的具体电路图，图3示出了短路故障限流器中转移限流单元1采用方案b的具体电路图。为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明提供了短路故障限流器，包括：断路器CB1、转移限流单元1和电流检测单元2。电流检测单元2与断路器CB1串联连接，断路器CB1和转移限流单元1并联后接入电力系统线路中。电流检测单元2的输出端与转移限流单元1的控制端连接，用于触发相应的开关导通。
在本发明实施例中，转移限流单元1可采用方案a或方案b来实现。
方案a包括：第一预充电电容C1，第二预充电电容C2，第一触发开关K1，第二触发开关K2和耦合电抗器。其中，耦合电抗器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组分别由第一分接头和第二分接头组成。所述第一分接头与第一预充电电容C1、第一触发开关K1依次串联连接；所述第二分接头与第二预充电电容C2、第二触发开关K2依次串联连接，耦合电抗器副边绕组与断路器CB1并联连接。
当系统正常运行时，第一触发开关K1和第二触发开关K2处于断开状态，断路器CB1处于闭合状态，系统电流流过断路器CB1。
当系统发生短路故障时，短路电流迅速增加，当短路电流大于设定的阈值时，断路器CB1触头分开并燃弧，当触头打开至一定开距后，根据电流检测单元2检测到流过断路器CB1中短路故障电流的方向，触发相应的第一触发开关K1或第二触发开关K2导通，转移限流单元1产生幅值高于故障电流幅值的高频反向电流，反向电流叠加在断路器CB1上，形成“人工电流零点”从而熄灭电弧。短路故障电流从断路器CB1支路转移到耦合电抗器副边绕组的支路上，实现故障限流。
当检测到短路故障电流为正向时，即与图1中I的方向相同，断路器CB1开始分闸并产生电弧，当断路器CB1触头分开到一定开距时，使第一触发开关K1导通，第一预充电电容C1通过耦合电抗器原边绕组第一分接头放电，在耦合电抗器副边绕组上形成高频振荡电流，此高频振荡电流叠加在流过断路器CB1的故障电流上产生电流零点，断路器CB1在电流零点处熄弧断开。
当检测到短路故障电流为反向时，即与图1中I的方向相反，断路器CB1开始分闸并产生电弧，当断路器CB1触头分开到一定开距时，使第二触发开关K2导通，第二预充电电容C2通过耦合电抗器原边绕组第二分接头放电，在耦合电抗器副边绕组上形成高频振荡电流，此高频振荡电流叠加在流过断路器CB1的故障电流上产生电流零点，断路器CB1在电流零点处熄弧断开
方案b包括：第三预充电电容C3，第三触发开关K3和耦合电抗器，所述耦合电抗器的原边绕组依次串联连接所述第三触发开关K3和所述第三预充电电容C3，所述耦合电抗器的副边绕组与所述断路器CB1并联。
当系统正常运行时，第三触发开关K3断开，断路器CB1处于闭合状态，系统电流流过断路器CB1。
当系统发生短路故障时，短路电流迅速增加，当短路电流大于设定的阈值时，断路器CB1触头分开并燃弧，当触头打开至一定开距后，触发第三触发开关K3导通。
当检测到短路故障电流为正向时，即与图1中I的方向相同，转移限流单元1产生幅值高于故障电流幅值的高频振荡电流，反向电流叠加在断路器CB1上，形成“人工电流零点”从而熄灭电弧。短路故障电流从断路器CB1支路转移到耦合电抗器副边绕组的支路上，实现故障限流。
当检测到短路故障电流为反向时，即与图1中I的方向相反，转移限流单元1产生幅值高于故障电流幅值的高频振荡电流，利用振荡电流的第二个半波电流叠加在断路器CB1上形成“人工电流零点”从而熄灭电弧，短路故障电流从断路器CB1支路转移到耦合电抗器副边绕组的支路上，实现故障限流。
在本发明实施例中，耦合电抗器可为空心耦合电抗器或铁芯耦合电抗器。其中转移限流单元1方案a中电抗器原边绕组由第一分接头和第二分接头构成，根据系统实际工况，第一分接头和第二分接头可以连接在耦合电抗器原边绕组同一接线端或不同接线端。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明涉及一种短路故障限流器，在短路故障工况下，能够快速限制故障电流的幅值，减小故障电流对系统的冲击。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的短路故障限流器，现结合附图和具体实例详述如下：
图1为本发明提供的一种短路故障限流器的原理图，主要由断路器CB1、转移限流单元1和电流检测单元2三部分构成。
断路器CB1：在正常工况下，通过系统额定电流，运行损耗小。
电流检测单元2：在短路故障工况下，检测流过断路器CB1支路的故障电流大小和方向，并将信号传递给转移限流单元1中触发开关的控制端。
转移限流单元1：可采用方案a或方案b来实现，在短路故障工况下，接收电流检测单元2传递的信号，触发相应的触发开关导通，产生高频振荡电流，此高频振荡电流叠加在流过断路器CB1的故障电流上产生电流零点。
图2为一种短路故障限流器中转移限流单元1的方案a的原理图。
方案a由第一预充电电容C1、第二预充电电容C2、第一触发开关K1、第二触发开关K2和耦合电抗器组成。
耦合电抗器第一分接头与第一预充电电容C1、第一触发开关K1串联连接，耦合电抗器第二分接头与第二预充电电容C2、第二触发开关K2串联连接。在发生短路故障时，根据故障电流的方向，通过控制第一触发开关K1和第二触发开关K2的导通和关断，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
根据短路故障电流的大小及方向，合理匹配转移限流单元1中电容参数与耦合电抗器的参数(主要包括第一预充电电容C1和第二预充电电容C2的电容值和充电电压，第一分接头、第二分接头与副边绕组变比及耦合系数)，使耦合电抗器副边绕组产生的高频振荡电流与流过断路器CB1的短路故障电流产生过零点。
在其它参数不变的情况下，可以通过增加电抗器第一分接头、第二分接头与副边绕组的耦合系数，第一预充电电容C1、第二预充电电容C2的电容值和充电电压来提高转移限流单元1中耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流幅值。
图3为一种短路故障限流器中转移限流单元1的方案b的原理图。
方案b由第三预充电电容C3、第三触发开关K3和耦合电抗器组成。耦合电抗器的原边绕组依次串联连接第三触发开关K3和第三预充电电容C3，在发生短路故障时，通过触发第三触发开关K3的导通，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
在其它参数不变的情况下，可以通过增加耦合电抗器的耦合系数、第三预充电电容C3的电容值和充电电压来提高转移限流单元1中耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流幅值。
转移限流单元1采用方案a时对耦合电抗器和充电电容的参数要求：
若电流检测单元2检测到系统发生短路故障时，根据短路故障电流的方向，闭合相应的第一触发开关K1或第二触发开关K2。
当第一触发开关K1闭合时，第一预充电电容C1向耦合电抗器原边绕组的第一分接头放电，应保证反向高频振荡电流与流过断路器CB1上的故障电流产生电流零点。
当第二触发开关K2闭合时，第二预充电电容C2向耦合电抗器原边绕组的第二分接头放电，应保证反向高频振荡电流与流过断路器CB1上的故障电流产生电流零点。
转移限流单元1采用方案b时对耦合电抗器和充电电容的参数要求：
在短路故障工况下，当第三触发开关K3闭合时，第三预充电电容C3向耦合电抗器原边绕组放电，应保证副边高频振荡电流与流过断路器CB1上的故障电流产生电流零点。
耦合电抗器副边电感参数要求：在系统短路故障工况下，断路器CB1断开后，耦合电抗器副边电感应能将故障电流限制到线路断路器的开断能力范围内。
图4为短路故障限流器应用在电力系统中的原理图，限流器安装在变压器低压侧，当出线端出现短路故障时，短路故障限流器迅速动作将故障电流限制到线路断路器的开断能力范围内，减小故障电流的幅值和持续时间，从而减小了短路故障电流对变压器等电力设备的损害，有利于电力系统的安全稳定运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种短路故障限流器，其特征在于，包括：断路器CB1、转移限流单元(1)和电流检测单元(2)；
所述电流检测单元(2)与断路器CB1串联连接，所述断路器CB1与所述转移限流单元(1)并联后接入电力系统线路中；电流检测单元(2)的输出端与转移限流单元(1)的控制端连接，所述电流检测单元(2)检测在短路故障工况下流过断路器CB1支路的故障电流并触发所述转移限流单元(1)的触发开关导通；所述转移限流单元(1)包括：第一预充电电容C1、第二预充电电容C2、第一触发开关K1、第二触发开关K2和耦合电抗器；
所述耦合电抗器的原边绕组具有第一分接头和第二分接头，所述耦合电抗器的副边绕组与所述断路器CB1并联；
所述第一分接头依次串联连接所述第一触发开关K1和所述第一预充电电容C1；所述第二分接头依次串联连接所述第二触发开关K2和所述第二预充电电容C2。
2.如权利要求1所述的短路故障限流器，其特征在于，当发生短路故障时，通过所述电流检测单元(2)输出的控制信号触发所述第一触发开关K1或第二触发开关K2导通，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
3.如权利要求1或2所述的短路故障限流器，其特征在于，根据短路故障电流的大小和方向，匹配转移限流单元(1)中电容参数与耦合电抗器的参数，使耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流与流过断路器CB1的短路故障电流产生过零点。
4.如权利要求3所述的短路故障限流器，其特征在于，在其他参数不变的情况下，通过增加第一预充电电容C1、第二预充电电容C2的电容值和充电电压，增加第一分接头、第二分接头与副边绕组的耦合系数，提高转移限流单元(1)中耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流幅值。
5.一种短路故障限流器，其特征在于，包括：断路器CB1、转移限流单元(1)和电流检测单元(2)；
所述电流检测单元(2)与断路器CB1串联连接，所述断路器CB1与所述转移限流单元(1)并联后接入电力系统线路中；电流检测单元(2)的输出端与转移限流单元(1)的控制端连接，所述电流检测单元(2)检测在短路故障工况下流过断路器CB1支路的故障电流并触发所述转移限流单元(1)的触发开关导通；所述转移限流单元(1)包括：第三预充电电容C3、第三触发开关K3和耦合电抗器；
所述耦合电抗器的原边绕组依次串联连接所述第三触发开关K3和所述第三预充电电容C3，所述耦合电抗器的副边绕组与所述断路器CB1支路并联。
6.如权利要求5所述的短路故障限流器，其特征在于，当发生短路故障时，通过所述电流检测单元(2)输出的控制信号触发所述第三触发开关K3导通，使耦合电抗器副边绕组产生高频振荡电流，且振荡电流幅值超过系统故障电流幅值。
7.如权利要求5或6所述的短路故障限流器，其特征在于，根据短路故障电流的大小和方向，匹配转移限流单元(1)中电容参数与耦合电抗器的参数，使耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流与流过断路器CB1的短路故障电流产生过零点。
8.如权利要求7所述的短路故障限流器，其特征在于，在其他参数不变的情况下，通过增加第三预充电电容C3的电容值和充电电压，增加耦合电抗器的耦合系数，提高转移限流单元(1)中耦合电抗器副边绕组的高频振荡电流幅值。
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