CN107039959A - 一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器 - Google Patents

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王瀚
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Abstract

一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器，所述装置通过理论分析建立限流器拓扑结构并预估可行性、公式推导详细分析限流过程，最后仿真实验验证限流性能。所述限流器限流过程会经历三个阶段，即开关动作前的短路电流正常上升阶段，全桥整流电容充电回路的短暂换流和稳压阶段，限流电感完全投入的限流阶段；所述限流器未动作时不影响电网的正常运行，动作后能够大幅度降低短路电流值，且显著减少母线电压降落；限流电感L和充电电容C存在某种最优配合关系，可达到最佳限流效果；所述装置谐波含量小，无危害过电压。

Description

一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器
技术领域
本发明属于供电系统的短路限流保护技术领域，更具体的，涉及一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器。
背景技术
随着电网规模的日益扩大，短路电流不断攀升，甚至会超过现有断路器的遮断容量，这对各种电气设备的危害也越来越严重，传统的限流措施，比如采用直流联网技术，变压器中性点经小电抗接地和提高断路器的遮断容量等，然可以对短路电流加以不同程度的限制，但同时也会带来这样或那样的负面影响，所以对故障电流限制器（fault currentlimiter, FCL）的研究势在必行；FCL大致可分为材料型和非材料型两种类型：材料型FCL是根据自身阻值会随温度变化这一特性来达到限流目的，如超导体FCL和PTC电阻FCL等，但散热和冷却费用过于昂贵，所以材料型FCL目前只能应用于中低压电网中；非材料型FCL则是采用改变自身拓扑结构来调节其等值阻抗的方法来进行限流，如磁饱和型FCL、固态FCL、谐振型FCL等；从技术和经济层面考虑，非材料型FCL更适合应用于高压电网中。
最初提出的串联电抗器型FCL是将电抗器与快速开关并联，线路正常工作时快速开关闭合，电抗器被短路，FCL对线路没有任何影响，当短路故障发生时，快速开关断开，电抗器被接入线路中起到限流作用，但由于电抗器刚接入时电流不能突变，相当于开路，所以在开关两端会产生很高的过电压，可能使得开关处产生电弧，则开关不能正常开断，FCL起不到良好的限流作用。
发明内容
本发明专利克服了现有技术条件的不足，提供了一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器，其特征在于，所述装置由快速开关K，充电电容C，限流电感L，整流二极管D1、D2、D3、D4，可控火花间隙SG，保护用ZnO避雷器组成；线路正常运行时，快速开关K处于闭合状态，限流电感和全桥整流电容充电回路被完全短路，此时所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器几乎不消耗任何有功功率，也无需任何无功功率维持其状态，对电网正常运行没有任何影响。当线路发生短路故障时，快速开关迅速断开，经过由D1-D4和电容器组成的支路的短暂稳压和换流后，短路电流被完全转移到限流电感上，此时无论是开关还是由D1-D4和电容器组成的支路都视为断路状态，所述装置的等效阻抗就等于限流电感阻抗，通过对电感取值不同，从而实现不同的限流效果；ZnO避雷器为整个一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器提供暂态过电压保护，可控火花间隙SG用于防止避雷器受到短时稳态过电压的作用而损坏。
总体而言，通过本发明所构思的技术方案，与现有的技术相比，能够取得以下有益效果：所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器将快速开关、限流电感和全桥整流电容充电回路并联；通过调节限流电感的大小来改变限流系数，调节电容的大小来改变换流时间。
附图说明
图1为本发明专利FCL拓扑结构图。
图2为本发明专利电源电压us和线路电流is波形图。
图3为本发明专利安装有FCL时A相的短路电流波形图。
图4为本发明专利安装有FCL时A相的母线电压波形图。
图5 为本发明专利A相母线电压谐波分析图。
图6为本发明专利电容C上电压波形图。
图7为本发明专利电容C上电流波形图。
图8为本发明专利二极管D1电压波形图。
图9为本发明专利二极管D1电流波形图。
图10为本发明专利电容充电电压uCmax与电容C的变化关系图。
图11为本发明专利线路电流峰值ismax与电容C的变化关系图。
图12为本发明专利串联电抗器型FCL的L上电压波形图。
图13为本发明专利FCL的L上电压波形图。
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，以下结合附图及具体实施方法，对本发明进行进一步的详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施方法仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
在系统中没有限流器时系统的短路电流为I f，限流器投入限流后的短路电流为I L ，系统电源侧总阻抗为R s+jX s=R s+jωL s，且R s ˂˂X s，则系统电源侧总等效阻抗约为系统电抗X s，假设限流器的等效电抗为X FCL，则限流系数α可以定义为：
由上式可求得限流器等效电抗为：
由此FCL的限流原理可知，X FCL大小即为限流电感L的电抗值，所以有：
由以上三式即可确定限流电感L的大小。
所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器以电源电压某一过零点时刻t 0为计时起点，在t 0后某一段时间t 1时刻发生短路故障，对应线路电流的相位为ωt 1-ϕ [0]，在t 2时刻K断开，在t 3时刻电容C充电结束，则可设电源电压为u s=Umsinωt，并设负载阻抗为R+jX；图2中以短路发生在线路电流i s已过峰值时刻为例；当t 1≤t≤t 2时，即在短路发生时刻到开关K断开之前，此为短路发生后的第一阶段；线路上电流为：
式中，
当t 2≤t≤t 3时，即从开关K断开到电容C充电结束，此为短路发生后的第二阶段；则K断开后，由KVL得：
整理得：
设对应齐次方程的特征方程表达式为：
整理得：
解得：
所以线路电流：
C上最终充电电压为：
当t≥t 3时，即电容C完全退出电路，只有电感L参与限流，此为短路发生后的第三阶段。
所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器以一无限大功率电源供电的配电系统为例，利用MATLAB/SIMULINK中的SPS模块对此系统进行短路仿真，线路在0.1s时发生三相短路，以A相为例进行说明，且快速开关在发生故障后2ms断开，所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器正式投入限流。由图3可知，短路电流暂态峰值被限制到4.1 kA左右，仅为之前未加FCL时的26.8%，大大降低了短路电流峰值，有效保障线路设备的动稳定性，断路器也可正常开断；由图4可知，母线电压稳态峰值维持在7.34 kV左右，而由图5知，母线电压虽有畸变，但谐波分量仅为4.07%，所以母线上其他用电设备不会受到严重影响。
由图6可知，快速开关断开后，电流迅速转移到全桥整流电容充电回路，电容C快速充电，电压很快达到11 kV，而后稳定在该值不变，由图7可知，C上电流先迅速增加到2.57kA，而后电流又迅速降到零，表明充电结束。
由图8可知，C充电结束后，二极管D1上反向电压峰值迅速达到10kV，而后逐渐下降，最后稳定在9.3kV左右，由图9可知，D1上电流先迅速达到2.57kA，而后快速下降到零。
当发生短路故障时，限流器中L和C的取值直接影响限流效果，间接影响线路、设备和器件的选择，所以L与C之间的配合关系至关重要，此处以对C上充电电压u Cmax和线路电流峰值i smax的影响为例进行分析。本例中系统电感L s归算到低压侧时大约为2mh，又因为要求FCL应把短路电流稳态峰值限制到未安装FCL时的50%以下，所以限流电感L取值应大于2mh，本例中取L为10mh。如图10可知，当L一定时，随着C的增加，u Cmax 先急剧下降，当达到400μF时变化缓慢，基本在11kV左右保持不变。如图11可知，随着C的增加，i smax先是变化缓慢，基本在4.1kA左右保持不变，当达到800μF时才有明显的上升趋势，而后随着C的增加急剧上升，所以综合考虑C应取值在400~700μF之间。
由图12可知，快速开关断开后，L上电压峰值突变至540 kV，如此高的过电压很可能在快速开关断口处产生电弧，则开关不能正常开断，L又相当于被短路，FCL起不到限流效果。由图13可知由于全桥整流电容充电回路的自然换流作用，开关开断瞬间，由于电容C上电压不能突变，则保证L上电压也不会突变，而后电压峰值仅为11kV，开关触头早已达到安全开断距离，不会引起电弧，保证了开关的正常开断和L的快速限流。
所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器不影响线路的正常工作。当发生短路时，所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器的限流电感能快速投入，大大降低短路电流峰值和稳态值，且显著减少母线电压降落。所述装置采用机械式快速开关，动作速度快，通流容量大，且不需要复杂的控制系统。由于所述装置中全桥整流电容充电回路的存在，开关能够安全断开，不会产生电弧，且由于电容C处于整流状态，所以所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器不会与系统电感L s发生串联谐振，以免造成更严重的危害。
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方法而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器，其特征在于，所述一种基于整流电容电流自然换流的短路故障限制器包括快速开关K，充电电容C，限流电感L，整流二极管D1、D2、D3、D4，可控火花间隙SG，保护用ZnO避雷器。
2.如权利要求1所述的故障限制器，其特征在于，所述装置在电网正常运行时，快速开关K处于闭合状态，限流电感和全桥整流电容充电回路被完全短路，当线路发生短路故障时，所述快速开关迅速断开，经过由D1-D4和电容器组成的支路的短暂稳压和换流后，短路电流被完全转移到限流电感上，此时无论是开关还是由D1-D4和电容器组成的支路都视为断路状态。
3.如权利要求1所述的故障限制器，其特征在于，故障电流限制器的等效阻抗就等于限流电感阻抗，通过对电感取值不同，从而实现不同的限流效果。
4.如权利要求1所述的故障限制器，其特征在于，ZnO避雷器为整个故障电流限制器提供暂态过电压保护，可控火花间隙SG用于防止避雷器受到短时稳态过电压的作用而损坏。
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