CN110311364A - 一种直流故障电流限制器及直流输电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种直流故障电流限制器及直流输电系统，该直流故障电流限制器包括：第一电缆电流限制器，包括：第一直流电源及至少一第一磁环铁心，至少一第一磁环铁心绕设于直流输电线路的第一传输线路上，第一直流电源的电流通过传输线路穿过至少一第一磁环铁心；第二电缆电流限制器，包括：第二直流电源及至少一第二磁环铁心，至少一第二磁环铁心绕设于直流输电线路的第二传输线路上，第二直流电源的电流通过传输线路穿过至少一第二磁环铁心；第一直流电源的电流方向与第一传输线路的电流方向相反，第二直流电源的电流方向与第二传输线路的电流方向相反，第一传输线路的电流方向与第二传输线路的电流方向相反。

Description

一种直流故障电流限制器及直流输电系统

技术领域

本发明涉及直流输电技术领域，具体涉及一种直流故障电流限制器及直流输电系统。

背景技术

目前，直流输电是解决高电压、大容量、远距离送电和电网互联的一个重要手段。直流输电将输送端交流电通过换流器变成直流电，然后通过直流输电线路送至受电端并通过换流器变成交流电，最终注入交流电网。相对交流输电来说，直流输电具有输送灵活、能够实现快速控制、损耗小、输电线路成本低、能够节约输电走廊、环境兼容好等优点。

但由于直流电网具有“低惯量、低阻抗”特性，在直流侧发生单极接地或双极短路故障后，故障极或直流输电系统内的储能元件能量快速释放，直流故障电流呈现两个特征：

(1)直流故障电流上升迅速、幅值大。故障电流上升迅速且幅值大，故障电流在100μs的数量级可能上升到最大值，最大故障电流甚至超过额定电流的10倍，严重危害直流电网中的各类设备，尤其是交流-直流换流站(整流站)或直流-交流换流站(逆变站)中的半导体器件。为提高直流系统设备的安全可靠性，要求直流电网需要在几个毫秒内完成故障电流检测并隔离故障。增加设备阻抗参数可以减缓故障电流的上升速度，如：针对常规直流输电系统，可增加换流变压器短路阻抗、直流线路平波电抗器阻抗；针对柔性直流输电系统，可增加联接变压器短路阻抗、桥臂电抗器、直流线路平波电抗器阻抗等措施，但这些措施存在设备投资过高、换流站占地过大等问题。

(2)直流故障电流没有过零点。交流断路器技术成熟，最大遮断容量接近63kA。但由于直流故障电流无过零点，现有的交流断路器不能满足隔离直流故障电流的要求。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种直流故障电流限制器及直流输电系统，以解决现有的直流故障隔离手段成本高、占地大等不易实施的问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种直流故障电流限制器，应用于直流输电线路中，包括：第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器，所述第一电缆电流限制器包括：第一直流电源及至少一第一磁环铁心，所述至少一第一磁环铁心绕设于所述直流输电线路的第一传输线路上，所述第一直流电源的电流通过传输线路穿过所述至少一第一磁环铁心；所述第二电缆电流限制器包括：第二直流电源及至少一第二磁环铁心，所述至少一第二磁环铁心绕设于所述直流输电线路的第二传输线路上，所述第二直流电源的电流通过传输线路穿过所述至少一第二磁环铁心；所述第一直流电源穿过所述至少一第一磁环铁心的电流方向与所述第一传输线路的电流方向相反，所述第二直流电源穿过所述至少一第二磁环铁心的电流方向与所述第二传输线路的电流方向相反，所述第一传输线路的电流方向与所述第二传输线路的电流方向相反。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，当所述第一磁环铁心的数量为多个时，多个所述第一磁环铁心依次串联绕设于所述直流输电线路的第一传输线路上。

结合第一方面，在第一方面第二实施方式中，当所述第二磁环铁心的数量为多个时，多个所述第二磁环铁心依次串联绕设于所述直流输电线路的第二传输线路上。

结合第一方面，在第一方面第三实施方式中，所述第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器的等效涡流损耗等效电阻为：

其中，W为磁环铁心的宽度；N为磁环铁心的串联数量；N_L为磁环铁心叠片层数；ρ为磁环铁心的电导率；a₁为磁环铁心最内层叠片感应电流的厚度；r₁为磁环铁心内半径；r₂为磁环铁心外半径。

结合第一方面，在第一方面第四实施方式中，所述第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器的等效电感为：

其中，μ₀为真空磁导率；u_r为磁环铁心的相对导磁率；D_e为磁环铁心未饱和的等效厚度；l_e为磁环铁心的平均磁路长度。

结合第一方面，在第一方面第五实施方式中，所述直流输电线路中，每公里长度的传输线路对应的电容为：

其中，ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；r_o为传输线路绝缘外半径；r_i为传输线路绝缘内半径。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种直流输电系统，包括：依次连接的整流侧交流系统、整流侧联接变压器、整流侧换流器；第一传输线路，连接于所述整流侧换流器的第一端；第二传输线路，连接于所述整流侧换流器的第二端；如第一方面或第一方面中任意一种实施方式所述的直流故障电流限制器，所述第一电缆电流限制器设置于所述第一传输线路上，所述第二电缆电流限制器设置于所述第二传输线路上；依次连接的整变侧换流器、逆变侧联接变压器及逆变侧交流系统；所述第一传输线路连接于所述整变侧换流器的第一端，所述第二传输线路连接于所述整变侧换流器的第二端。

本发明实施例的有益效果在于，当直流输电线路故障时，由于直流电流变化，变化的电流产生变化的磁通，变化的磁通在铁心中产生涡流，磁环呈现出涡流损耗电阻。该专利利用铁心涡流损耗电阻及电感串联接入直流线路，能有效减缓直流线路故障电流的上升速度，涡流损耗电阻能消耗部分直流系统中的储能；当直流输电线路正常运行时，直流线路电流几乎恒定，直流电流产生的磁通恒定，铁心几乎无涡流电流，同时铁心处于饱和状态，铁心电感呈现的电感很小，几乎不影响直流输电系统的正常运行。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的直流故障电流限制器的结构示意图；

图2示出了本发明实施例的磁环铁心的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的直流故障电流限制器的磁化曲线的示意图；

图4示出了本发明实施例的直流输电系统的结构示意图；

图5示出了本发明实施例的故障电流仿真分析模型的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种直流故障电流限制器，该直流故障电流限制器可具体应用于直流输电线路中，该直流输电线路可以是利用直流电缆互联的直流输电系统或配电网络等，本发明并不以此为限。如图1所示，该直流故障电流限制器主要包括：第一电缆电流限制器100及第二电缆电流限制器200。

其中，该第一电缆电流限制器100包括：第一直流电源101及至少一第一磁环铁心102，至少一第一磁环铁心102绕设于直流输电线路的第一传输线路4上，第一直流电源101的电流通过传输线路穿过至少一第一磁环铁心102；第二电缆电流限制器200包括：第二直流电源201及至少一第二磁环铁心202，至少一第二磁环铁心202绕设于直流输电线路的第二传输线路6上，第二直流电源201的电流通过传输线路穿过至少一第二磁环铁心202。其中，第一直流电源101及第二直流电源201为直流偏置电流源，为磁环提供偏置直流电流，使磁环铁心处于反向磁饱和状态。如图2所示，上述的第一磁环铁心102及第二磁环铁心202是利用高磁导率铁磁材料的磁环。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述的第一磁环铁心102及第二磁环铁心202的设置数量为一个或多个，根据实际调整电流的大小等进行设置，本发明并不以此为限。当第一磁环铁心102的数量为多个时，多个第一磁环铁心102依次串联绕设于直流输电线路的第一传输线路4上。当第二磁环铁心202的数量为多个时，多个第二磁环铁心202依次串联绕设于直流输电线路的第二传输线路6上。

第一直流电源101穿过至少一第一磁环铁心102的电流方向与第一传输线路4的电流方向相反，第二直流电源201穿过至少一第二磁环铁心202的电流方向与第二传输线路6的电流方向相反，第一传输线路4的电流方向与第二传输线路6的电流方向相反。

当直流输电线路正常运行时，直流输电线路中电流几乎恒定，直流电流产生的磁通恒定，磁环内无感应涡流电流，同时铁心处于反向饱和状态，如图3所示，铁心电感呈现的电感很小，几乎不影响直流输电系统的正常运行；当直流输电线路故障时，由于直流电流变化，变化的电流产生变化的磁通，变化的磁通在铁心中产生涡流，磁环呈现出涡流损耗电阻。本发明实施例中，利用铁心涡流损耗电阻及电感串联接入直流线路，能有效减缓直流线路故障电流的上升速度，减小故障电流幅值，同时涡流损耗电阻能消耗部分直流系统中的储能。

为解决直流故障电流上升速度迅速、直流故障电流幅值高、直流故障电流无过零点等问题，本发明实施例的直流故障电流限制器，当直流输电线路故障时，由于直流电流变化，变化的电流产生变化的磁通，变化的磁通在铁心中产生涡流，磁环呈现出涡流损耗电阻。本发明实施例中，该直流故障电流限制器的等效涡流损耗电阻及等效电感串联接入直流线路，能有效减缓直流线路故障电流的上升速度，涡流损耗电阻能消耗部分直流系统中的储能；当直流输电线路正常运行时，直流线路电流几乎恒定，直流电流产生的磁通恒定，铁心几乎无涡流电流，同时铁心处于饱和状态，铁心电感呈现的电感很小，几乎不影响直流输电系统的正常运行。

具体地，故障电流限制器等效涡流损耗等效电阻如公式(1)所示：

其中，W为磁环铁心的宽度；N为磁环铁心的串联数量；N_L为磁环铁心叠片层数；ρ为磁环铁心的电导率；a₁为磁环铁心最内层叠片感应电流的厚度；r₁为磁环铁心内半径；r₂为磁环铁心外半径。

故障电流限制器等效电感如公式(2)所示：

其中，μ₀为真空磁导率；u_r为磁环铁心的相对导磁率；D_e为磁环铁心未饱和的等效厚度；l_e为磁环铁心的平均磁路长度。

每公里长度的直流输电线路对应的电容如公式(3)所示：

其中，ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；r_o为传输线路绝缘外半径；r_i为传输线路绝缘内半径。

本发明实施例的直流故障电流限制器具有以下特点：

1)直流系统稳态运行时，故障电流限制器在直流偏置电流作用下，处于反向磁饱和状态，呈现出的电感接近与零，对直流系统正常运行几乎无影响。

2)直流输电系统故障时，随着故障电流的增加，故障电流限制器在反向磁饱和状态1下，经线性状态2，过度到正向磁饱和状态3。

3)在线性状态2下，故障电流限制器呈现出等效涡流电阻R_FCL及并联电感L_FCL,有效限制直流系统故障电流，等效涡流电阻吸收部分直流系统电容(如柔性直流换流阀子模块电容器、电缆电容、换流阀对地杂散电容等)储能。

4)具有限流功能的直流故障电流限制器没有时滞效应。

5)具有限流功能的直流故障电流限制器效果与系统的控制保护系统无关。

6)具有限流功能的直流故障电流限制器处于地电位，无需考虑其绝缘设计。

7)具有限流功能的直流故障电流限制器因系统主设备参数及直流电缆参数变化能方便灵活改变串接铁心数量，可调节性强。

本发明实施例还提供一种直流输电系统，如图4所示，该直流输电系统主要包括：

依次连接的整流侧交流系统1、整流侧联接变压器2、整流侧换流器3；第一传输线路4，连接于整流侧换流器3的第一端；第二传输线路6，连接于整流侧换流器3的第二端。

直流故障电流限制器，包括：第一电缆电流限制器5及第二电缆电流限制器7，可选地，该第一电缆电流限制器5为上述任意实施例所述的第一电缆电流限制器100，该第二电缆电流限制器7为上述任意实施例所述的第一电缆电流限制器200，其具体结构在此不再赘述。该直流故障电流限制器的第一电缆电流限制器5设置于第一传输线路4上，第二电缆电流限制器7设置于第二传输线路6上。

依次连接的整变侧换流器8、逆变侧联接变压器9及逆变侧交流系统10；第一传输线路4连接于整变侧换流器8的第一端，第二传输线路6连接于整变侧换流器8的第二端。

其中，整流侧交流系统1为该直流输电系统提供电能；整流侧联接变压器2为直流输电系统中的整流器换流阀提供匹配电压，同时能提供短路阻抗；整流侧换流器3能将交流电流转换为直流电流；第一传输线路4、第二传输线路6为电能传输载体；第一电缆电流限制器5、第二电缆电流限制器7分别为安装在第一传输线路4、第二传输线路6的故障电流限制器；整变侧换流器8能将直流电流转换为交流电流；逆变侧联接变压器9能为逆变侧换流阀提供匹配电压，同时能提供短路阻抗；逆变侧交流系统10接受直流输电系统输送的电能。

可选地，在本发明的一些实施例中，整流侧换流器3的第一端为正极端，第二端为负极端，该整变侧换流器8的第一端为负极端，第二端为正极端。相对应地，与该整流侧换流器3的第一端相连接的第一传输线路4为正极电缆，与该整流侧换流器3的第二端相连接的第二传输线路6为负极电缆，且该正极电缆及负极电缆可以是直流陆地电缆，或者是直流海底电缆，上述内容仅是用以举例说明，本发明并不以此为限。

可选地，在本发明的一些实施例中，所述的第一传输线路4和第二传输线路6可以为同一传输线路，此时，也就是说，正负极直流电缆共用一个电缆电流限制器，配置方法与正负极直流电缆各配置一个电缆电流限制器的方法类似，连接方式是正负极电缆同时穿过电缆电流限制器的磁环铁心，且正负极电缆电流方向保持反向。

在实际应用中，可以通过以下过程对该直流输电系统中的各部分进行涉及和校验：

1)根据直流输电系统的换流阀子模块电容器电容大小C_m、电平数n、换流阀杂散电容Cs、电缆结构尺寸及长度，确定系统总的等效电容C近似为Cm/n、Cs及电缆电容之和。

2)根据直流输电系统主设备参数(如联接变压器、桥臂电抗器等)、电缆结构尺寸及长度确定系统等效电感L₁。

3)根据直流电缆外径参数，初步确定磁环内径，逐步调整外径参数、铁芯磁环宽度、及串联磁环数量，依次确定限流器涡流损耗等效电阻及电感(即上述公式(1)、(2))；

4)直流输电系统故障时，根据直流输电系统等效电容C、等效电感L₁、等效电阻R₁，及故障电流限制器并联阻抗参数R_FCL、L_FCL，能够建立如图5所示的故障电流仿真分析模型，其连接关系如图5所示，等效电感L₁、等效电阻R₁串联连接，等效电阻R₁与故障电流限制器并联阻抗R_FCL、L_FCL连接，等效电感L₁与直流输电系统等效电容C连接，直流输电系统等效电容C与故障电流限制器并联阻抗R_FCL、L_FCL连接。将系统总的等效电容C、系统等效电感L₁、限流器涡流损耗等效电阻及电感参数代入直流系统故障简化仿真模型进行仿真。

5)将得到的故障电流与系统对故障电流的要求进行比较，判定故障限流器的参数是否满足要求，例如，判断加装故障电流限制器之后的直流电路故障电流是否小于允许的最大直流故障电流。若不满足系统对故障电流的要求，继续调整故障电流限制器的外径参数、磁环串联数，并代入步骤2)，最终完成直流故障电流限制器的设计。

本发明实施例的直流输电系统，当直流输电线路故障时，由于直流电流变化，变化的电流产生变化的磁通，变化的磁通在铁心中产生涡流，磁环呈现出涡流损耗电阻。该专利利用铁心涡流损耗电阻及电感串联接入直流线路，能有效减缓直流线路故障电流的上升速度，涡流损耗电阻能消耗部分直流系统中的储能；当直流输电线路正常运行时，直流线路电流几乎恒定，直流电流产生的磁通恒定，铁心几乎无涡流电流，同时铁心处于饱和状态，铁心电感呈现的电感很小，几乎不影响直流输电系统的正常运行。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种直流故障电流限制器，应用于直流输电线路中，其特征在于，包括：第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器，

所述第一电缆电流限制器包括：第一直流电源及至少一第一磁环铁心，所述至少一第一磁环铁心绕设于所述直流输电线路的第一传输线路上，所述第一直流电源的电流通过传输线路穿过所述至少一第一磁环铁心；

所述第二电缆电流限制器包括：第二直流电源及至少一第二磁环铁心，所述至少一第二磁环铁心绕设于所述直流输电线路的第二传输线路上，所述第二直流电源的电流通过传输线路穿过所述至少一第二磁环铁心；

所述第一直流电源穿过所述至少一第一磁环铁心的电流方向与所述第一传输线路的电流方向相反，所述第二直流电源穿过所述至少一第二磁环铁心的电流方向与所述第二传输线路的电流方向相反，所述第一传输线路的电流方向与所述第二传输线路的电流方向相反。

2.根据权利要求1所述的直流故障电流限制器，其特征在于，当所述第一磁环铁心的数量为多个时，多个所述第一磁环铁心依次串联绕设于所述直流输电线路的第一传输线路上。

3.根据权利要求1所述的直流故障电流限制器，其特征在于，当所述第二磁环铁心的数量为多个时，多个所述第二磁环铁心依次串联绕设于所述直流输电线路的第二传输线路上。

4.根据权利要求1所述的直流故障电流限制器，其特征在于，所述第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器的等效涡流损耗等效电阻为：

其中，W为磁环铁心的宽度；N为磁环铁心的串联数量；N_L为磁环铁心叠片层数；ρ为磁环铁心的电导率；a₁为磁环铁心最内层叠片感应电流的厚度；r₁为磁环铁心内半径；r₂为磁环铁心外半径。

5.根据权利要求1所述的直流故障电流限制器，其特征在于，所述第一电缆电流限制器及第二电缆电流限制器的等效电感为：

其中，μ₀为真空磁导率；u_r为磁环铁心的相对导磁率；D_e为磁环铁心未饱和的等效厚度；l_e为磁环铁心的平均磁路长度。

6.根据权利要求1所述的直流故障电流限制器，其特征在于，所述直流输电线路中，每公里长度的传输线路对应的电容为：

其中，ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；r_o为传输线路绝缘外半径；r_i为传输线路绝缘内半径。

7.一种直流输电系统，其特征在于，包括：

依次连接的整流侧交流系统、整流侧联接变压器、整流侧换流器；

第一传输线路，连接于所述整流侧换流器的第一端；

第二传输线路，连接于所述整流侧换流器的第二端；

如权利要求1-6中任一项所述的直流故障电流限制器，所述第一电缆电流限制器设置于所述第一传输线路上，所述第二电缆电流限制器设置于所述第二传输线路上；

依次连接的整变侧换流器、逆变侧联接变压器及逆变侧交流系统；

所述第一传输线路连接于所述整变侧换流器的第一端，所述第二传输线路连接于所述整变侧换流器的第二端。