CN111600285A - 一种新型自驱动模块化限流装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于输配电网络故障电流限流技术领域，涉及一种新型自驱动模块化限流装置。一种新型自驱动模块化限流装置，包括电抗器L、断路器CB，高压变阻器R，高压变阻器R与电抗器L并联后，与断路器CB串联。所述的陶瓷电阻为门字形，内侧设有滑轨，陶瓷电阻的下端分别与L形电极相连，陶瓷电阻的两侧电极平行，且与液态金属滑块垂直，液态金属滑块置于电极之间，液态金属滑块的下端设有绝缘件。两侧电极分别与电抗器L的两端相连，实现高压变电阻器R与电抗器L并联。本发明由于自驱动变阻抗模块为阻性负载，限流和换流过程中不会产生过电压和涌流；自驱动变阻抗模块和限流电抗器便于模块化设计，可以根据应用场合灵活串并联。

Description

一种新型自驱动模块化限流装置

技术领域

本发明属于输配电网络故障电流限流技术领域，涉及一种新型自驱动模块化限流装置。

背景技术

电力系统短路电流产生的根源是阻抗的突降，造成系统阻抗过低，从而造成短路电流超标或者快速上升。限制短路电流的原理主要是防止系统阻抗过低，及时补偿阻抗的突降。因此需要采用故障电流限流(Fault Current Limiter,FCL)装置限制故障电流的上升率或稳定值，确保可靠地切断故障电流。

目前的FCL主要是通过改变已经串入线路的元件的阻抗(电抗型、电阻型、超导型FCL)达到限流目的，或者改变线路结构来串联引入大阻抗。要求元件具有较好的阻抗变化特性，并在线路开断前耐受短路电流，开断后快速恢复低阻抗。目前的超导体、正温度系数电阻等都具备变阻抗特性，但很难满足实际应用的要求。

发明内容

针对目前限流装置存在的问题，本发明提供了一种能够同时满足有效性、快速性、兼容性、经济性、平稳性和灵活性等指标的新型自驱动模块化限流装置。

本发明的技术方案如下：

一种新型自驱动模块化限流装置，包括电抗器L、断路器CB，高压变阻器R，高压变阻器R与电抗器L并联后，与断路器CB串联。

新型自驱动模块化限流装置其运行方式为：

(1)正常运行时，断路器CB合闸，高压变阻器R的阻值最小，接近零电阻，承担系统电流，限流装置损耗很小；

(2)发生故障时，高压变阻器阻值迅速升高，将电流逐渐转移至电抗器L支路，从而限制故障电流上升率和峰值，同时断路器分闸，开断限流后的故障电流。

所述的高压变阻器R采用自驱动变阻抗模块，自驱动变阻抗模块包括：陶瓷电阻、液态金属滑块、电极和绝缘件。

所述的陶瓷电阻为门字形，内侧设有滑轨，陶瓷电阻的下端分别与L形电极相连，陶瓷电阻的两侧电极平行，且与液态金属滑块垂直，液态金属滑块置于电极之间，液态金属滑块的下端设有绝缘件。两侧电极分别与电抗器L的两端相连，实现高压变电阻器R与电抗器L并联。在正常工作时，液态金属滑块位于最下方，直接导通两侧电极。

所述的液态金属滑块结构如图3所示。液态金属滑块包括金属导体容器和液态金属，所述的金属导体容器作为滑块骨架，液态金属滑块内部腔体填充液态金属，液态金属滑块宽度不大于滑轨缝隙宽度，液态金属滑块与滑轨由液态金属作为润滑剂。液态金属滑块与滑轨的接触面上开孔，使得内外液态金属连通，以便在滑动过程中内部液态金属能够补充润滑剂的损失。当液态金属滑块复位后，液态金属会重新回流。

滑动过程中，在接触面上滞留的液态金属薄层会在大电流的作用下发生自收缩效应，回到液态金属滑块或底部。

工作原理：

(1)当通过的电流较小时，液态金属滑块受到的电磁力小于滑块的重力，滑块静止，导通两侧电极；

(2)当发生短路故障时，电流迅速增大，液态金属滑块受到B₁产生的电磁力也迅速增大，远大于滑块本身重力，使液态金属滑块迅速向上运动，此时电流转移路线为：电极--陶瓷电阻滑轨--液态金属滑块--陶瓷电阻滑轨--电极，即利用线路短路电流产生的电磁力，将陶瓷电阻串联进入线路中，实现限流电阻从0开始的增大变化。无需外力和检测控制单元，实现自驱动。

(3)当变阻器电阻增大时，电流被限制，液态金属滑块所受B₁产生的电磁力变小；同时部分短路电流转移至电抗器支路，电抗器产生的磁场B₂作用于液态金属滑块上，产生的电磁力会加速液态金属滑块的上升。当液态金属滑块受到的电磁力与重力相等时，进入稳态。

(4)当故障处理后，电流变小或消失，液态金属滑块在重力作用下回到原位。

如图2所示，电流通过电极流入，流经液态金属滑块，再通过另一侧电极流出。两侧电极平行，且与液态金属滑块垂直。两侧电极连接电抗器L的两端，使高压变电阻器R与电抗器L并联。在正常工作时，液态金属滑块位于最下方，直接导通两侧电极。两侧电极在滑块处产生的磁场为：

B₁＝μ₀I/4πl＝10^-7I/l (1)

液态金属滑块受到的电磁力为：

F＝B₁Il＝10^-7I² (2)

可见液态金属滑块受到的电磁力与通过的电流密切相关。

液态金属滑块的运动方程如公式(3)所示：

其中F(t)为滑块受到的向上的电磁力，I(t)为流经变阻器的电流，I_f(t)为故障电流，I_L(t)为电抗器中电流，U_d(t)为变阻器两端电压，a(t)为滑块加速度，m为滑块质量，g为重力加速度，θ为相对水平方向的滑轨倾斜角度，σ(t)为液态金属与电阻表面接触张力，R(t)为插入线路的电阻，s(t)为滑块位移，v(t)为滑块运动速度。

进一步的，金属导体容器优选铜制导体容器。

进一步的，液态金属滑块与滑轨的接触面上开有若干圆形孔。

若全部使用液态金属作为滑块，由于液态金属与轨道之间的粘滞力，以及电磁力的不均匀分部，在滑块运动的过程中，纯液态金属滑块变形较大，插入有效电阻慢，形状恢复慢；若只使用固态金属滑块，则滑块与轨道之间的摩擦力很大，在大短路电流下，会造成严重的烧蚀。

而本发明的技术方案克服了这些困难，利用液态金属良好的接触性和润滑性能，减少了滑动的摩擦力和烧蚀，同时利用固态金属骨架，避免了滑块的形变。

本发明的有益效果：

新型自驱动模块化限流装置的优点是：

(1)发生故障时，无需检测和控制(满足快速性)，就能够及时限制故障电流上升率，和故障电流峰值(满足有效性)；

(2)正常运行时接近零损耗，对系统运行无影响(满足经济性和兼容性)；

(3)由于自驱动变阻抗模块为阻性负载，限流和换流过程中不会产生过电压和涌流(满足稳定性)；

(4)自驱动变阻抗模块和限流电抗器便于模块化设计，可以根据应用场合灵活串并联(满足灵活性)。

附图说明

图1为新型自驱动限流装置拓扑结构。

图2为高压变阻器模块原理图。

图3为液态金属滑块。

图4为高压变阻器模块串联图。

图中：R为高压变阻器；CB为断路器；L为限流电抗器；1液态金属滑块；2滑轨；3液态金属；4金属导体容器；5陶瓷电阻；6电极；7绝缘件；8电抗器L。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例1：

一种新型自驱动模块化限流装置，包括高压变阻器R、电抗器L8、断路器CB，高压变阻器R与电抗器L8并联后，与断路器CB串联。

新型自驱动模块化限流装置其运行方式为：

(3)正常运行时，断路器CB合闸，高压变阻器R的阻值最小，接近零电阻，承担系统电流，限流装置损耗很小；

(4)发生故障时，高压变阻器阻值迅速升高，将电流逐渐转移至电抗器L8支路，从而限制故障电流上升率和峰值，同时断路器分闸，开断限流后的故障电流。

所述的高压变阻器R(新型自驱动FCL)的技术方案如下：

高压变阻器R的核心部件为自驱动变阻抗模块。图2为自驱动变阻抗模块原理图。自驱动变阻抗模块包括：陶瓷电阻5、液态金属滑块1、电极6、绝缘件7。

所述的陶瓷电阻5为门字形，内侧设有滑轨2，陶瓷电阻5的下端分别与L形电极6相连，陶瓷电阻5的两侧电极6平行，且与液态金属滑块1垂直，液态金属滑块1置于电极6之间，液态金属滑块1的下端设有绝缘件7。两侧电极6分别与电抗器L的两端相连，实现高压变电阻器R与电抗器L并联。在正常工作时，液态金属滑块1位于最下方，直接导通两侧电极6。

工作原理：

(5)当通过的电流较小时，液态金属滑块1受到的电磁力小于滑块的重力，滑块静止，导通两侧电极；

(6)当发生短路故障时，电流迅速增大，液态金属滑块1受到B₁产生的电磁力也迅速增大，远大于滑块本身重力，使液态金属滑块1迅速向上运动，此时电流转移路线为：电极--陶瓷电阻滑轨--液态金属滑块1--陶瓷电阻滑轨--电极，即利用线路短路电流产生的电磁力，将陶瓷电阻5串联进入线路中，实现限流电阻从0开始的增大变化。无需外力和检测控制单元，实现自驱动。

(7)当变阻器电阻增大时，电流被限制，液态金属滑块1所受B₁产生的电磁力变小；同时部分短路电流转移至电抗器支路，电抗器产生的磁场B₂作用于液态金属滑块1上，产生的电磁力会加速液态金属滑块1的上升。当液态金属滑块1受到的电磁力与重力相等时，进入稳态。

(8)当故障处理后，电流变小或消失，液态金属滑块1在重力(或可加复位弹簧)作用下回到原位。

如图2所示，电流通过电极流入，流经液态金属滑块1，再通过另一侧电极流出。两侧电极6平行，且与液态金属滑块1垂直。两侧电极连接电抗器L的两端，使高压变电阻器R与电抗器L并联。在正常工作时，液态金属滑块1位于最下方，直接导通两侧电极。两侧电极在滑块处产生的磁场为：

B₁＝μ₀I/4πl＝10^-7I/l (1)

液态金属滑块1受到的电磁力为：

F＝B₁Il＝10^-7I² (2)

可见液态金属滑块1受到的电磁力与通过的电流密切相关。

液态金属滑块1的运动方程如公式(3)所示：

其中F(t)为滑块受到的向上的电磁力，I(t)为流经变阻器的电流，I_f(t)为故障电流，I_L(t)为电抗器中电流，U_d(t)为变阻器两端电压，a(t)为滑块加速度，m为滑块质量，g为重力加速度，θ为相对水平方向的滑轨倾斜角度，σ(t)为液态金属与电阻表面接触张力，R(t)为插入线路的电阻，s(t)为滑块位移，v(t)为滑块运动速度。

所述的液态金属滑块1结构如图3所示。液态金属滑块1包括金属导体容器4和液态金属3，所述的金属导体容器4作为滑块骨架，液态金属滑块1内部腔体填充液态金属3，液态金属滑块1宽度不大于滑轨2缝隙宽度，液态金属滑块1与滑轨2由液态金属3作为润滑剂。液态金属滑块1与滑轨2的接触面上开孔，使得内外液态金属3连通，以便在滑动过程中内部液态金属3能够补充润滑剂的损失。当液态金属滑块1复位后，液态金属3会重新回流。

滑动过程中，在接触面上滞留的液态金属薄层会在大电流的作用下发生自收缩效应，回到液态金属滑块1或底部。

金属导体容器4优选铜制导体容器。

从公式(3)可以看出，决定滑块运动加速度a的变量参数为滑块质量m和轨道的倾斜角θ，因此可以通过变阻器模块串联或并联的方式很容易地调整滑块的运动速度及其他参数。如果滑块的质量过大，可以进行自驱动变阻模块串联，以减小单个模块的滑块质量，提高运动速度，同时可以充分利用故障电流自身产生的电磁力，如图4所示。

实施例2：

图4为12个5kV/20kA自驱动变阻抗模块6并2串组成自驱动直流FCL，若用于直流10kV/120kA系统，则每个模块的额定电压为5kV，金属滑块的体积减小三分之一，而短路电流一样，电磁力不变，滑块的速度可以大幅提高，模块的绝缘要求也会降低。

本发明提出的自驱动变阻抗模块的特点是：

(1)阻值可以从零连续变化到较大值；

(2)可以短时耐受大电流和高电压(其工况近于高压断路器合闸电阻，因此可选用ZnO陶瓷电阻)；

(3)无需检测、控制装置，自驱动，响应迅速；

(4)可灵活根据电压/电流水平进行模块化串并联，各模块可实现自动均压/均流。

(5)成本低，免维护。

Claims (5)

1.一种新型自驱动模块化限流装置，包括电抗器L(8)、断路器CB，其特征在于，高压变阻器R，高压变阻器R与电抗器L(8)并联后，与断路器CB串联；

所述的高压变阻器R采用自驱动变阻抗模块，自驱动变阻抗模块包括：陶瓷电阻(5)、液态金属滑块(1)、电极(6)和绝缘件(7)；

所述的陶瓷电阻(5)为门字形，内侧设有滑轨(2)，陶瓷电阻(5)的下端分别与L形电极(6)相连，陶瓷电阻(5)的两侧电极(6)平行，且与液态金属滑块(1)垂直，液态金属滑块(1)置于电极(6)之间，液态金属滑块(1)的下端设有绝缘件(7)；两侧电极(6)分别与电抗器L(8)的两端相连，实现高压变电阻器R与电抗器L(8)并联；在正常工作时，液态金属滑块(1)位于最下方，直接导通两侧电极(6)；

所述的液态金属滑块(1)包括金属导体容器(4)和液态金属(3)，所述的金属导体容器(4)作为滑块骨架，液态金属滑块(1)内部腔体填充液态金属(3)，液态金属滑块(1)宽度不大于滑轨(2)缝隙宽度，液态金属滑块(1)与滑轨(2)由液态金属(3)作为润滑剂；液态金属滑块(1)与滑轨(2)的接触面上开孔，使得内外液态金属(3)连通，以便在滑动过程中内部液态金属(3)能够补充润滑剂的损失；当液态金属滑块(1)复位后，液态金属(3)会重新回流；

滑动过程中，在接触面上滞留的液态金属薄层会在大电流的作用下发生自收缩效应，回到液态金属滑块(1)或底部。

2.如权利要求1所述的一种新型自驱动模块化限流装置，其特征在于，金属导体容器(4)优选铜制导体容器。

3.如权利要求1或2所述的一种新型自驱动模块化限流装置，其特征在于，液态金属滑块(1)与滑轨(2)的接触面上开有若干圆形孔。

4.根据权利要求1～3所述的一种新型自驱动模块化限流装置的工作方法，其特征在于，步骤如下：

(1)当通过的电流较小时，液态金属滑块(1)受到的电磁力小于滑块的重力，滑块静止，导通两侧电极；

(2)当发生短路故障时，电流迅速增大，液态金属滑块(1)受到B₁产生的电磁力也迅速增大，远大于滑块本身重力，使液态金属滑块(1)迅速向上运动，此时电流转移路线为：电极--陶瓷电阻滑轨--液态金属滑块(1)--陶瓷电阻滑轨--电极，即利用线路短路电流产生的电磁力，将陶瓷电阻(5)串联进入线路中，实现限流电阻从0开始的增大变化；无需外力和检测控制单元，实现自驱动；

(3)当变阻器电阻增大时，电流被限制，液态金属滑块(1)所受B₁产生的电磁力变小；同时部分短路电流转移至电抗器支路，电抗器产生的磁场B₂作用于液态金属滑块(1)上，产生的电磁力会加速液态金属滑块(1)的上升；当液态金属滑块(1)受到的电磁力与重力相等时，进入稳态；

(4)当故障处理后，电流变小或消失，液态金属滑块(1)在重力作用下回到原位。

5.根据权利要求4所述的一种新型自驱动模块化限流装置的工作方法，其特征在于，所述的液态金属滑块(1)加复位弹簧，在复位弹簧的作用下回到原位。

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