CN1870380A - 一种短路故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种短路故障限流器，涉及输配电网故障限流器。本发明把磁体的互感原理和超导材料的阻抗变化特性应用到故障限流之中。本发明由现有超导故障限流器和互感器组成，互感器的一个绕组与超导故障限流器串联，然后与另一个绕组并联。通过超导限流器的阻抗随电流的变化特性，调节互感，达到限制故障电流的作用。本发明中，超导限流器轻型化，不但降低了系统的制造和运行费用，而且，有利于大容量限流器的实现。该限流器限流能力强，对线路影响小。本发明可提高电网电能质量及高压或超高压输电网系统的稳定性，安全性和可靠性。

Description

一种短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种短路故障限流器，特别涉及输配电网的故障限流器。

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且，在对电能的需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而，大电网的暂态稳定性问题比较突出，其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前，世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断，由于短路电流水平与系统的容量直接相关，在断路器的额定开断电流水平一定的情况下，采用全额开断短路电流将会限制电力系统的容量的增长，并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大，这一问题将变得更为严重。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如，固态短路故障限流器它在检测到短路故障时，通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，可以将故障电流限制在较低的水平，以保护电力设备，并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US 4490769和中国发明专利ZL 96 123001.0都提出了短路故障限流器结构，其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时，限流器对电网无压降、几乎无功耗；一旦系统发生短路故障，当电网电流达到直流电抗器的电流时，电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制，从而使故障电流限制在一定的水平，以保证断路器及时切断故障电流。这样，可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时，该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US 4490769的技术方案如图1a和b所示，其主电路由二极管T1、T2、T3、T4，直流电感L和偏压电源Vb组成。在发生短路故障时，均可以无延时地自动投入线路，对故障电流及其上升率进行限制。

但是，已有的固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处，只有在电网电流达到磁体电流时，其限流磁体(L0)才会自动串入电网来实现限流，并且，随着磁体电流的不断增大，磁体的限流能力不断减小。严格地说，二极管组成的桥路无法实现真正的限流，必须采用可控开关管，如图1b所示，通过控制，减小整流桥桥臂上的开关管的导通角来增大磁体的放电时间，从而达到较好的限流效果。同时，流过偏压电源的电流往往是电网电流的2～3倍，而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求，因此，偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出了一种用于输配电网的混合型短路故障限流器，它不但能够自动串入线路限制故障电流，而且结构简单、成本低。

本发明采用的技术方案：

本发明包括现有超导故障限流器SFCL和由绕组L1、L2组成的互感器ML，互感器ML的一个绕组L2与现有超导故障限流器SFCL串联，然后与绕组L1并联，组成混合短路故障限流器。其中，互感器ML采用矩形闭合铁芯，两绕组L1、L2的磁势相反。

本发明可以是单相短路故障限流器结构、也可以是三个单相短路故障限流器应用于三相系统而组成三相短路故障限流器结构，还可以是优化的三相短路故障限流器结构；可以是单相级联式短路故障限流器结构、也可以是三个单相级联式短路故障限流器应用于三相系统而组成三相级联式短路故障限流器结构、还可以是优化的三相级联式短路故障限流器结构。

本发明的主要优点：

1、本发明不但可以限制故障电流峰值，而且可以限制故障电流稳态值。本发明通过超导限流器的阻抗随电流的变化特性，调节互感，达到限制故障电流的作用，提高了限流器的限流能力，从而获得比已有短路故障限流器更好的限流效果。

2、本发明中通过超导故障限流器的阻抗变化来调节互感器的磁势，达到改变并联回路的限流阻抗的作用，不需要外加控制调节系统。因此，该故障限流器结构简单、易实现，且可靠性高。

3、本发明中超导故障限流器轻型化，大幅度降低了系统的制造成本和运行费用。在超导限流器轻型化的同时，限流器的制造成本大幅度下降，同时，其低温系统和运行费用也大幅度削减。

4、本发明的限流器对电网的稳态影响小。由于互感器的磁势相互抵消，而超导限流器的稳态阻抗为零，所以本发明的限流器在稳态时，对电网的影响很小。同时，也不会造成电网电流波形畸变。稳态性能优于已有的故障限流器。

5、本发明有利于实现大型故障限流器。由于超导限流器轻型化，降低了大型限流器制作的技术难度和成本，使得本发明的限流器更容易大型化，更有市场竞争力。

附图说明

图1a、图1b为已有的短路故障限流器的电路原理示意图；

图2为本发明具体实施例1电路原理示意图；

图3为本发明具体实施例1的超导故障限流器的阻抗特征波形；

图4为本发明具体实施例1的等效电路图；

图5为本发明具体实施例1的稳态等效电路图；

图6为本发明具体实施例1的故障限流等效电路图；

图7为本发明具体实施例2电路原理示意图；

图8为本发明具体实施例3电路原理示意图；

图9为本发明具体实施例4电路原理示意图；

图10为本发明具体实施例5电路原理示意图；

图11为本发明具体实施例6电路原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明的具体实施例1为单相的短路故障限流器。由一个小型超导故障限流器SFCL和一个由绕组L₁、L₂和矩形闭合铁芯Core组成的互感器ML，构成单相的短路故障限流器。互感器ML的一个绕组L₂与超导故障限流器SFCL串联，然后与绕组L₁并联。其中，两绕组L₁、L₂的磁势相反。超导故障限流器SFCL可以是电阻式或直流电抗型超导故障限流器。SW为断路器，U_AC为线路交流电源，R_L为负载等效电阻。

图3所示为本发明中的超导故障限流器SFCL的阻抗特征波形。如图3所示，超导故障限流器SFCL可以是电阻式或直流电抗型超导故障限流器，其输出电阻R_SFCL随电流I₂而呈非线性变化趋势，当电流I₂小于某一电流值I₀时，输出电阻R_SFCL近似为零；当电流I₂大于某一电流值I₀时，输出电阻R_SFCL迅速增大，而且电流I₂越大，输出电阻R_SFCL越大。

图4所示为本发明的具体实施例1为单相的短路故障限流器的等效电路图。图中各变量的定义如下：

I——线路电流；

R₁——绕组L₁的等效电阻；

R₂——绕组L₂的等效电阻；

M——绕组L₁、L₂的互感， $M=\sqrt{L_1{L}_2};$

I₁——绕组L₁的电流；

I₂——绕组L₂的电流；

ω——电源的角频率；

其中，R₁＜＜R_L，R₂＜＜R_L，I＝I₁+I₂。绕组L₁和L₂的感抗分别为jωL₁和jωL₂，其互感电压分别为jωMI₂和jωMI₁。

线路无故障，即稳态时，线路电流I较小，超导故障限流器的输出电阻R_SFCL约为零，假设常数k，并且满足R₂＝kR₁，且 $\sqrt{L_2}=k\sqrt{L_1}.$ 则互感器ML中的磁势相互抵消，则本发明的单相短路故障限流器不产生电抗，其稳态等效电路如图5所示。各电流的关系为：I₁＝kI₂，I＝(1+k)I₂。因此，通过超导故障限流器SFCL的电流I₂只有电路电流I的1/(1+k)，使得SFCL轻型化。

故障发生后，线路电流I迅速增加，因此，电流I₂也迅速增加，并导致超导故障限流器SFCL的输出电阻R_SFCL增加，从而使得并联回路的阻抗比例关系发生改变。同时，电阻R_SFCL与绕组L₂串联，使得电流I₂的上升速度远小于通过绕组L₁的电流I₁，最终导致铁芯Core的磁势不再相互抵消，短路故障限流器对电路产生阻抗来限制故障电流。此时，考虑到R₁＜＜R_SFCL，R₂＜＜R_SFCL，其等效电路如图6所示。在此限流过程中，通过超导限流器SFCL的阻抗自动调节作用，实现了互感器ML电流的重新分配，使得互感器ML的磁势不再平衡，从而产生了限流电抗，并且和超导故障限流器SFCL共同限流。

图7所示为本发明的具体实施例2，为三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相短路故障限流器。如图7所示，组成三个单相短路故障限流器的每个单相短路故障限流器的结构和图2所示的具体实施例1相同。SW为断路器，U_A、U_B、Uc为三相交流电源，R_L为三相负载等效电阻。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。

图8所示为本发明的具体实施例3为优化的三相短路故障限流器。其特点是在三相短路故障限流器的基础上，进行了铁芯优化，把三个独立的铁芯Core优化为一个一体化的三相铁芯。一体化的三相铁芯由共同一边的三个矩形铁芯PA、PB和PC组成，各矩形铁芯间夹角为120°，铁芯PA、PB和PC上分别绕制了A相、B相和C相的两绕组L₁、L₂。并且，同一矩形铁芯上的两个绕组的磁势方向相反。其它部分的电路结构和三相短路故障限流器相同。SW为断路器，U_A、U_B、Uc为三相交流电源，R_L为三相负载等效电阻。优化的三相短路故障限流器的工作原理和三相短路故障限流器相同。通过优化更有利于磁路间耦合，减小电流波形畸变。优化的铁芯有利于系统加工和安装，降低了系统的成本。

图9所示为本发明的具体实施例4为单相级联式短路故障限流器。如图9所示，由一个小型超导故障限流器SFCL和互感器ML₁、ML₂级联，构成单相级联式短路故障限流器。互感器ML₁由绕组L₁、L₂和闭合铁芯Core₁组成。互感器ML₂由绕组L₃、L₄和闭合铁芯Core₂组成。互感器ML₂的一个绕组L₄与超导故障限流器SFCL串联，然后与绕组L₃并联。互感器ML₂和超导故障限流器SFCL的回路再与互感器ML₁的绕组L₂串联，串联回路最后与绕组L₁并联。其中，相互耦合的绕组L₁、L₂的磁势相反，相互耦合的绕组L₃、L₄的磁势相反。超导故障限流器SFCL可以是电阻式或直流电抗型超导故障限流器，其阻抗特征波形如图3所示。SW为断路器，U_AC为线路交流电源，R_L为负载等效电阻。

线路无故障，即稳态时，线路电流I较小，超导故障限流器的输出电阻R_SFCL约为零。互感器ML₁、ML₂的参数整定方法和本发明的具体实例1的相同，从而保证互感器ML₁、ML₂各自的磁势为零，保证限流器对电路无影响。故障发生后，限流器产生阻抗的过程和本发明的具体实例1相同。但是，通过互感器级联使用，可以更好地满足高电压系统的要求。

图10所示为本发明的具体实施例5为三个单相级联式短路故障限流器应用于三相系统组成的三相级联式短路故障限流器。三个单相级联式短路故障限流器中每个单相短路故障限流器的结构和图2所示的具体实施例3相同。SW为断路器，U_A、U_B、Uc为三相交流电源，R_L为三相负载等效电阻。三相级联式短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相级联式短路故障限流器的工作原理相同。

图11所示为本发明的具体实施例6为优化的三相级联式短路故障限流器。其特点是在三相级联式短路故障限流器的基础上，进行了铁芯优化，把六个独立的铁芯Core₁和Core₂优化为一个一体化的三相铁芯。一体化的三相铁芯由共同一边的六个矩形铁芯PA、PB、PC和Pa、Pb、Pc组成，各矩形铁芯间夹角为60°。铁芯PA上绕制了A相的绕组L₁、L₂，铁芯Pa上绕制了A相的绕组L₃、L₄。铁芯PB上绕制了B相的绕组L₁、L₂，铁芯Pb上绕制了B相的绕组L₃、L₄(和A相类似)。铁芯PC上绕制了C相的绕组L₁、L₂，铁芯Pc上绕制了C相的绕组L₃、L₄(和A相类似)。并且，同一矩形铁芯上的两个绕组的磁势方向相反。其它部分的电路结构和三相级联式短路故障限流器相同。SW为断路器，U_A、U_B、Uc为三相交流电源，R_L为三相负载等效电阻。优化的三相级联式短路故障限流器的工作原理和三相级联式短路故障限流器相同。通过优化更有利于磁路间耦合，减小电流波形畸变。优化的铁芯有利于系统加工和安装，同时也降低了系统成本。

本发明把磁体的互感原理和超导材料的阻抗变化特性应用到故障限流之中，提高了限流器的限流能力，从而获得比已有短路故障限流器更好的限流效果。在220V的单相系统试验中，选用线路电流I＝100A、参数k＝4，设计绕组的电感分别为L₁＝20mH、L₂＝320mH，互感器的绕组内阻分别为R₁＝0.34Ω、R₂＝1.06Ω。在样机完成后，进行了各种故障限流实验，可保证故障电流限制在原来故障电流峰值的40％左右，而且故障电流无过冲现象发生。

Claims (7)

1、一种短路故障限流器，其特征是包括超导故障限流器(SFCL)和由绕组(L1和L2)组成的互感器(ML)，互感器(ML)的一个绕组(L₂)与超导故障限流器(SFCL)串联，然后与绕组(L₁)并联，组成混合短路故障限流器；互感器(ML)采用矩形闭合铁芯(Core)，两绕组(L₁)和(L₂)的磁势相反。

2、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是短路故障限流器串入交流电源(UA_C)、断路器(SW)和负载(R_L)之间，构成单相的短路故障限流器；三个单相的短路故障限流器分别串入(U_A)、(U_B)、(U_C)三相电源和三个负载(R_L)之间，构成三相短路故障限流器。

3、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是所述的三个单相的铁芯(Core)优化为一体化的铁芯；一体化的三相铁芯由共同一边的三个矩形铁芯(PA)、(PB)和(PC)组成，各矩形铁芯间夹角为120°；铁芯(PA)、(PB)和(PC)上分别绕制了(A)相、(B)相和(C)相的两绕组(L₁)、(L₂)；同一矩形铁芯上的两个绕组的磁势方向相反。

4、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是互感器(ML)可由两个互感器(ML₁)和(ML₂)所取代，构成单相级联式短路故障限流器；互感器(ML₁)由绕组(L₁)、(L₂)和闭合铁芯(Core₁)组成，互感器(ML₂)由绕组(L₃)、(L₄)和闭合铁芯(Core₂)组成；互感器(ML₂)的一个绕组(L₄)与超导故障限流器(SFCL)串联，然后与绕组(L₃)并联；互感器(ML₂)和超导故障限流器(SFCL)的回路再与互感器(ML₁)的绕组(L₂)串联，串联回路最后与绕组(L₁)并联；其中，相互耦合的绕组(L₁)、(L₂)的磁势相反，相互耦合的绕组(L₃)、(L₄)的磁势相反。

5、按照权利要求4所述的短路故障限流器，其特征是短路故障限流器串入交流电源(U_AC)、断路器(SW)和负载(R_L)之间，构成单相级联式短路故障限流器；三个单相级联式短路故障限流器分别串入(U_A)、(U_B)、(U_C)三相电源和三个负载(R_L)之间，构成三相级联式短路故障限流器。

6、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是六个单相的铁芯(Core)优化为一体化的铁芯；一体化的三相铁芯由共同一边的六个矩形铁芯(PA)、(PB)、(PC)和(Pa)、(Pb)、(Pc)组成，各矩形铁芯间夹角为60°，铁芯(PA)上绕制了(A)相的绕组(L₁)、(L₂)，铁芯(Pa)上绕制了(A)相的绕组(L₃)、(L₄)；铁芯(PB)上绕制了(B)相的绕组(L₁)、(L₂)，铁芯(Pb)上绕制了(B)相的绕组(L₃)、(L₄)；铁芯(PC)上绕制了(C)相的绕组(L₁)、(L₂)，铁芯(Pc)上绕制了(C)相的绕组(L₃)、(L₄)；同一矩形铁芯上的两个绕组的磁势方向相反；此短路故障限流器分别串入(U_A)、(U_B)、(U_C)三相电源和三个负载(R_L)之间，构成优化的三相级联式短路故障限流器。

7、按照权利要求1至6的任何一项所述的短路故障限流器，其特征是超导故障限流器(SFCL)可以是电阻式或直流电抗型超导故障限流器。

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