CN201130853Y - 故障电流限制器 - Google Patents

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CN201130853Y CNU2007200884008U CN200720088400U CN201130853Y CN 201130853 Y CN201130853 Y CN 201130853Y CN U2007200884008 U CNU2007200884008 U CN U2007200884008U CN 200720088400 U CN200720088400 U CN 200720088400U CN 201130853 Y CN201130853 Y CN 201130853Y
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陈磊
石晶
宋萌
任丽
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故障电流限制器,属于电力系统的短路限流保护装置,目的在于克服现有技术在偏置电流源设计方面的不足之处,减少正常运行时限流装置的电阻损耗。本实用新型包括变压器,变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈,变压器的铁心工作在线性区,变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路,可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连,通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小,短路电流能被快速地限制在一定水平上。本实用新型运行损耗低,结构简单,响应迅速,有利于减小现有开关设备、断路器的损耗,节省电力部门的投资。

Description

故障电流限制器
技术领域
本实用新型属于电力系统的短路限流保护装置,特别涉及一种故障 电流限制器。
背景技术
为有效抑制短路故障给电力系统及用户带来的巨大危害,保证电力 系统运行的安全性、可靠性和稳定性,必须采取行之有效的方法限制短 路电流,切断故障线路。传统的限流措施主要有以下形式:
(1) 发展高电压等级的电力系统,将低电压等级电力系统解列分片运 行。这种措施可以有效抑制系统短路(电流)容量,但将降低电网供电 可靠性和运行灵活性,同时建造高一级电压的环网不仅复杂、造价昂贵, 而且涉及到环境电磁污染问题。
(2) 采用多母线运行或母线分段运行。对控制短路电流增长也很有 效,但并非电网发展的趋势,不能实现电网能源的最优配置。
(3) 采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用,但其 反应速度较慢,不利于电网的稳态和暂态稳定,且对电网的瞬间电动力 没有任何抑制作用;另一方面,熔断式保护器一般是一次性的,给电网 的维护以及自动化带来不便。
(4) 采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看,这种方 案存在一定的局限性。 一方面,超大容量断路器在技术上存在相当的难 度,另一方面,系统短路电流和断路器设备遮断容量太大会加重并联设 备的技术要求,是不经济的。
以上几种限流措施从原理到应用方式上都有所区别,均可以不同程度上实现对短路电流的约束和限制。但与此同时,它们又存在着各自的 缺陷和不足,并以另一种形式对电网产生了不利的影响。为此,人们提 出了故障限流器的概念,并开展了大量的研究工作。
华中科技大学申请的申请号为"200410013346.1"的《直流超导故 障限流器》,该直流超导故障限流器在正常运行时,对直流系统的运行没 有任何影响;而当系统发生故障时,该直流超导故障限流器能在短路后 0. ls时间内将故障电流限制在正常值的2〜3倍,具有良好的限流效果, 且不会产生过电压。该限流器采用电压源与电阻相串联来提供偏置电流, 在运行过程中会产生一定的电阻损耗,该损耗与电流的平方成正比,当 直流系统的运行电流水平较高时,偏置源所产生的损耗就会很大,会影 响系统运行的经济性。
发明内容
本实用新型提供一种故障电流限制器,目的在于克服现有技术在偏 置电流源设计方面的不足之处,减少正常运行时限流装置的电阻损耗。
本实用新型的一种故障电流限制器,包括变压器,变压器的铁心上 绕制一次侧线圈和二次侧线圈,变压器的铁心工作在线性区,变压器一
次侧线圈串联接入电力系统主回路,其特征在于:可控开关并联限流电 阻之后同变压器二次侧线圈相连,通过控制可控开关的开、闭状态调节 呈现的限流阻抗大小。
所述的故障电流限制器,其特征在于:所述变压器一次侧线圈和二 次侧线圈的材料为超导材料。
所述的故障龟流限制器,其特征在于:所述可控开关为断路器开关、 电力电子开关或者PWM变流器。
本实用新型在电路结构中用可控开关并联限流电阻的方式来代替偏 置电压源和串联电阻,正常运行时,可控开关处于闭合状态,本实用新型故障电流限流器呈现低阻抗,对系统不产生影响;当发生短路故障后, 控制可控开关处于断开状态,使故障电流限流器呈现大阻抗来抑制故障 电流的上升。串联变压器的铁心一直工作在非饱和区域,所以该限流器 在系统中为一线性阻抗,不会产生谐波。当发生故障时,通过可控开关 迅速开断,由于限流电阻的存在,不会产生过电压。可控开关的合适选 取能有效保证限流器的动态响应特性。由于是在二次侧线圈实现开断和 闭合等操作,通过变压器的隔离,可以方便地选择变比来确定可控开关 的电压电流等级,从而使限流器的性价比最优。该限流器可以立刻把大 的短路电流限制在比较低的水平,该限流器运行损耗低,结构简单,响 应迅速,有利于减小现有开关设备、断路器的损耗,节省电力部门的投 资。
附图说明
图1为本实用新型应用于交流电力系统的电路示意图; 图2为本实用新型应用于交流电力系统的等效电路图; 图3 (a)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器一次侧系
统电流L的波形,横坐标为时间(s),纵坐标为系统电流z; (A);并将有
故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较。
图3 (b)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器一次侧电
压^的波形,横坐标为时间(S),纵坐标为变压器一次侧电压^ (V);
图3 (c)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器二次侧电
压"2的波形,横坐标为时间(S),纵坐标为变压器二次侧电压"2 (V);
图4 (a)为本实用新型实施例1同主断路器配合时主断路器上流过 的电流波形,横坐标为时间(s),纵坐标为主断路器上流过的电流^ (A), 并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较;
图4 (a)为本实用新型实施例1同主断路器配合时主断路器开断线路时的暂态恢复电压波形,横坐标为时间(S),纵坐标为主断路器上暂
态恢复电压t/zw (V),并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作 比较。
图5为本实用新型实施例2应用于交流电力系统的电路示意图;
图6为本实用新型实施例2应用于交流系统的变压器一次侧系统电
流t的波形,横坐标为时间(S),纵坐标为系统电流/, (A);并将有故障
电流限制器与无故障电流限制器时作比较。
图7为本实用新型实施例1和实施例2的限流波形比较图。横坐标
为时间(S),纵坐标为系统电流^ (A);
具体实施方式
由图1所示,本实用新型包括变压器l、限流电阻/?及可控开关s,变 压器l的结构为,在铁心上绕制一次侧线圈W1、 二次侧线圈W2, 一次侧线 圈W1串联接入交流系统,交流系统的等效电压源R,线路阻抗和负载阻 抗分别为Z,,Z2,主断路器CB。可控开关S并联限流电阻7?之后同二次侧 线圈W2相连。变压器l的铁心工作在线性区,通过控制可控开关的闭合和 断开来调节限流器串接入系统的限流阻抗。
基于变压器的等效电路关系,本实用新型应用于交流电力系统的等 效电路如图2所示,Z^《,^,^分别是变压器一次侧线圈W1和二次侧线圈 W2的自感和电阻,i^,M为线圈之间的励磁电阻和互感,在此采用超导变 压器模型,省略掉线圈电阻《,A和励磁电阻iC。当系统正常运行时,可 控开关处于闭合状态。根据图2可以得出,此时限流器呈现的阻抗 Ara^加(丄,2-m2)/A,由于M-^/^S (其中k为耦合系数),故有 Zsrci^yw(1 — ^)^。在耦合非常好的情况下,k可以近似为l,此时该限 流器接入系统的阻抗非常之小,相对于电网来说完全能够忽略不计,对 系统没有影响。当发生短路故障时,系统电流开始上升,感应到二次侧的电流也会 有所增加。当系统电流上升至一定阈值,控制可控开关处于断开状态, 限流电阻以及变压器的电感一同接入系统主回路来限制故障电流,限流
阻抗为Z^力"'6^+^^。由此可见,4皿的幅值和相位由限流电
阻A和超导线圈自感^,^共同决定,限流阻抗中的阻性成分还能够抑制 短路电流的稳态值。
实施例l,变压器选用常导变压器,可控开关s选用断路器开关,限
流电阻选用线性电阻,负载回路的交流电源为理想电压源。结构参数如
下:C/,220sin^ V, 变压器线圈的自感和互感为 丄,二丄,20m仏M^9.6m// ,变压器线圈的电阻和励磁电阻为 ^ = W2 = 0.5Q jm = 0.49Q ,线路阻抗^ =(0.19 + 2.16y')Q ,负载阻抗为 Z2=15 + 2^/Q,限流电阻/? = 80,工频/ = 50历。
图3(a)、 (b)、 (c)所示为实施例l应用于交流系统的限流波形图, 在此为看出限流效果,故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0〜 0.038s时间内,交流电力系统正常运行,在0.038s〜0. Is时间内,交流 电力系统发生短路故障。
如图3 (a)所示,粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流 t,细虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流t。系统的正常运行 时电流峰值为14A,当发生短路故障时,如果系统中没有安装限流装置, 如粗实线所示,电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统 中安装了限流器之后,当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为 20A),控制断路器开关S断开,开始限流运行。如细虚线所示,在故障 发生后的第一个周期内能把系统电流的峰值限制在45. 8A左右,限流效 果非常明显。
图3(b)和图3(c)所示为限流器运行过程中变压器一次侧输出电压w,和二次侧输出电压^。从图中可以看出,当系统正常运行时,变压器一
次侧输出电压^的峰值为3.5V, 二次侧输出电压^的峰值为0. IV,相比 较于系统电压220V, w,基本上对正常运行没有影响;当发生短路故障时, 检测到系统电流大于一定阈值,操作断路器开关S断开线路,变压器一 次侧和二次侧输出电压的w,、 ^的峰值分别上升至155V及150V,且并没 有产生过电压现象。
图4(a)、(b)为实施例1同主断路器CB配合的波形电路图j^0.05s 时令主断路器CB动作开断系统主回路。
如图4 (a)所示,粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上流 过的电流,细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上流过的电流。 可以看出,有故障电流限制器之时流过主断路器的电流相比较没有之时 要小很多,有利于降低主断路器的遮断容量。
如图4 (b)所示,粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上的 暂态恢复电压,细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上的暂态恢 复电压波形。可见因为限流装置的引入,降低了暂态恢复电压的波动。 没有安装限流装置之时,通过主断路器CB直接开断线路,初始暂态恢复 电压的峰值可以达到320V,加装了限流器之后,能将其限制在120V左右, 效果非常明显,从开关电器的灭弧角度来说,这是非常有利的。
实施例2,变压器选用超导变压器,可控开关S选用电力电子开关。 实施例2应用于交流电力系统的电路示意图如图5所示,结构参数如下: ^二220sinw V, 超导变压器线圈的自感和互感为 = i:2 = 20m//,M= 19.6m//,在此省略掉线圈电阻和励磁电阻。线路阻 抗Z,(0.19 + 2.16/)Q,负载阻抗为Z^15 + 2yQ,电力电子开关选用两个 反向并联的绝缘门极双极型晶体管(IGBT): T1和T2,限流电阻A二8Q, 工频/ = 50他。
正常运行时,Tl和T2处于交互导通状态,限流电阻R被短接,限流器呈现低阻抗,对电力系统无影响。
发生短路故障后,当检测到一次侧的系统电流上升至一定阈值,控
制Tl和T2关断。限流电阻同超导线圈一同接入系统主回路,来抑制短 路大电流。
图6所示为本实用新型实施例2应用于交流电力系统的限流波形图, 在此为看出限流效果,故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0〜 0.038s时间内,交流电力系统正常运行,在0.038〜0. ls时间内,交流 电力系统发生短路故障。
图6所示,粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流^,细 虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流G。系统的正常运行时电 流峰值为14A,当发生短路故障时,如果系统中没有安装限流装置,如粗 实线所示,电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统中安 装了限流器之后,当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为20A), 控制T1、 T2关断,开始限流运行。如细虚线所示,在故障发生后的第一 个周期内能把系统电流的峰值限制在43.8A左右,限流效果非常明显。
图7所示为本实用新型实施例1和实施例2的限流波形比较图。粗 实线表示实施例1应用于交流电力系统的电流^,细虚线表示实施例2 应用于交流电力系统的电流^。在限流效果和响应速度的比较上,实施 例2要略强于实施例1。实施例2采用电力电子开关,响应时间短,在得 到控制信号之后T1、 T2可以马上关断,开始限流运行。实施例l选取断 路器开关作为可控开关则需要等到电流过零的时候才关断线路,中间会 存在一定的响应延迟。超导变压器的引入有助于提高限流器运行效率, 降低装置损耗,增强限流能力。

Claims (3)

1.一种故障电流限制器,包括变压器,变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈,变压器的铁心工作在线性区,变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路,其特征在于:可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连,通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小。
2. 如权利要求1所述的故障电流限制器,其特征在于:所述变压器 一次侧线圈和二次侧线圈的材料为超导材料。
3. 如权利要求1或2所述的故障电流限制器,其特征在于:所述可 控开关为断路器开关、电力电子开关或者PWM变流器。
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