CN201466702U - 一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，属于柔性交流输电技术领域。电力系统短路故障电流的数值不断提高，短路故障对电力系统及与其相连的电气设备的破坏性越来越大。目前大的短路电流已成为制约电网运行和发展的重要因素之一，限制电力系统短路电流已成为重要的问题。由补偿电容器C，变压器T，限流电阻R，固态控制开关V组成。在电力系统正常运行时，本实用新型相当于串联电容对线路电抗起串联补偿作用。借串联补偿电容抵偿部分或是全部线路电感，从而减少无功潮流在电网中产生的电压损耗，提高了线路末端电压，又提高了系统运行的稳定性。在电力系统故障时，通过固态开关V的闭合，故障限流器发生并联谐振，从而限制了短路电流。

Description

一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器

技术领域

本实用新型是一种用于对电力系统短路电流进行限制的故障限流器，特别涉及一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，属于柔性交流输电技术领域。

背景技术

随着电力系统容量和规模的扩大，电力系统短路故障电流的数值也不断提高，大的短路电流已成为制约电网运行和发展的重要因素之一，限制电力系统短路电流已成为重要的问题。为此各种类型的故障限流器开始出现。

目前故障限流器主要分为二大类：第一类是采用功率电子器件控制线路阻抗的限流器；第二类是采用具有特殊性质的材料作为限流器的基本限流部件，例如：超导材料和具有正温度系数(PTC)的聚合材料等。

第一类故障限流器保护电路的基本思想是：在正常负载情况下所呈现的是低阻抗，但是在故障发生时，动作保护就会呈现出大的阻抗值以限制故障电流，将故障电流限制在断路器正常工作范围内。主要缺点是：由于电力系统电压高电流大，所以控制元件(比如整流管、可控硅、GTO等)需要多个串并联，导致造价高、控制复杂、体积与重量大以及运行损耗大等等。

第二类故障限流器分超导材料类和具有正温度系数(PTC)材料类。超导故障限流器保护电路的基本思想是：当电力系统正常运行时，传输电流在超导体临界电流以下，超导体的电阻几乎为零，对电力系统运行不产生影响。一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体瞬时失超产生非线性高电阻，从而有效地限制短路电流。主要缺点是：造价高、冷却导致运行费用高以及与电力系统现有的断路器和继电保护配合复杂等等。正温度系数(PTC)的聚合材料作为故障限流器保护电路的基本思想是：当故障电流流过时，正温度系数(PTC)的聚合材料能快速增大自身阻值，限制和切断故障电流，通常其阻值可以提高8到10个数量级的正常运行时的阻值。正温度系数(PTC)的聚合材料具有随温度升高其阻值会增加的能力，温度的升高是由于电流在PTC电阻上的功率损耗所引起的。在正常运行状态下，PTC呈现低阻值，额定电流全部通过PTC电阻，此时PTC电阻上的功率损耗很低。当故障出现时，电流大于临界电流值而急剧上升，则功率也相应急剧上升，引起温度升高，从而PTC的阻值随温度的升高而迅速上升，以限制和切断故障电流。主要缺点是：PTC电阻比较容易受外界因素的影响；限流时过电压问题比较严重；由于单个PTC电阻元件的额定电压和额定电流不大，所以在电力系统中要由多个元件串并联组合而成，造成造价高、控制复杂以及体积与重量较大等等。

根据电力系统继电保护的需要，在发生短路故障之后，要求对短路电流有所限制，但短路电流必须保持在一个较大的数值(如6倍、10倍左右的正常工作电流)上一段时间，以满足电力系统继电保护动作的需要。为此，目前的故障限流器普遍为了和现有线路继电保护配合而在故障限流器旁再并联一个旁路电抗，造成整个设备体积与重量较大，造价较高。

发明内容

为了克服现有故障限流器技术上的不足，本实用新型提供了一种新的故障限流器，这就是具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器。为了叙述方便，下面文章中简称为本实用新型限流器。

一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，含有补偿电容器、变压器、限流电阻、固态控制开关；变压器的一次侧与电容器并联，变压器的二次侧与限流电阻和固态开关组成的串联电路并联。

本实用新型限流器通过M、N端口串接在电力系统的线路中。

本实用新型限流器的最大优点在于在电力系统正常运行时，本实用新型相当于串联电容对线路电抗起串联补偿作用。借串联补偿电容抵偿部分或是全部线路电感，从而减少无功潮流在电网中产生的电压损耗，提高了线路末端电压，同时又提高了系统运行的稳定性。在电力系统故障时，通过固态开关的闭合，本实用新型故障限流器发生并联谐振，从而限制了短路电流。

附图说明

图1为本实用新型限流器电路示意图；

图2为本实用新型限流器在电力系统中接线示意图；

图3为本实用新型限流器等值电路图；

图4为本实用新型限流器在电力系统正常运行时的等值电路图；

图5为本实用新型限流器在电力系统短路故障时的等值电路图；

图6为本实用新型限流器在电力系统短路故障时的简化等值电路示意图。

下面结合附图和实施例对本实用新型限流器作进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

本实用新型限流器电路如图1所示。其中：1为补偿电容器C，2为变压器T，3为固态控制开关V，4为限流电阻R。变压器2的一次侧与电容器1并联，变压器2的二次侧与限流电阻4和固态开关3组成的串联电路并联。本实用新型限流器通过M、N端口串接在电力系统的线路中。

本实用新型限流器在电力系统中接线示意图如图2所示。其中电力系统等值电源为G、电源等值内阻抗为r_S+jx_S、DL为断路器、输电线路的等值阻抗为r_L+jx_L、负荷等值阻抗为Z_LD。

本实用新型限流器等值电路图如图3所示。变压器2的等值电路采用T型等值电路，由一次侧绕组电阻r₁和漏抗x₁，励磁绕组阻抗r_m+jx_m以及二次侧绕组归算到一次侧后的绕组电阻r₂和漏抗x₂组成。励磁绕组阻抗r_m+jx_m在数值上一般远远大于一次侧绕组阻抗r₁+jx₁以及二次侧绕组归算后的阻抗r₂+jx₂。r为R归算到一次侧的阻值。

本实用新型限流器的工作原理如下：

电力系统正常运行时，如图2所示，固态开关V关断，变压器T的二次侧相当于开路.本实用新型限流器等值电路如图4所示.由于补偿电容器C和变压器T的一次侧并联，而变压器的励磁阻抗r_m+jx_m与一次侧阻抗r₁+jx₁的总和一般远远的大于补偿电容器C的容抗，所以这时补偿电容器C和变压器T的一次侧并联电路为容性。

这时在图2中，本实用新型限流器相当于串联电容对线路电抗jx_L起串联补偿作用。在电力系统中线路上串联电容的优点是：借串联补偿电容抵偿部分或是全部线路电感，从而减少无功潮流在电网中产生的电压损耗，提高了线路末端电压，同时又提高了系统运行的稳定性。此外，在正常运行时固态开关V关断，所以固态开关V的功率消耗不大。

当电力系统发生短路故障时，在图2中，比如输电线路某处发生短路故障，检测电路控制固态开关V闭合，限流电阻R经固态开关V与变压器T的二次侧并联，本实用新型限流器等值电路如图5所示(图中忽略固态开关V的压降)。在设计本实用新型限流器时，选择合适的补偿电容器C和变压器T参数与限流电阻R，使补偿电容器C和变压器T与限流电阻R组成的系统在额定工频频率50Hz附近(一般电力系统频率容许变化范围为49.5-50.5Hz)发生并联谐振，这时谐振阻抗较大，对短路故障电流起到了限流作用。

本实用新型限流器的最大优点在于在电力系统正常运行时，电力系统的工作电流主要流过电容器C，这样可以起到借串联补偿电容抵偿部分或是全部线路电感的作用；而在电力系统短路故障时，并联谐振又可以产生较大阻抗以限制短路电流，通过调节并联谐振阻抗数值还可以使现有电力系统继电保护正常工作。

图6为图5等值电路的简化等值电路。一般而言，由于励磁绕组阻抗r_m+jx_m在数值上远远大于r+r₂+jx₂，所以可以忽略r_m+jx_m的影响。这样：

R_∑＝r₁+r₂+r

X_∑＝x₁+x₂＝jωL    (1)

在图6中，电流满足：

$\stackrel{\·}{I}={\stackrel{\·}{I}}_L+{\stackrel{\·}{I}}_C$

$=(\frac{1}{R_{\mathrm{\Σ}}+\mathrm{j\ωL}}+\mathrm{j\ωC})\stackrel{\·}{U}$

$=[\frac{R_{\mathrm{\Σ}}}{{R_{\mathrm{\Σ}}}^2+{\left(\mathrm{\ωL}\right)}^2}-j(\frac{\mathrm{\ωL}}{{R_{\mathrm{\Σ}}}^2+{\left(\mathrm{\ωL}\right)}^2}-\mathrm{\ωC})]\stackrel{\·}{U}$

其中，

为N端与M端间的电压。

并联谐振的条件是：上式虚部为0，所以当发生并联谐振时：

$\frac{\mathrm{\ωL}}{{R_{\mathrm{\Σ}}}^2+{\left(\mathrm{\ωL}\right)}^2}-\mathrm{\ωC}=0$

由于并联谐振的频率为50Hz

ω₀＝2πf₀＝314

推出并联谐振的参数关系式：

$C_0=\frac{L_0}{{R_{\mathrm{\Σ}0}}^2+{\left(314L_0\right)}^2}---\left(2\right)$

这时，N端与M端间的阻抗达到最大，为：

$Z_{\mathrm{CT}0}=\frac{L_0}{R_{\mathrm{\Σ}0}{C}_0}---\left(3\right)$

为纯阻性。根据电力系统继电保护正常运行对短路电流值的要求，可以计算出所要求的故障限流器的Z_CT。

当发生谐振时，电流为

$I_0=\frac{R_{\mathrm{\Σ}0}{C}_0}{L_0}U$

$I_{L0}=\frac{U}{\sqrt{{R_{\mathrm{\Σ}0}}^2+{\left({\mathrm{\ω}}_0{L}_0\right)}^2}}---\left(4\right)$

I_C0＝ω₀C₀U

此时尽可能降低I_L0的数值，这样可使变压器T容量下降，既降低了造价，又使变压器体积与重量大为缩小。

以上公式中，参数下脚标的0代表并联谐振时的数值。

实施例2：

如图1所示。本实用新型限流器中固态开关V可以选择可控硅、GTO等大功率可控器件。检测与判定电力系统发生短路故障和检测与判定电力系统短路故障消失以及控制固态开关器件的装置，由于公知的这类成熟的装置非常多，所以本实用新型限流器对此不做详细说明。由于变压器T的变比对等值电路(如图3、图5)中的r、r₂、jx₂影响较大，所以设计选取变压器T时必须考虑变比。合适的变比也能降低电力系统故障时变压器T二次侧电压，也就降低了固态开关V的成本。

实施例3：

如图2所示，本实用新型限流器连接于需要限流的输电线路首端，线路首端的断路器DL后面。

对于单相电力系统，本实用新型限流器中变压器T为单相双绕组变压器。

对于三相电力系统，本实用新型限流器的变压器T为三相双绕组变压器，电容C为3个，分别并接于变压器T的一次侧A、B、C相上；限流电阻R和固态开关V组成的串联电路也为3个，分别并接于变压器T的二次侧a、b、c相上。

实施例4：

参数C、R、变压器的参数r₁、x₁、r₂、x₂选择：

在图2中，根据电力系统继电保护正常运行对短路电流值的要求，可以计算出所要求的故障限流器的Z_CT。

根据输电线路调压的要求，选择合适的C；

当C选定以后，选择合适的变压器T，既要满足正常运行时r_m+jx_m远远大于C的容抗，又要满足在电力系统短路故障时，二次侧的电压不是特别高(选择合适的变压器变比)，这样有利于降低对固态开关V的参数要求，降低成本和提高可靠性。变压器的参数r₁、x₁、r₂、x₂随着变压器T的选定而确定。

最后，在选定C和T后，根据公式(1)和公式(2)，计算R。

总之，按照公式(1)、(2)、(3)、(4)来选择参数C、R和变压器，首先要保证电力系统短路时候能使短路电流限制在合适的范围内，同时又能满足既有电力系统继电保护正常运行对短路电流值的要求；其次是要满足对固态开关V的参数要求不能太高以降低成本和提高可靠性；再次就是尽可能降低变压器的容量，以减少变压器的体积与重量，降低造价。最后尽可能使电力系统正常运行时，能给线路最大的补偿。

Claims (5)

1.一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，其特征是：由补偿电容器，变压器，限流电阻，固态控制开关组成；变压器的一次侧与电容器并联，变压器的二次侧与限流电阻和固态开关组成的串联电路并联。

2.根据权利要求1所述的一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，其特征在于所述故障限流器是通过M、N端口串接在电力系统的线路中。

3.根据权利要求1所述的一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，其特征在于所述固态控制开关是可控硅、GTO大功率可控器件，在正常运行时固态开关V关断。

4.根据权利要求1所述的一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，对于单相电力系统，其特征在于变压器T为单相双绕组变压器。

5.根据权利要求1所述的一种具有串联补偿功能的并联谐振式短路故障限流器，对于三相电力系统，其特征在于变压器T为三相双绕组变压器，电容C为3个，分别并接于变压器T的一次侧A、B、C相上；限流电阻R和固态开关V组成的串联电路也为3个，分别并接于变压器T的二次侧a、b、c相上。

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