CN202840498U - 新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型磁屏蔽空心变压器耦合型桥式限流器，该限流器由带有高温超导磁屏蔽筒或绕组的空心变压器、整流桥路及直流电感组成。与现有技术相比，该限流器体积小，结构紧凑，正常运行时由于超导筒的磁屏蔽作用，阻抗极低，可完全忽略其对系统的影响，故障发生时自动响应，插入较高的限流阻抗快速限流，且恢复时间较短，有利于系统动态稳定性的提高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于电力系统的故障限流器，尤其是一种新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器。
背景技术
随着电力系统规模的不断扩张和电网互联发展，电网中短路电流水平不断增加,不断升级的短路故障对电网中电气设备造成越来越严重的破坏,同时也逐渐超过了电力线路中起故障保护作用的断路器的分断容量,对系统运行安全造成严重威胁。为确保系统运行安全，需要不断提高系统中变压器、发电机、断路器、母线等电气设备的容量，导致系统中电气设备的体积、重量和成本的不断增加。为了有效限制短路电流，确保系统安全运行，同时有效降低系统设备投资，国内外各研究机构先后推出了各种类型的短路限流器。一般的，系统对限流器有如下要求：挂网后，正常运行时低阻抗或零阻抗，故障限流时其限流阻抗能够将短路限流限制在预设值之内，故障发生时快速响应,插入系统限流，自身故障后不影响系统的正常运行，体积小，重量轻，成本低。
在各类短路限流器中，最受关注，最具有应用前景的为两类限流器：超导限流器和固态限流器。超导限流器根据其在限流过程中是否利用超导体的失超特性分为不失超型和失超型两大类。不失超型超导限流器中比较有代表性的为主动饱和型超导限流器，如图1所示，它由铁心、交流绕组、直流超导绕组、直流电源、磁能释放回路及其控制电路组成。在正常通流态，直流磁势使铁心深度饱和，串入输电线路的交流绕组呈现低感抗，故两端压降很小，对于正常输电无不利影响；在短路故障发生后，电流剧增，监控系统立即感知故障并借助于直流控制电路中的电力电子开关（由IGBT或IGCT组成）切断直流励磁电流，直流绕组中存贮的磁能通过磁能释放回路释放为零，两个铁心均脱离深度饱和状态，故障电流在两个交流绕组上都将产生大的限流感应电势，从而实现限流。饱和铁心型超导限流器主要通过直流绕组控制铁心的饱和程度来改变其在正常运行和故障限流状态下的阻抗,实现正常运行时低阻抗,故障限流时高阻抗。在系统短路容量较大时，为使铁心不会发生饱和，交流绕组匝数不能太多，同时铁心截面积需要足够大，以保证所需的限流电抗值，这无疑会大幅增加限流器的体积和成本。另外限流器自身无法对故障自动响应，需要外部监控系统来监测和判断故障的发生，这一方面对监测系统的可靠性提出了很高的要求，另一方面，使限流动作存在一定时间的延时，降低了其自身的限流效果。
失超型超导限流器包括变压器型、三相电抗器型、电阻型和屏蔽型超导限流器，其中屏蔽型超导限流器目前最具有应用前景。如图2所示，屏蔽型超导限流器，由外侧的铜线圈、中间的超导圆筒及内侧的铁心同轴装配而成，其中铜线圈为限流绕组，串联接入电路。正常运行期间，超导圆筒为超导态，铜线圈产生的磁通将在短路的超导圆筒上感应出屏蔽电流，所产生的磁通抵消铜线圈所产生的磁通，装置的阻抗仅由铜线圈和超导筒间的气隙漏磁通所决定，表现出低阻抗。当发生短路故障时，超导圆筒因感应的电流很快增大到临界值而失超，其电阻迅速增大，超导筒不能再屏蔽铜线圈的磁通，装置的阻抗增大，从而对故障电流起限制作用。屏蔽型超导限流器虽然可利用超导体的失超特性自动对故障做出响应并快速投入限流，但仍然同饱和铁心型超导限流器一样存在高短路容量下铁心过大的问题，同时在系统故障切除后超导屏蔽筒由失超态到超导态需要较长的恢复时间，这将对系统的动态稳定性造成一定影响。
固态限流器由常规电抗器、电子电子器件和控制器构成，可以根据需要构成不同拓扑结构，通过控制电子电子器件的工作状态，来改变固态限流器件的等效阻抗，从而达到限制短路电流的目的。固态限流器目前则有GTO开关式、谐振式、可变阻抗式、混合式、桥式固态限流器等几类。固态限流器具有可靠、快速、低成本的优点，特别是桥式固态限流器，可根据系统不同的运行方式，灵活改变拓扑结构，且具有对故障自动响应，无延时快速限流的特点。中国专利02265208.6公开的具有旁路电感的短路故障限流器提出了单相和三相两种具有旁路电感的变压器耦合型桥式固态限流器，图3给出了其单相拓扑结构，限流器通过耦合变压器TR1接入系统，旁路电感Lp并联在耦合变压器原边，由晶闸管T1、T2、T3及T4组成的单相整流桥并联在耦合变压器TR1副边，直流限流电抗器Ld并联在单相整流桥的直流输出端；图4给出了该限流器的三相拓扑结构，限流器通过三相耦合变压器TR2接入系统，三个旁路电感L6并联于三相耦合变压器每相原边，耦合变压器TR2副边并接由晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相整流桥，T7、T8组成续流桥臂，直流限流电抗器Ld并接于三相整流桥的直流输出端。对于上述两种拓扑结构，正常运行时，副边桥路运行于全开通状态，变压器副边相当于短路，变压器原边仅有其漏抗压降串联于系统，对系统影响很小。系统发生故障后，变压器副边直流限流电抗无延时的插入线路限流，有效限制短路电流第一波峰及其电流上升率，同时当监测系统快速监测并判断出故障后，控制副边桥路退出运行，变压器副边相当于开路，变压器等效于一励磁电抗串入系统，由于该变压器为一常规变压器，励磁电抗较大，短路电流完全由旁路电感来限制。上述故障限流器中的耦合变压器，须按照系统额定容量（额定电压及额定电流）来设计，同时为了保障正常运行时不影响系统正常运行，须尽可能增大变压器励磁电抗以增大变压器原副边耦合度，以降低变压器原边漏抗压降，这样会导致变压器体积庞大，限制限流器的推广应用。
为有效克服上述限流器的缺点，中国专利200420022582.5公开了一种新型电力电子型短路限流器，如图5、6所示，分别用单相和三相变阻抗变压器替代了专利02265208.6中提出的限流器中常规单相和三相变压器及旁路电感。该限流器不仅省去了旁路电感，而且完全利用变阻抗变压器的励磁阻抗来限制短路电流，所以变压器励磁电抗只需要根据限流预设值来设计，远小于常规变压器的励磁电抗。同时该限流器要求变压器在短路限流时铁心深度饱和，以降低原副边绕组的耦合度，从而有效降低副边桥路晶闸管的电压等级，为此变压器铁心截面积可大幅度降低，变压器体积、重量及成本也可下降显著。但是应该看到，该变阻抗变压器由于在短路限流时，铁心深度饱和，尤其在短路电流过大时，铁心磁导率接近于空气，为了使励磁电抗有效限制短路电流，必须增加绕组匝数以保证励磁电抗达到限流所需要求值，这将会同时增大变压器的原边漏抗，对系统正常运行带来一定影响。
发明内容
本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器，分为新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器单相拓扑结构和新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器三相拓扑结构。
新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器单相拓扑结构包括单相三绕组空心变压器、单相限流桥路，
所述的单相限流桥路包括单相整流桥及一个直流电抗器，单相整流桥由四个晶闸管组成，上桥臂的两个晶闸管组成共阴极，下桥臂的两个晶闸管组成共阳极，直流电抗器并接于单相整流桥共阴极和共阳极之间；
单相三绕组空心变压器三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，一次绕组串接于系统电源与负荷之间，二次绕组接单相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
所述的三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器三相拓扑结构，包括三相三绕组空心变压器、三相限流桥路，
所述的三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同时直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间；
三相三绕组空心变压器每相三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，三相一次绕组串接于三相系统电源与负荷之间，三相二次绕组接三相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
所述的三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
本实用新型的有益效果：
1、正常运行时压降极低，对系统几乎无影响；
2、故障发生时自动响应，并快速限流；
3、故障切除后，恢复时间较短，能迅速由限流态切换至正常态，有利于系统动态稳定性的提高；
4、变压器采用空心结构，故障期间均不会发生饱和，不存在因磁饱和而产生的尖峰，二次侧电压等级较低。
5、结构紧凑,体积小。
附图说明
图1主动饱和型超导限流器；
图2为屏蔽型超导限流器；
图3为具有旁路电感的变压器耦合型桥式固态限流器单相拓扑结构；
图4为具有旁路电感的变压器耦合型桥式固态限流器三相拓扑结构；
图5为新型电力电子型短路限流器单相拓扑结构；
图6为新型电力电子型短路限流器三相拓扑结构；
图7为新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流单相拓扑结构；
图8 为新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流三相拓扑结构；
图9为新型磁屏蔽空心单相三绕组变压器；
图10为新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器等效电路。
具体实施方式
如图7、图9所示，新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器单相拓扑结构包括单相三绕组空心变压器、单相限流桥路，
单相限流桥路包括单相整流桥及一个直流电抗器，单相整流桥由四个晶闸管组成，上桥臂的两个晶闸管组成共阴极，下桥臂的两个晶闸管组成共阳极，直流电抗器并接于单相整流桥共阴极和共阳极之间；
单相三绕组空心变压器三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，一次绕组串接于系统电源与负荷之间，二次绕组接单相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
如图8、图9所示，新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器三相拓扑结构，包括三相三绕组空心变压器、三相限流桥路，
所述的三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同时直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间；
三相三绕组空心变压器每相三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，三相一次绕组串接于三相系统电源与负荷之间，三相二次绕组接三相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
所述的三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器，在正常运行时，整流桥全开通，直流电感通过续流桥臂续流，直流电感的电压降即为续流桥臂的导通压降，接近于零，整个桥路接近于等电位状态，固耦合变压器二次侧可等效为“短接”，此时，串接于系统的一次侧绕组压降仅为漏抗压降。二次绕组由于“短路”，对外界磁通（即交链过一、二次绕组的磁通）具有屏蔽所用，但无法对一次绕组漏磁通形成屏蔽，该漏磁包括一次绕组外侧漏磁和内侧漏磁。一次绕组内侧漏磁由于只能通过一、二次绕组的间隙，其值很小，可以忽略，此时一次绕组漏抗则主要由外侧漏磁通所决定。根据磁路定律，绕组漏抗与匝数的平方呈正比，一次绕组因为本身是限流绕组需要足够的匝数来满足限流要求，导致漏抗压降增大。为有效降低一次绕组漏抗，则需要有效抑制一次绕组的外侧漏磁，这可以通过在一次绕组外侧同轴安装屏蔽绕组来实现。本实用新型中屏蔽绕组采用高温超导屏蔽筒或绕组，其内部完全短路。系统正常运行时,超导筒内感应电流小于其临界电流Ic,超导筒处于超导态，根据超导体的迈斯纳效应，超导体内磁通完全排除体外，内部磁场为零，超导体具有完全抗磁性特性，此时变压器一次绕组所产生的外侧漏磁通绝大部分被超导筒所屏蔽。综上，系统正常运行时，由于变压器“短接”的二次绕组和的高温超导筒或绕组的磁场屏蔽作用，一次绕组的漏抗压降被限制在很低的水平，限流器压降可基本忽略。当系统发生短路故障后，由于短路电流瞬间增大，变压器二次侧的直流电感无延时自动插入到桥路限制短路电流第一波的峰值及其上升率，当监测系统检测到系统发生故障后，迅速封锁桥路触发脉冲，桥路可在半个周波内完全关断，二次绕组相当于开路；同时，变压器超导屏蔽筒中的感应电流瞬间增大，并超过临界电流Ic,超导筒自动失超，失去磁屏蔽做作用。这样，变压器二、三次绕组均自动在故障发生后失去磁屏蔽作用，串接于系统主回路的变压器一次绕组电抗值迅速增大，变压器则可等效于空心电抗器，能够有效限制短路电流峰值及其上升率。
当系统发生短路故障后，变压器一次绕组全部或部分承担系统电源电压，若变压器采用高导磁铁心结构，一、二次绕组之间具有较高的耦合系数，二次侧电压较高，二次侧桥路必须具有相应的耐压等级，以确保其安全运行。为降低系统故障时二次绕组的电压等级，设计中可使一、二次绕组匝数比n大于1，但此时通过二次绕组电流则增加为一次绕组的n倍，这又会增加晶闸管的容量。本实用新型中变压器采用空心结构，主磁路磁导率接近于空气磁导率，远低于铁磁材料的磁导率，这样一、二次绕组的耦合度远低于铁心结构。若一、二次绕组匝数比为1:1,但其等效变比则为n’:1(n’>1，一般的，1.5<n’<2.5)，系统发生短路故障后，二次侧电压远低于一次侧电压,且由于变压器磁路在整个故障期间均不会发生饱和，二次侧电压在故障期间具有很好的线性度，不存在因磁饱和而产生的尖峰。
当系统故障消除后,限流器应由故障限流态迅速恢复到正常工作状态,恢复时间的长短则直接影响到系统的动态稳定性能。本实用新型所公开的限流器方案，当控制系统监测到系统故障切除后，迅速发送桥路触发脉冲，开通二次侧桥路，若桥路开通瞬间直流电感Ld仍存贮剩余磁能，且剩余电流大于线路电流的峰值Im，则桥路开通瞬间立即进入全开通状态，二次侧可立即等效为“短路”。若桥路开通瞬间,直流电感Ld的剩余电流低于Im,或已衰减为零，则桥路开通后需要一段对直流电感充磁的暂态过程，直至直流电流达到稳态值后，桥路全开通，但该充磁过程较为短暂，仅需要2到3个周波。综上，变压器二次绕组可迅速由故障开路状态恢复至全开通正常工作态，并实现对一次绕组的磁屏蔽。相对于二次绕组，变压器外侧的超导屏蔽筒由故障失超态至正常超导态的恢复时间则较长，即变压器二次绕组由“开路”恢复至“短路”态后，超导屏蔽筒仍存在一段时间的失超态，对一次绕组外侧磁通无屏蔽作用。但此时一次侧绕组主磁通已被二次绕组屏蔽，绕组漏抗压降完全能够限制在系统所允许的范围内，对系统的动态稳定性无不利影响。
当系统正常运行时，若二次侧桥路发生故障而断开，但由于外侧超导屏蔽筒的磁通屏蔽作用，限流器压降仍可被限制在降低的水平，对系统的正常运行影响较小。
如图10所示，Us为系统电源电压，R1及Xs1为变压器一次绕组的电阻及漏感，R2 ’=n12 2R2,Xs2 ’= n12 2Xs2，n12为一、二次绕组的等效电压变比, R2 ’及Xs2 ’ 分别为二次绕组归算至一次侧的电阻和漏感值，R3 ’= n13 2R3及X3 ’= n13 2X3，n13为一、三次绕组间等效电压变比，R3 ’及X3 ’为三次绕组归算至一次侧的电阻和漏感，Xm为变压器的励磁电抗，ZL为负载阻抗。系统正常运行时，由于超导筒处于超导态，根据超导体的零电阻特性及完全抗磁特性，R3 ’及X3 ’均可视为零，此时限流器阻抗完全由一次绕组电阻R1及漏抗Xs1决定，由于“短接”的二次绕组及超导筒分别对一次绕组的内外侧的磁通屏蔽作用，Xs1≈0，限流器阻抗则仅由R1来决定，其值非常小，可完全忽略不计，因此系统正常运行时限流器压降也可完全忽略不计。当系统发生短路故障后，超导筒失超，电阻R3 ’及X3 ’迅速增大，二次绕组在故障后半个周波内开路，之后二、三次绕组失去对一次绕组磁屏蔽作用，Xs1迅速增大，此时限流器的限流阻抗Zlimit则主要由Xs1、Xm、R3 ’及X3 ’共同决定,设计中取Xm>>R3 ’、 X3 ’，则Zlimit≈Xs1+Xm，即限流阻抗完全由一次绕组电抗所决定，因此可以通过设计一次绕组的尺寸及匝数来达到系统限流预设值。
Claims (2)
1. 新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器，包括单相三绕组空心变压器、单相限流桥路，
所述的单相限流桥路包括单相整流桥及一个直流电抗器，单相整流桥由四个晶闸管组成，上桥臂的两个晶闸管组成共阴极，下桥臂的两个晶闸管组成共阳极，直流电抗器并接于单相整流桥共阴极和共阳极之间；
其特征在于：单相三绕组空心变压器三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，一次绕组串接于系统电源与负荷之间，二次绕组接单相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
所述的三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
2.新型磁屏蔽空心变压器耦合桥式固态限流器，包括三相三绕组空心变压器、三相限流桥路，
所述的三相限流桥路包括三相整流桥、续流桥臂和一个直流电抗器，三相整流桥由六个晶闸管组成，上桥臂三个晶闸管组成共阴极，下桥臂三个晶闸管组成共阳极，续流桥臂由两个顺极性串联的晶闸管组成，同时直流电抗器共同并接于三相整流桥的共阴极和共阳极两点之间；
其特征在于：三相三绕组空心变压器每相三套线圈同轴安装于骨架，中间和内侧绕组分别为一侧绕组和二次绕组，三相一次绕组串接于三相系统电源与负荷之间，三相二次绕组接三相限流桥路,外侧线圈为三次绕组；
所述的三相多绕组变压器每相由多层绕组同轴安装而成，采用空心式结构；
所述的三次绕组由高温超导材料制成的屏蔽筒构成。
Priority Applications (2)
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