CN214204934U - 一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站 - Google Patents
一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,它的组成包括:隔离开关(11,12,13,14,15,16),双母线(21,22),断路器(31,32),三绕组变压器(41,42),改进磁饱和型高温超导限流器(5),其特征在于:在双母线(21,22)之间加装改进磁饱和型高温超导限流器(5),改进磁饱和型高温超导限流器(5)组成:铁芯回路,在所有的交流绕组之外,紧密地绕制一个直流绕组,在励磁侧增加一个高速直流灭磁开关和一个磁能释放回路。本实用新型的技术效果:这种交流绕组和直流绕组的紧耦合结构可以最大限度地利用直流绕组的励磁效果,提高励磁回路的利用效率,从而减小稳态阻抗,增大限流阻抗与稳态阻抗比。
Description
技术领域
本实用新型应用于解决电力系统短路电流的技术领域,特别是将磁饱和型高温超导限流器应用于电力系统中。
背景技术
随着电力系统规模扩大,负荷密度及大小型电站装机容量的不断增长以及能源互联程度的增加,电力系统短路电流水平日益上升,逐渐逼近甚至超过了目前投入使用的断路器开断容量的上限。
故障限流器一方面具有极高的限流性能,另一方面具有极低的线路功率传输损耗,其不仅不会对电力系统的稳定运行产生负担,同时可以有效控制各类电力设备事故和短路故障。另外,故障限流器可以大大降低其他电力设备的稳定极限(如热稳定、动稳定极限)指标,提高了系统对接入设备的友好性,大大节约系统的投入成本。因此各类具有优异性能的经济型故障限流器的研制无疑已成为满足电力系统短路故障限流需求的首要选择。
传统的磁饱和型高温超导限流器与其它类型的超导故障限流器相比,优势在于:直流超导绕组不需要在超导态和失超态之间切换,无需考虑失超恢复时间,因此无需控制即可快速完成自启动,容易配合电力系统的重合闸要求;超导绕组中只流过直流电流,容易设计。因此,有学者预测未来超导限流器主要应用在220kV输变电系统中。
稳态时直流绕组处的铁芯磁场深度饱和,漏磁较多,导致交流绕组处铁芯磁场的饱和程度不及直流绕组处,使得交流绕组的稳态阻抗较大,限流阻抗较小;短路故障时由于交流侧电流的激励,直流侧将出现较高的感应电压,不仅会对直流电源的输出稳定性造成干扰,甚至可能损坏直流侧器件。
实用新型内容
针对上述技术问题,本实用新型将一种改进型磁饱和型高温超导限流器应用于220kV变电站,具体技术方案如下:
一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,它的组成:隔离开关11、12、13、14、15和16,双母线21、22,断路器31、32,三绕组变压器41、42和改进磁饱和型高温超导限流器5,其特征在于:在双母线21、22之间加装改进磁饱和型高温超导限流器5,改进磁饱和型高温超导限流器5组成:铁芯回路,在所有的交流绕组之外,紧密地绕制一个直流绕组,在励磁侧增加一个高速直流灭磁开关和一个磁能释放回路。
所述的铁芯回路为具有四个平行铁芯柱的单块铁芯,中间两个铁芯柱的厚度大于左右两个铁芯柱的厚度30%,在中柱铁芯的每个铁芯柱上分别绕制两个绕向相同的交流绕组,两个铁芯柱上的交流绕组绕向相反。
所述交流绕组,在所有交流绕组电流方向相同的条件下,仍具有四种接线方式,分别为交流绕组并联直连、交流绕组串联直连、交流绕组并联交叉以及交流绕组串联交叉接线方式。
所述磁能释放回路由一个灭磁电阻构成。
本实用新型的技术效果:紧耦合结构的饱和铁芯型限流器将交流绕组与直流绕组绕制在一起,布置成同铁芯柱的结构,极大的减小了交流绕组与直流绕组之间的距离;并且两者之间的耦合,即两者之间的能量传递可以直接通过两者的公共空间实现,不再受铁芯状态的影响。由于交流绕组与直流绕组之间绕制得十分紧密,因此绕组产生的漏磁很小,绕组之间的耦合系数k相对于松耦合结构更加接近1,两个绕组之间的耦合关系更加紧密。这种交流绕组和直流绕组的紧耦合结构可以最大限度地利用直流绕组的励磁效果,提高励磁回路的利用效率,从而减小稳态阻抗,增大限流阻抗与稳态阻抗比。
附图说明
图1是220kV变电站基本主接线图。
图2是改进磁饱和型高温超导限流器基本结构图。
图3是交流绕组并联直连接线方式。
图4是交流绕组串联直连接线方式。
图5是交流绕组并联交叉接线方式。
图6是交流绕组串联交叉接线方式。
图中:11、12、13、14、15和16为隔离开关,21、22为双母线,31、32为断路器,41、42为三绕组变压器,5为改进磁饱和型高温超导限流器。
具体实施方式
下面结合附图,对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
1.总体方案
一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,它的组成:隔离开关11、12、13、14、15和16,双母线21、22,断路器31、32,三绕组变压器41、42和改进磁饱和型高温超导限流器5,其特征在于:在双母线21、22之间加装改进磁饱和型高温超导限流器5,改进磁饱和型高温超导限流器5的组成:铁芯回路,在所有的交流绕组之外,紧密地绕制一个直流绕组,在励磁侧增加一个高速直流灭磁开关和一个磁能释放回路。如图1、图2所示。
所述的铁芯回路为具有四个平行铁芯柱的单块铁芯,中间两个铁芯柱的厚度大于左右两个铁芯柱的厚度30%,在中柱铁芯的每个铁芯柱上分别绕制两个绕向相同的交流绕组,两个铁芯柱上的交流绕组绕向相反。如图2所示。
所述交流绕组,在所有交流绕组电流方向相同的条件下,仍具有四种接线方式,分别为交流绕组并联直连、交流绕组串联直连、交流绕组并联交叉以及交流绕组串联交叉接线方式。如图2、图3、图4、图5和图6所示。
所述磁能释放回路由一个灭磁电阻构成。如图2所示。
2.双母线
在发电厂和变电所的各级电压配电装置中,将发动机、变压器与各种电器连接的导线,统称为母线,大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线。母线的作用是汇集、分配和传送电能。由于母线在运行中,有巨大的电能通过,短路时,承受着很大的发热和电动力效应,因此,必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。
双母线是电厂、变电站中广泛采用的一种母线方式,如果在两排并列的母线上都有隔离开关,则这两排母线的连接开关,就是母联开关。双母线接线方式通常是将母联开关合上使双母线并列运行,这样当一组母线发生短路故障时,母差保护只需要将连接在该组母线上各元件的断路器和母联开关跳开,而另一段母线仍继续工作。这种母线方式供电可靠,调度灵活,扩建方便,便于设计。但因为增加了一组母线,每一回路增加一组母线隔离开关,所以增加了成本,同时操作复杂,占地面积增加。
在220kV及以上电压等级重要电厂、枢纽变电站双母线保护使用两套RCS-915AB,两套RCS-916D,母差保护双重化、断路器失灵的双重化配置。
3.三绕组变压器
在电力系统中最常用的是三绕组变压器。三绕组变压器的每相有3个绕组,当1个绕组接到交流电源后,另外2个绕组就感应出不同的电势,这种变压器通常用于需要2种不同电压等级的负载。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。三相三绕组变压器通常采用Y-Y-Δ接法,即原、副绕组均为Y接法,第三绕组接成Δ。Δ接法本身是一个闭合回路,许可通过同相位的三次谐波电流,从而使Y接原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中,第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。
三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组,有三个电压比,即高压与中压、高压与低压、中压与低压三个。每相的三个绕组套在一个铁芯柱上,为了便于绝缘,高压绕组通常都置于最外层。升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间,这样布置的目的是使漏磁场分布均匀,漏抗分布合理,不致因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加,从而保证有较好的电压调整率和运行性能。降压变压器主要从便于绝缘考虑,将中压绕组放在高压、低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点,三相三绕组变压器的标准连接组标号有YN,yn0,d11和YN,yn0,y0两种。
三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量,一般为一次绕组的额定容量。并以此作为100%,则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。
4.断路器
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流,并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器,高低压界线划分比较模糊,一般将3kV以上的称为高压断路器。
断路器可用来对电源线路及电动机等实行保护,当它们发生严重的过载、短路或者欠压等故障时能自动切断电路,其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前已获得了广泛的应用。
断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
当短路时,大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧,脱扣器拉动操作机构动作,开关瞬时跳闸。当过载时,电流变大,发热量加剧,双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大,动作时间越短)。
断路器的特性主要有:额定电压Un;额定电流In;过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围;额定短路分断电流(工业用断路器Icu;家用断路器Icn)等。
额定工作电压(Un):这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。
额定电流(In):这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值,不会超过电流承受部件规定的温度限值。
5.改进磁饱和型高温超导限流器
磁饱和型高温超导限流器的结构。它由一对铁芯电抗器组成,每个铁芯上有一个交流限流铜绕组和一个直流超导绕组,其中一个铁芯内的直流磁场与交流磁场同向,而另一个相反,两个交流线圈串联后,串接在输电线路中。超导线圈用于产生一个很强的直流磁场,使铁芯处于深度磁饱和状态。正常情况下,额定的交流电流通过交流线圈所产生的交流磁场不足以使铁芯脱离饱和区,铁芯内的磁感应强度不变,相应地,穿过交流限流铜绕组的磁通量恒定,交流限流铜绕组两端的感应电动势为零,因此,交流限流铜绕组上的电压降为零,即线圈对电网无影响。当电力系统出现短路故障时,情况刚好相反,瞬间突然增大的短路电流使交流线圈产生的磁通势增加至超导线圈产生的磁通势,使其中一个铁芯脱离饱和状态,随之在交流线圈中引起磁通量的变化,交流限流铜绕组上产生感应电动势,具有电压降,产生高感抗,从而限制了短路电流。采用两组铁芯和线圈是为了分别限制在正半周和负半周发生的短路电流。
故障电流通常包括瞬态部分和稳态部分,这两部分故障电流波形都需要被降低,以保证可选用较低容量的断路器。通过对一个直流饱和限流器设备的仿真发现,针对故障波形的这两部分,需要用不同类型和设计的限流器去解决。本实用新型采用以下改进的改进磁饱和型高温超导限流器。
5.1基本结构
改进磁饱和型高温超导限流器的铁芯为具有四个平行铁芯柱的单块铁芯,中间两个铁芯柱(中柱铁芯)较厚,左右两个铁芯柱(旁柱铁芯)较薄,中间两个铁芯柱的厚度大于左右两个铁芯柱的厚度30%。在中柱铁芯的每个铁芯柱上分别绕制两个绕向相同的交流绕组AC,两个铁芯柱上的交流绕组绕向相反,因此这种改进磁饱和型高温超导限流器共有四个交流绕组,分别记为AC1、AC2、AC3、AC4,且绕组AC1与AC2、AC3与AC4的绕向相同,AC1与AC3的绕向相反。在所有的交流绕组之外,紧密地绕制一个直流绕组DC。由于直流绕组与铁芯之间为高压的交流线圈,为了保证设备的绝缘强度,需要在高压交流线圈内侧与铁芯之间留出一定的绝缘距离。
紧耦合结构的饱和铁芯型限流器将交流绕组与直流绕组绕制在一起,布置为同铁芯柱的结构,极大的减小了交流绕组与直流绕组之间的距离;并且两者之间的耦合,即两者之间的能量传递可以直接通过两者的公共空间实现,不再受铁芯状态的影响。由于交流绕组与直流绕组之间绕制得十分紧密,因此绕组产生的漏磁很小,绕组之间的耦合系数k相对于松耦合结构更加接近1,两个绕组之间的耦合关系更加紧密。这种交流绕组和直流绕组的紧耦合结构可以最大限度地利用直流绕组的励磁效果,提高励磁回路的利用效率,从而减小稳态阻抗,增大限流阻抗与稳态阻抗比。
5.2交流绕组的四种接线方式
改进磁饱和型高温超导限流器具有四个交流绕组,因此其具有多种交流绕组的接线方式。在满足5.1小节所述的,所有交流绕组电流方向相同的条件下,改进磁饱和型高温超导限流器仍具有四种接线方式,分别为交流绕组并联直连、交流绕组串联直连、交流绕组并联交叉以及交流绕组串联交叉等接线方式。
5.2.1交流绕组并联直连接线方式
两柱并联、上下交流绕组直连结构如图3所示,该接线方案的基本设计思路为每个铁芯柱的上下两部分交流绕组分别串联,即绕组AC1与AC2串联,绕组AC3与AC4串联,两柱串联后的绕组在外部接线时并联。并联后的交流绕组引出端A和X整体串联到交流输电回路中,直流绕组DC引出端a和x外接直流励磁系统。
在实际生产中,由于绕组绕制和铁芯生产的复杂性,绕组和铁芯的参数很难保证完全对称,甚至会产生较大的偏差。若在实际生产中采用交流绕组并联直连的接线方式,由于两个铁芯柱分别属于两个并联的支路,将造成两个铁芯柱上的交流磁通不能完全形成循环,从而失去“避免在直流侧产生‘单边’感应电压”这一优势。因此在实际生产过程中,一般不采用交流绕组并联直连的接线方式。
5.2.2交流绕组串联直连接线方式
两柱串联、上下交流绕组直连结构如图4所示,该接线方案的基本设计思路为每个铁芯柱的上下两部分交流绕组分别串联,即绕组AC1与AC2串联,绕组AC3与AC4串联,两柱串联后的绕组在外部接线时串联。串联后的交流绕组引出端A和X整体串联到交流输电回路中,直流绕组DC引出端a和x外接直流励磁电源系统。
由于交流绕组串联直连的接线方式中,四个交流绕组上通过的电流相同,即使绕组和铁芯的参数不对称,仍然可以保证两个铁芯柱上的交流磁通形成循环。交流绕组串联直连的接线方式在限流时,由于四个交流绕组以串联的方式参与限流,因此可获得最大的限流阻抗,具有很强的限流能力。但若四个交流绕组中的任意一个发生故障,则整个限流器将失去限流能力,不能继续挂网运行。
5.2.3交流绕组并联交叉接线方式
两柱并联、上下交流绕组交叉连接结构如图5所示。该接线方案的基本设计思路为两个铁芯柱的上下两部分交流绕组交叉串联,即绕组AC1与绕组AC4串联,绕组AC3与绕组AC2串联,交叉串联后的绕组在外部接线时并联。并联后的交流绕组引出端A和X整体串联到交流输电回路中,直流绕组DC引出端a和x外接直流励磁电源系统。
与交流绕组并联直连的接线方式不同的是,交流绕组并联交叉的接线方式将上下两部分交流绕组交叉串联,即使绕组和铁芯的参数不对称导致两个并联支路上的电流不同,仍然可以保证两个铁芯柱上的交流磁通形成循环。交流绕组并联交叉的接线方式在限流时,由于四个交流绕组以两两串联后再并联的方式参与限流,限流阻抗没有交流绕组串联直连的接线方式大,但当其中任一个交流绕组发生故障的情况下,不含故障绕组的另一交流绕组支路仍可使限流器正常工作,限流器可以继续挂网运行。
5.2.4交流绕组串联交叉接线方式
两柱串联、上下交流绕组交叉连接结构如图6所示。该接线方案的基本设计思路为两个铁芯柱的上下两部分交流绕组交叉串联,即绕组AC1与绕组AC4串联,绕组AC3与绕组AC2串联,交叉串联后的绕组在外部接线时串联。串联后的交流绕组引出端A和X整体串联到交流输电回路中,直流绕组DC引出端a和x外接直流励磁电源系统。
交流绕组串联交叉的接线方式与交流绕组串联直连的接线方式仅绕组之间的连接关系不同,其余特征完全相同,都可以获得理论上最大的限流阻抗,且都不具有故障冗余度。
5.2.5小结
考虑到在实际生产过程中,应尽量简化四个交流绕组之间的接线,并结合以上分析,四个交流绕组的内部接线直接采用上下交流绕组交叉连接的结构。在四个交流绕组的外部接线时,根据所接入电力系统的实际需要来确定具体的接线方式:若需要获得最大的限流阻抗,则采用交流绕组串联交叉的接线方式;若需要获得在任一个交流绕组发生故障的情况下,改进磁饱和型高温超导限流器仍可继续挂网运行的能力,则采用交流绕组并联交叉的接线方式。
Claims (4)
1.一种基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,它的组成:隔离开关(11,12,13,14,15,16),双母线(21,22),断路器(31,32),三绕组变压器(41,42)和改进磁饱和型高温超导限流器(5),其特征在于:在双母线(21,22)之间加装改进磁饱和型高温超导限流器(5),改进磁饱和型高温超导限流器(5)组成:铁芯回路,在所有的交流绕组之外,紧密地绕制一个直流绕组,在励磁侧增加一个高速直流灭磁开关和一个磁能释放回路。
2.根据权利要求1所述的基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,其特征在于:所述的铁芯回路为具有四个平行铁芯柱的单块铁芯,中间两个铁芯柱的厚度大于左右两个铁芯柱的厚度30%,在中柱铁芯的每个铁芯柱上分别绕制两个绕向相同的交流绕组,两个铁芯柱上的交流绕组绕向相反。
3.根据权利要求1或2所述的基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,其特征在于:所述交流绕组,在所有交流绕组电流方向相同的条件下,仍具有四种接线方式,分别为交流绕组并联直连、交流绕组串联直连、交流绕组并联交叉以及交流绕组串联交叉接线方式。
4.根据权利要求1所述的基于改进磁饱和型高温超导限流器的220kV变电站,其特征在于:所述磁能释放回路由一个灭磁电阻构成。
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