CN214204936U - 一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，它的组成：断路器(11，12)，两个分段单母线(21，22)，隔离开关(31，32，33，34，35，36)，降压变压器(41，42)，新型桥路型高温超导限流器(5)，其特征在于：在两个分段单母线(21，22)之间加装新型桥路型高温超导限流器(5)。新型桥路型高温超导限流器(5)组成：两个变压器，两个二极管桥路，一个超导材料绕制的直流限流线圈和一个限流耗能电阻。新型桥路型高温超导限流器不含铁芯结构，拥有体积小、重量轻、不需要特殊结构的低温杜瓦的优点，可自主从电网中取得合适的电压充当偏置电源，还可以更容易地与电力系统自动重合操作以及其他电力系统继电保护设备相配合。

Description

一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站

技术领域

本实用新型是应用于电力系统高温超导限流器，特别是将一种新型桥路型高温超导限流器应用于110kV变电站。

背景技术

目前，现有的断路器分断能力己经难以满足电网的短路电流水平，线路短路电流造成的安全隐患逐渐成为了危害电网稳定运行的关键因素以及电网可靠性的巨大威胁。因此，无论是输电网还是配电网对限流器都有着急迫的需求。目前，对于处理过大的短路电流问题，常使用高阻抗变压器和限流电抗器等传统限流装置，但它们在正常输电时自身的压降会占线路压降的4％-10％，减弱了电网的电压调节能力。有时还要配置有载调压变压器来补偿这些设备带来的电压降落，加大了电网损耗和建设成本。

随着超导材料研究的进步和超导技术的进一步发展以及交流输电技术的日渐成熟，新型桥路型高温超导限流器将为电力系统中限制故障电流的难题提供新的解决办法。将新型桥路型高温超导限流器使用于高电压等级电网，是一种行之有效的解决思路，可以在发生短路故障后很大程度地减小故障电流。

在电力系统正常运行状态下，新型桥路型高温超导限流器在电力系统处于零阻抗状态，几乎不产生能量消耗，一旦发生短路故障，新型桥路型高温超导限流器瞬间失超，此时相当于在电力系统中提供了一个相当大的限流阻抗，显著减小了故障电流，提高电网系统的暂态稳定性和保护用电设备的安全。虽然，受限于超导材料的发展和超导价格等各方面因素的影响，超导限流技术对提高电力系统暂态稳定性能产生积极影响。

实用新型内容

本实用新型提出将一种新型桥路型高温超导限流器应用于110kV变电站的技术方案，具体如下：

一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，它的组成：断路器11、12，两个分段单母线21、22，隔离开关31、32、33、34、35和36，降压变压器41、42和新型桥路型高温超导限流器5。在两个分段单母线21和22之间加装新型桥路型高温超导限流器5，新型桥路型高温超导限流器5的组成：两个变压器，两个二极管桥路，一个超导材料绕制的直流限流线圈和一个限流耗能电阻。

所述两个二极管桥路是由二极管D₁～D₄与二极管D₅～D₈分别构成两组完全由二极管组成的单相整流桥路。

所述一个限流耗能电阻，它与一个IGBT元件并联后与一个超导材料绕制的直流限流线圈串联，通过控制IGBT的开合，限流耗能电阻可以起到限流或耗能的功能。

所述一个超导材料绕制的直流限流线圈，超导线圈处于超导状态时其电阻接近于零。

本实用新型的技术效果：新型桥路型高温超导限流器属于非失超型高温超导限流器，在限流过程中超导体不会失超，因此没有失超恢复的问题可以很好地与电力系统自动重合闸操作相配合。由于不含有铁芯结构，拥有体积小、重量轻、不需要特殊结构的低温杜瓦的优点，还可以自主地从电网中取得合适的电压充当偏置电源，同时还可以更容易地与电力系统自动重合闸操作以及其他电力系统继电保护设备相配合。随着电力电子元件的发展，新型桥路型高温超导限流器是一种具有很大发展前景的高温超导限流器。

附图说明

图1是110kV变电站基本主接线图。

图2是新型桥路型高温超导限流器拓扑结构图。

图3是新型桥路型高温超导限流器的拓扑结构等效图。

图中：11、12为断路器，21、22为两个分段单母线，31、32、33、34、35和36为隔离开关，41、42为降压变压器，5为新型桥路型高温超导限流器。

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

一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，它的组成：断路器11、12，两个分段单母线21、22，隔离开关31、32、33、34、35和36，降压变压器41、42，新型桥路型高温超导限流器5。在两个分段单母线21和22之间加装新型桥路型高温超导限流器5，新型桥路型高温超导限流器5的组成：两个变压器，两个二极管桥路，一个超导材料绕制的直流限流线圈和一个限流耗能电阻。如图1、图2所示。

所述两个二极管桥路是由二极管D₁～D₄与二极管D₅～D₈分别构成两组完全由二极管组成的单相整流桥路。如图2所示。

所述一个限流耗能电阻，它与一个IGBT元件并联后与一个超导材料绕制的直流限流线圈串联，通过控制IGBT的开合，限流耗能电阻可以起到限流或耗能的功能。如图2、图3所示。

所述一个超导材料绕制的直流限流线圈，超导线圈处于超导状态时其电阻接近于零。

2.单母线分段接线

单母线分段接线是采用隔离开关或断路器将单母线分段的电气主接线。当进出线回路数较多时，采用单母线接线已经无法满足供电可靠性的要求，为了提高供电可靠性，把故障和检修造成的影响局限在一定的范围内，可采用隔离开关或断路器将单母线分段。

如图1所示，设置分段断路器将母线分成两段，各段母线为单母线结构，以提高可靠性和灵活性。当可靠性要求不高时，也可以利用分段隔离开关进行分段。

当采用隔离开关将母线分段时，若任一段母线(I段或II段)及其母线隔离开关停电检修，可以先断开分段隔离开关，使另一段母线的工作不受影响。但当分段隔离开关投入使用，两段母线同时运行期间，若任一段母线发生故障，仍将造成整个配电装置停电。只有等保护跳闸，再用分段隔离开关将故障段母线隔开后，才能恢复非故障段母线的运行。

当采用分段断路器将母线分段时，当闭合后，任一段母线发生故障，在继电保护装置的作用下，母线分段断路器和连接在故障段母线上的电源回路的断路器相继断开，从而可以保证非故障段母线的不间断供电。用断路器将母线分段后，可满足采用双回线路供电的重要用户供电可靠性要求。例如，在图1中，若某电力用户采用双回路供电，每回线路可分别连接到母线的分段21和分段22上，并且每回线路的传输容量按该电力用户的满负荷计算，这样，当任一段母线故障停运，该电力用户均可以从另一端母线上获得电能，从而保证了对重要用户的连续供电。

在正常情况下检修母线时，可通过分段断路器将待检修母线段与另一段母线断开，而不中断另一段母线的正常运行。因此，采用断路器分段的单母线连接比不分段的单母线接线和采用隔离开关分段的单母线接线具有更高的可靠性。

在设计的过程中，相关工作人员需要保证线路的可靠性，可以采用隔离开关分段的方式，在拉开隔离开关后，母线可以恢复供电。线路在运行一段时间后，会出现故障问题，所以，电力企业应安排检修人员定期对线路进行检查，检查设备是否存在故障隐患。在优化接线方式时，应保证灵活性与方便性，还要具有长远的眼光，保证线路的可扩建性，缩短检修以及回路停电的时间，这样才能减少故障带来的影响以及经济损失。

3.降压变压器

在电力系统中，降压变压器是其中一个极其重要的电器件，继电保护装置更是电力系统正常运行的一项重要保证。而随着社会的不断发展，经济的突飞猛进，生活水平的不断提高，人们对电力的要求也逐渐提高，这就对降压变压器的继电保护提出了更高的要求。对继电保护的设计我们应该从它的保护原理、具体针对变压器故障等做出继电保护措施，以及继电保护的重要性从这几个方面做出继电保护设计。

降压变压器是指把输入端的较高电压，转换为输出相对偏低的理想电压，从而达到降压目的的变压器。降压变压器是输变电系统中十分重要的设备，其正常运行不仅关系到本身的安全、用户的可靠供电，而且直接影响电力系统的稳定。

降压变压器保护的配置应该满足在任何情况下，都不能烧毁变压器，使事故扩大，影响电力系统的稳定。

在研究电力系统的运行、故障，以及探讨应对异常反应的对策时，在这些过程中主要用有触点的继电器来保护电力系统以及降压变压器、发电机、输电线路等元件，来使其避免受到损害，这也就称为继电保护，它主要就是在电力系统发生故障时可以向工作人员及时地发出预警信号，或者是向控制的断路器发出跳闸的命令，来控制离发生故障元件最近的跳闸装置，让故障元件及时地从电力系统中断开，从而更大程度地降低电力元件的损伤，降低电力系统安全供电的风险，因此明白继电保护装置的原理十分重要。

电力系统中的降压变压器中有异常存在时，除了要加强监管外，同时也要联系继电保护人员处理那些可能引起误动的保护，退出时常见的有以下异常情况：

(1)在发出“母差交流短线”、“母差直流电压消失”这些信号时，还有母差不平衡电流不为零时以及无专用旁路母线的母联开关串代线路操作时要更加注意保护装置的误动；

(2)当直流电流消失时，定期通道试验参数不符合要求时，装置故障或通道异常信号发出无法复归时，继保人员都需要做出及时退出的应对措施；还有在变压器运行中加油、滤油或换硅胶时，打开呼吸系统来放油塞子、放气门之类的，都需要进行严格的监视，一旦继电保护出现问题，针对这些问题会有一些相应的保护措施。

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。

断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载、短路及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)。

电子型的断路器，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。

断路器的特性主要有：额定电压U_e；额定电流I_n；过载保护(I_r或I_rth)和短路保护(I_m) 的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器I_cu；家用断路器I_cn)等。

额定工作电压(U_e)：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(I_n)：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，且不会超过电流承受部件规定的温度限值。

5.新型桥路型高温超导限流器

新型桥路型高温超导限流器的拓扑结构如图2所示。此限流器主要由两个变压器，两个二极管桥路，一个超导材料绕制的直流限流线圈和一个限流耗能电阻组成。

图2中

为系统电压源(U为系统电压的有效值，ω为系统额定角频率)，L_S与r_S分别为系统电压源的内部电感和电阻，L_f与r_f分别为短路故障发生后线路的电感与电阻。整个新型桥路型SFCL通过串联耦合变压器T₁串联入电网中，变压器T₁的变比为N₁∶N₂，可以通过改变变压器T₁的变比来改变桥路元件承受的电压与电流，以下为了方便分析，取N₁∶N₂＝1∶1。D₁～D₄与D₅～D₈分别构成两组完全由二极管组成的单相整流桥路。L_d与r_d分别为超导直流限流线圈的电感与电阻，超导线圈处于超导状态时r_d接近于零。r_c为限流耗能电阻，它与一个IGBT元件并联后与超导直流限流线圈串联，通过控制IGBT的开合，r_c可以起到限流或耗能的功能。并联耦合降压变压器T₂的变比为N_a∶N_b，并联耦合降压变压器T₂选择合适的变比后，在电力电子开关SSR的控制下通过由D₅～D₈组成的整流桥路可以自主的从电网中获取电压来给超导直流限流线圈提供直流电压，起到偏置电源的作用。为了便于分析，新型桥路型SFCL的拓扑结构可以等效为图3。图3中将并联耦合降压变压器T₂以及由 D₅～D₈组成的整流桥路等效为直流电压源V_com，i_L和i_d分别为线路电流和超导直流限流线圈上的电流。

电网正常运行时，IGBT处于导通状态，控制SSR的导通和关断可使超导直流限流线圈上流过的电流稳定在预先设定的启动电流附近，此时超导直流限流线圈上流过的电流恒大于线路中流过的电流，同时耗能电阻两端的IGBT始终导通，此时整个新型限流器的工作状态和普通桥路型高温超导限流器的工作状态相同，串联耦合变压器T₁二次侧电压几乎为零，因此一次侧通过耦合所呈现出的电压也很低，整个限流器对电路的正常运行几乎无影响。当线路发生短路故障后，线路中短路电流迅速上升，超导直流限流线圈上流过的电流也持续增长， SSR彻底关断，直流偏置电源退出运行，线路电流交替通过二极管给超导直流限流线圈充电，流过超导线圈的电流不断增大，超导直流限流线圈中储存的电能也不断增大，当超导直流限流线圈上流过的电流达到某预先设定的值时，耗能电阻两端的IGBT关断，耗能电阻将串入电路中开始消耗超导线圈中储存的电能，通过合理控制耗能电阻两端的IGBT的导通与关断可以使超导线圈中新增加的能量不多不少的完全被耗能电阻消耗掉，从而可以使超导直流限流线圈上的电流，同时也是线路电流的峰值稳定在某个限定值上，可更好的与其他继电保护设备相配合。断路器工作切断线路后，关断耗能电阻两端的IGBT，利用耗能电阻吸收超导线圈中的多余能量，使超导直流限流线圈上的电流降到启动电流后，退出耗能电阻，再次通过控制SSR的导通与关断使超导直流限流线圈上的电流稳定在启动电流附近，到此为止限流器完全恢复到了短路故障发生前的状态，可以很好的配合电力系统自动重合操作。

Claims (4)

1.一种基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，它的组成：断路器(11，12)，两个分段单母线(21，22)，隔离开关(31，32，33，34，35，36)，降压变压器(41，42)，新型桥路型高温超导限流器(5)，其特征在于：在两个分段单母线(21，22)之间加装新型桥路型高温超导限流器(5)，新型桥路型高温超导限流器(5)组成：两个变压器，两个二极管桥路，一个超导材料绕制的直流限流线圈和一个限流耗能电阻。

2.根据权利要求1所述的基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，其特征在于：所述两个二极管桥路是由二极管D₁～D₄与二极管D₅～D₈分别构成两组完全由二极管组成的单相整流桥路。

3.根据权利要求1所述的基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，其特征在于：所述一个限流耗能电阻，它与一个IGBT元件并联后与一个超导材料绕制的直流限流线圈串联，通过控制IGBT的开合，限流耗能电阻可以起到限流或耗能的功能。

4.根据权利要求1或3所述的基于新型桥路型高温超导限流器的110kV变电站，其特征在于：所述一个超导材料绕制的直流限流线圈，超导线圈处于超导状态时其电阻接近于零。

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