一种短路故障限流器的制作方法

xiaoxiao2020-08-01  1

专利名称:一种短路故障限流器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种短路故障限流器,特别涉及输配电网的故障限流器。
背景技术
随着国民经济的快速发展,社会对电力的需求不断增加,带动了电力系统的不断发展,单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加,就使得电力系统之间互联,各级电网中的短路电流水平不断提高,短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且,在对电能的需求量日益增长的同时,人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而,大电网的暂态稳定性问题比较突出,其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前,世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断,由于短路电流水平与系统的容量直接相关,在断路器的额定开断电流水平一定的情况下,采用全额开断短路电流将会限制电力系统的容量的增长,并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大,这一问题将变得更为严重。
短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如,固态短路故障限流器在检测到短路故障时,通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数,可以将故障电流限制在较低的水平,以保护电力设备,并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US 4490769和中国发明专利ZL 96 123001.0都提出了短路故障限流器结构,其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时,限流器对电网无压降、几乎无功耗;一旦系统发生短路故障,当电网电流达到直流电抗器的电流时,电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制,从而使故障电流限制在一定的水平,以保证断路器及时切断故障电流。这样,可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时,该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US 4490769的技术方案如图1(a)和(b)所示,其主电路由二极管T1、T2、T3、T4,直流电感L和偏压电源Vb组成。在发生短路故障时,均可以无延时地自动投入线路,对故障电流及其上升率进行限制。
但是,已有的固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处,只有在电网电流达到磁体电流时,其限流磁体(L0)才会自动串入电网来实现限流,并且,随着磁体电流的不断增大,磁体的限流能力不断减小。严格地说,二极管组成的桥路无法实现真正的限流,必须采用可控开关管(如图1(b)),通过控制,减小整流桥桥臂上的开关管的导通角来增大磁体的放电时间,从而达到较好的限流效果。同时,流过偏压电源的电流往往是电网电流的2~3倍,而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求,因此,偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本。

发明内容
为了克服已有限流技术的不足,本发明提出了一种用于输配电网的短路故障限流器,它既可以有效地限制故障电流,同时,又减小了稳态电流波形畸变,而且结构简单、可实现自动限流、成本低,更易于实现大功率的限流器。
本发明采用的技术方案是给已有桥路型故障限流器的限流电感并联一个放电回路,这个放电回路由放电管和一个辅助限流电感串联组成,构成单相的短路故障限流器,同时取消偏压电源。
本发明可以是单相的短路故障限流器结构、也可以是单相的带有耦合变压器的短路故障限流器结构、也可以是三个单相的短路故障限流器应用于三相系统而组成三相故障限流器结构、也可以是三个单相的带有耦合的短路故障限流器应用于三相系统而组成三相故障限流器结构、也可以是采用优化措施的三相系统的故障限流器结构和采用优化措施的带有耦合的三相系统故障限流器结构。
三个单相的短路故障限流器分别串入三相的电源和负载之间,构成三相的短路故障限流器;单相短路故障限流器并联在耦合变压器的副边,构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器;三个单相带有耦合变压器的短路故障限流器分别串入三相的电源和负载之间,构成三相带有耦合变压的短路故障限流器;三个耦合变压器和优化的三相故障限流器构成优化的带有耦合变压器的三相故障限流器。
本发明的主要优点1.本发明采用了给已有限流电感并联放电回路的方法,可以更有效地限制故障电流。已有限流电感只是在线路故障电流达到限流电感电流值时,限流电感才自动串入电路限制故障电流,并且,只能限流故障电流上升速度,无法限流故障电流稳态值。放电回路的加入,通过限制限流电感的充电电压,和通过放电管释放和消耗一定热量和光能,从而减缓了故障电流的上升速度和减小了故障电流稳态值,大大提高了故障限流器的限流能力。
2.本发明采用了给已有限流电感并联放电回路的方法,实现了自动限流,提高了短路故障限流器的可靠性。当并联放电回路中的放电管电压超过其放电门限值时,就会自动导通,限制了限流电感的充电电压,同时通过放电管释放一定的热量和光能,达到限制故障电流的作用;一旦放电管两端电压降低,当放电管电压低于其放电门限值时,放电管自动截止而退出限流状态,系统进入正常态。因此,限流器中的整流桥不需要半控和全控的可控开关管整流桥,只需功率二极管组成的整流桥即可。所以,在本发明的短路故障限流器中,不需要可控功率器件和控制电路,通过放电管放电配合限流电感限流,实现了真正的自动限流。同时,简单的电路结构有利于系统可靠性的提高。
3.本发明采用功率二极管组成的整流桥,降低了短路故障限流器对线路的影响。和同等功率级别的可控开关管相比,功率二极管的导通压降和功率损耗都较小。因此,本发明所述的短路故障限流器串入电网中,对电网造成的电压降落和引起的稳态电流波形畸变都比较小。而且,并联放电回路中的辅助限流电感对限流磁体电流有缓冲作用,可以大大减小短路故障限流器对电网的影响,有利于保证电网电能的高质量。
4.本发明可以有效地实现自动限流,大大降低了短路故障限流器的制造成本。本发明采用功率二极管组成的整流桥,不但降低了短路故障限流器的制造成本,而且不需要附加任何控制电路,从而大大降低了系统的制造成本。同时,若采用超导电感,可以降低热损耗,进一步减小限流器对电路的影响。同时,偏压电源的取消降低了限流器成本,提高了限流器的可靠性。


图1为已有的短路故障限流器的电路原理示意图;图2为本发明具体实施例1电路原理示意图;图3为本发明限流器和已有限流器的限流电感的电流电压波形示意图;图4为本发明具体实施例2电路原理示意图;图5为本发明具体实施例3电路原理示意图;图6为本发明具体实施例4电路原理示意图;图7为本发明具体实施例5电路原理示意图;图8为本发明具体实施例6电路原理示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述如图2所示,本发明的具体实施例1为单相的短路故障限流器。已有的单相短路故障限流器由四个二极管D1、D2、D3、D4组成的单相整流桥及其限流电感L0组成。在此基础上,给已有短路故障限流器中的限流电感L0并联一个辅助电感L1和放电管S的串联回路,同时取消偏压电源,构成单相的短路故障限流器。SW为断路器,Vac为线路交流电源,R为负载等效电阻。
线路无故障,即稳态时,组成的单相整流桥的二极管D1、D2、D3、D4一直处于导通状态,不断给限流电感L0充电,使限流电感L0等效为一恒流源。当正向电流到来时,即二极管D1、D4正偏而导通时,二极管D2、D2组成续流回路而导通;反之,当反向电流到来时,即二极管D2、D3正偏而导通时,二极管D1、D4组成续流回路而导通。在此过程中,通过辅助电感L1加在放电管S两端的电压较小,无法达到放电管S的放电阈值电压而使其导通,因此,辅助电感L1中无电流通过。在系统发生短路故障时,若故障电流使二极管D1、D4(或二极管D2、D3)正偏而导通时,二极管D2、D3(或二极管D1、D4)因反偏而截止,限流电感L0会自动串入电路来限制故障电流,限流电感L0的电压必然上升,因此,放电管S电压也随之上升,当上升到放电管S的放电阈值电压时,放电管S自动导通,放电管S电压迅速下降为某一低于其放电阈值电压的电压值,从而限制了限流电感L0较高的充电电压,同时放电管S发出一定的光能和热量,通过限制限流电感L0电压和消耗电能,达到限制故障电流的目的,在此过程中,辅助电感L1(L1<<L0)限制放电管S的电流变化速度,防止故障电流过冲。一旦加在放电管S上的电压低于其放电阈值电压时,即限流电感L0电压较低时,放电管S自动退出放电状态,辅助电感L1限制放电管S的电流变化速度。从上述的分析可以看出,在短路故障过程中,放电管S的状态变化,限制了加在限流电感L0上的过高电压,同时通过放电消耗电能,从而达到减缓限流电感L0电流上升速度,达到限制故障电流的作用。这种限流方式,不但可以限制故障电流上升速度,而且可以限制故障电流峰值,其限流过程自动实现,而不需要外加控制。
本发明的具体实施例1中所阐述的放电管主要指气体放电管和固态放电管等。它们漏电流小,可承受的放电功率可达到数千焦耳,耐冲击电流峰值达数万安培,其放电反反应时间一般在μs数量极,非常适合于限流过程的瞬时放电。为了增大放电容量,可采用相同参数的放电管并联来增大放电容量,实现更佳的限流效果。
图3所示为本发明限流器和已有限流器的限流电感的电流电压波形示意图,通过电流、电压波形的差别来对比分析放电管对限流器的调节作用。图3中,放电管的放电阈值电压Uh和放电过程工作电压Us(Us低于Uh)是放电管的特征参数,根据限流器的指标来选取。在正常过程中,限流电感L0电压低于放电阈值电压Uh,放电管S不放电,本发明的限流器和已有限流器的工作原理相同。一旦发生故障,限流器进入故障状态,已有限流器的电流随着充电电压的变化而逐渐上升,上升速度较快,并且,具有储能能力的超导限流电感L0逐渐失去对线路电流波峰的限制作用,无法限制故障电流稳态值;而本发明的限流电感L0电压一旦超过放电管S的放电阈值电压Uh,必然受到放电管S的箝位作用,而维持在较低的电压Us,同时,放电管S的放电作用消耗一定的电能,从而限制了流过限流电感L0电流的上升速度,达到更好地限制线路故障电流的作用。
如图4所示,本发明的具体实施例2为三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相故障限流器。三个单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。SW为断路器,Va、Vb、Vc为三相交流电源,R为三相负载等效电阻。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。放电管的选择方法和实施例1相同。
如图5所示,本发明的具体实施例3为单相带有耦合变压器的短路故障限流器。单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。TR为限流器的耦合变压器,SW为断路器,Vac为交流电源,R为负载等效电阻。单相短路故障限流器并联在耦合变压器TR的副边,构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器;对于高压或超高压变压器来说,通过将变压器耦合,可以降低限流器中功率器件的额定电压和绝缘级别,从而降低限流器的成本,提高其限流性能。单相带有耦合变压器的短路故障限流器的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。放电管的选择方法和实施例1相同。
如图6所示,本发明的具体实施例4为三个单相带有耦合的短路故障限流器应用于三相系统组成的三相带有耦合的短路故障限流器。单相带有耦合的短路故障限流器结构和具体实施例3相同。SW为断路器,Va、Vb、Vc为三相交流电源,R为三相负载等效电阻。三相带有耦合变压器的短路故障限流器的每一相的工作原理和本发明的单相带有耦合的短路故障限流器的工作原理相同。放电管的选择方法和实施例1相同。
如图7所示,本发明的具体实施例5为优化的三相短路故障限流器。已有技术的采用优化措施的三相短路故障限流器由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8组成的三相全桥,和限流电感L0组成。本发明的优化的故障限流器是在已有的限流器的基础上,给已有短路故障限流器中的限流电感L0并联一个辅助电感L1和放电管S的串联回路而构成。SW为断路器,Va、Vb、Vc为三相交流电源,R为三相负载等效电阻。本发明的优化的三相故障限流器,分别串入三相交流电源Va、Vb、Vc和负载R之间。在稳态时,即电路未发生故障,二极管D1、D3、D5、D7、和D2、D4、D6、D8均处于导通状态,限流电感L0因二极管D1、D3、D5、D7、和D2、D4、D6、D8导通而被短路,限流电感L0对线路无限流作用,因此,通过辅助电感L1加在放电管S两端的电压较低,低于其放电阈值电压Uh,不产生放电作用,辅助电感L1上无电流流过。在系统发生短路故障(以A相为例)时,在系统发生短路故障时,若故障电流使二极管D1、D8(或二极管D2、D7)正偏而导通时,二极管D2、D7(或二极管D1、D8)反偏而截止,限流电感L0会自动串入电路来限制故障电流,限流电感L0电压必然上升,因此,放电管S电压也随之上升,当上升到放电管S的放电阈值电压时,放电管S自动导通,放电管S电压迅速下降为某一低于其放电阈值电压的电压值,从而限制了限流电感L0较高的充电电压,同时放电管S发出一定的光能和热量,通过限制限流电感L0电压和消耗电能,而达到限制故障电流的目的,在此过程中,辅助电感L1限制放电管S的电流变化速度。一旦加在放电管S上的电压低于其放电阈值电压时,即限流电感L0电压较低时,放电管S自动退出放电状态,辅助电感L1限制放电管S的电流变化速度。从上述的分析可以看出,在短路故障过程中,放电管S的状态变化,限制了加在限流电感L0上的过高电压,同时通过放电消耗电能,从而达到减缓限流电感L0电流上升速度,达到限制故障电流的作用。此限流方法,不但可以限制故障电流上升速度,而且可以限制故障电流峰值,其限流过程自动实现,而不需要外加控制。采用优化措施,使本发明故障限流器的结构更加简单,从而降低了系统的成本。
如图8所示,本发明的具体实施例6为优化的带有耦合变压器的三相系统故障限流器。已有技术的采用优化措施的三相短路故障限流器由二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8组成的三相全桥,和限流电感L0组成。本发明的优化的带有耦合变压器三相故障限流器是在已有的限流器的基础上,本发明的优化的故障限流器是在已有的限流器的基础上,给已有短路故障限流器中的限流电感L0并联一个辅助电感L1和放电管S的串联回路而构成。TR1、TR2、TR3分别是三相的耦合变换器。SW为断路器,Va、Vb、Vc为三相交流电源,R为三相负载等效电阻。优化的带有耦合变压器的三相系统故障限流器的工作原理和优化的三相短路故障限流器的工作原理相同。放电管的选择方法和实施例5相同。这种方法不但可以限制故障电流上升速度,而且可以限制故障电流峰值,其限流过程自动实现,而不需要外加控制。这种方案优化了限流器的结构,降低了成本,并且,在采用降压变压器的前提下,可以降低限流器中功率器件的额定电压,更进一步降低系统的成本。
本发明故障限流器,通过自动调节限流电感电压和释放电能,大大提高了限流器的限流能力,该方法既可限制故障电流峰值,又可限制故障电流上升速度。并且,限流过程自动实现,不需要外加控制电路。因此,这种限流器不但有较强的限流能力,而且对线路的影响较小,大大地提高了线路的稳定性。
在220V单相系统试验中,选用的电容尽可能小一些,防止故障限流器系统发生故障;给定两个限流电感值相等,并且其电感值为原有限流电感的10%左右(原有限流电感的取值为系统阻抗的2倍),可保证故障电流可以限制在原来故障电流峰值的30%左右,而且故障电流的上升速度限制在原来的25%左右。
权利要求
1.一种短路故障限流器,包括二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)组成的单相整流桥及其限流电感(L0),其特征是在限流电感(L0)并联一个辅助电感(L1)和放电管(S)的串联回路,构成单相的短路故障限流器。
2.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是放电管(S)为气体放电管和固态放电管,可采用相同参数的放电管并联来增大放电容量。
3.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是所述的单相短路故障限流器并联在耦合变压器(TR)的副边,构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器,三个单相带有耦合变压器的短路故障限流器分别串入三相交流电源(Va)、(Vb)、(Vc)和负载(R)之间,构成三相带有耦合变压器的短路故障限流器。
4.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是所述的三个单相的短路故障限流器分别串入三相交流电源(Va)、(Vb)、(Vc)和负载(R)之间,构成三相短路故障限流器。
5.按照权利要求1至4的任何一项所述的短路故障限流器,其特征是优化的三相短路故障限流器由二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)、(D5)、(D6)、(D7)、(D8)组成的三相全桥、限流电感(L0),和与限流电感(L0)并联一个辅助电感(L1)和放电管(S)的串联回路而构成,所述的三相全桥接入三相交流电源(Va)、(Vb)、(Vc)和负载(R)之间,构成优化的三相故障限流器。
6.按照权利要求5所述的短路故障限流器,其特征是三个耦合变压器(TR1)、(TR2)、(TR3)和优化的三相故障限流器构成优化的带有耦合变压器的三相故障限流器。
全文摘要
一种放电式短路故障限流器,涉及输配电网故障限流器。它是在已有的短路故障限流器的限流电感两端并联一个辅助电感和放电管的串联回路而构成单相的短路故障限流器。本发明不但能够限制故障电流的峰值,而且能够限制故障电流在任意时刻的电流上升速度和稳态值,同时,限流器可实现自动限流,不需要任何控制电路。在取消偏压电源前提下,其体积和成本也得以减小。本发明按照已有短路故障限流器在单相或三相电路中的连接方法,可构成多种电路结构。本发明结构简单,限流能力强,对线路影响小,可提高电网电能质量及高压或超高压输电网系统的稳定性,安全性和可靠性。
文档编号H02H3/08GK1845413SQ20051001152
公开日2006年10月11日 申请日期2005年4月6日 优先权日2005年4月6日
发明者张志丰, 肖立业 申请人:中国科学院电工研究所

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