專利名稱：故障電流限制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)的短路限流保護(hù)裝置，特別涉及一種故障電流 限制器。
背景技術(shù)：
為有效抑制短路故障給電力系統(tǒng)及用戶帶來(lái)的巨大危害，保證電力 系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，必須采取行之有效的方法限制短 路電流，切斷故障線路。傳統(tǒng)的限流措施主要有以下形式
(1) 發(fā)展高電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)，將低電壓等級(jí)電力系統(tǒng)解列分片運(yùn) 行。這種措施可以有效抑制系統(tǒng)短路(電流)容量，但將降低電網(wǎng)供電 可靠性和運(yùn)行靈活性，同時(shí)建造高一級(jí)電壓的環(huán)網(wǎng)不僅復(fù)雜、造價(jià)昂貴， 而且涉及到環(huán)境電磁污染問(wèn)題。
(2) 采用多母線運(yùn)行或母線分段運(yùn)行。對(duì)控制短路電流增長(zhǎng)也很有 效，但并非電網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)，不能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)能源的最優(yōu)配置。
(3) 采用熔斷式保護(hù)器。該措施對(duì)切斷短路電流起到積極作用，但其
反應(yīng)速度較慢，不利于電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定，且對(duì)電網(wǎng)的瞬間電動(dòng)力
沒(méi)有任何抑制作用；另一方面，熔斷式保護(hù)器一般是一次性的，給電網(wǎng) 的維護(hù)以及自動(dòng)化帶來(lái)不便。
(4) 采用大容量斷路器。從現(xiàn)代電力系統(tǒng)及其技術(shù)發(fā)展來(lái)看，這種方 案存在一定的局限性。 一方面，超大容量斷路器在技術(shù)上存在相當(dāng)?shù)碾y 度，另一方面，系統(tǒng)短路電流和斷路器設(shè)備遮斷容量太大會(huì)加重并聯(lián)設(shè) 備的技術(shù)要求，是不經(jīng)濟(jì)的。
以上幾種限流措施從原理到應(yīng)用方式上都有所區(qū)別，均可以不同程
度上實(shí)現(xiàn)對(duì)短路電流的約束和限制。但與此同時(shí)，它們又存在著各自的 缺陷和不足，并以另一種形式對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了不利的影響。為此，人們提 出了故障限流器的概念，并開展了大量的研究工作。
華中科技大學(xué)申請(qǐng)的申請(qǐng)?zhí)枮?200410013346.1"的《直流超導(dǎo)故 障限流器》，該直流超導(dǎo)故障限流器在正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)直流系統(tǒng)的運(yùn)行沒(méi) 有任何影響；而當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，該直流超導(dǎo)故障限流器能在短路后 0. ls時(shí)間內(nèi)將故障電流限制在正常值的2 3倍，具有良好的限流效果， 且不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。該限流器采用電壓源與電阻相串聯(lián)來(lái)提供偏置電流， 在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的電阻損耗，該損耗與電流的平方成正比，當(dāng) 直流系統(tǒng)的運(yùn)行電流水平較高時(shí)，偏置源所產(chǎn)生的損耗就會(huì)很大，會(huì)影 響系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種故障電流限制器，目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在偏置電 流源設(shè)計(jì)方面的不足之處，減少正常運(yùn)行時(shí)限流裝置的電阻損耗。
本發(fā)明的一種故障電流限制器，包括變壓器，變壓器的鐵心上繞制 一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈，變壓器的鐵心工作在線性區(qū)，變壓器一次側(cè)
線圈串聯(lián)接入電力系統(tǒng)主回路，其特征在于可控開關(guān)并聯(lián)限流電阻之 后同變壓器二次側(cè)線圈相連，通過(guò)控制可控開關(guān)的開、閉狀態(tài)調(diào)節(jié)呈現(xiàn) 的限流阻抗大小。
所述的故障電流限制器，其特征在于所述變壓器一次側(cè)線圈和二 次側(cè)線圈的材料為超導(dǎo)材料。
所述的故障電流限制器，其特征在于所述可控開關(guān)為斷路器開關(guān)、 電力電子開關(guān)或者P麗變流器。
本發(fā)明在電路結(jié)構(gòu)中用可控開關(guān)并聯(lián)限流電阻的方式來(lái)代替偏置電 壓源和串聯(lián)電阻，正常運(yùn)行時(shí)，可控開關(guān)處于閉合狀態(tài)，本發(fā)明故障電
流限流器呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響；當(dāng)發(fā)生短路故障后，控制可 控開關(guān)處于斷開狀態(tài)，使故障電流限流器呈現(xiàn)大阻抗來(lái)抑制故障電流的 上升。串聯(lián)變壓器的鐵心一直工作在非飽和區(qū)域，所以該限流器在系統(tǒng) 中為一線性阻抗，不會(huì)產(chǎn)生諧波。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)可控開關(guān)迅速開 斷，由于限流電阻的存在，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓?？煽亻_關(guān)的合適選取能有 效保證限流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。由于是在二次側(cè)線圈實(shí)現(xiàn)開斷和閉合等 操作，通過(guò)變壓器的隔離，可以方便地選擇變比來(lái)確定可控開關(guān)的電壓 電流等級(jí)，從而使限流器的性價(jià)比最優(yōu)。該限流器可以立刻把大的短路 電流限制在比較低的水平，該限流器運(yùn)行損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速， 有利于減小現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備、斷路器的損耗，節(jié)省電力部門的投資。


圖1為本發(fā)明應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的電路示意圖； 圖2為本發(fā)明應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的等效電路圖； 圖3 (a)為本發(fā)明實(shí)施例1應(yīng)用于交流系統(tǒng)的變壓器一次側(cè)系統(tǒng)電 流"的波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)電流z; (A);并將有故障
電流限制器與無(wú)故障電流限制器時(shí)作比較。
圖3 (b)為本發(fā)明實(shí)施例1應(yīng)用于交流系統(tǒng)的變壓器一次側(cè)電壓^
的波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(S)，縱坐標(biāo)為變壓器一次側(cè)電壓",(V);
圖3 (c)為本發(fā)明實(shí)施例1應(yīng)用于交流系統(tǒng)的變壓器二次側(cè)電壓"2
的波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(S)，縱坐標(biāo)為變壓器二次側(cè)電壓^ (V);
圖4 (a)為本發(fā)明實(shí)施例1同主斷路器配合時(shí)主斷路器上流過(guò)的電 流波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)為主斷路器上流過(guò)的電流"(A)， 并將有故障電流限制器與無(wú)故障電流限制器時(shí)作比較；
圖4 (b)為本發(fā)明實(shí)施例1同主斷路器配合時(shí)主斷路器開斷線路時(shí) 的暫態(tài)恢復(fù)電壓波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，縱坐標(biāo)為主斷路器上暫態(tài)恢復(fù)電壓"7W (V)，并將有故障電流限制器與無(wú)故障電流限制器時(shí)作比較。 圖5為本發(fā)明實(shí)施例2應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的電路示意圖6為本發(fā)明實(shí)施例2應(yīng)用于交流系統(tǒng)的變壓器一次側(cè)系統(tǒng)電流/,
的波形，橫坐標(biāo)為時(shí)間(S)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)電流/, (A);并將有故障電 流限制器與無(wú)故障電流限制器時(shí)作比較。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2的限流波形比較圖。橫坐標(biāo)為對(duì)
間(S)，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)電流/, (A);
具體實(shí)施例方式
由圖1所示，本發(fā)明包括變壓器l、限流電阻i 及可控開關(guān)S，變壓器 l的結(jié)構(gòu)為，在鐵心上繞制一次側(cè)線圈W1、 二次側(cè)線圈W2， 一次側(cè)線圈W1
串聯(lián)接入交流系統(tǒng)，交流系統(tǒng)的等效電壓源t/,，線路阻抗和負(fù)載阻抗分
別為Z,，A，主斷路器CB?？煽亻_關(guān)S并聯(lián)限流電阻A之后同二次側(cè)線圈 W2相連。變壓器l的鐵心工作在線性區(qū)，通過(guò)控制可控開關(guān)的閉合和斷開 來(lái)調(diào)節(jié)限流器串接入系統(tǒng)的限流阻抗。
基于變壓器的等效電路關(guān)系，本發(fā)明應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的等效電 路如圖2所示，A,《，Z^,&分別是變壓器一次側(cè)線圈W1和二次側(cè)線圈W2的 自感和電阻，i^,M為線圈之間的勵(lì)磁電阻和互感，在此采用超導(dǎo)變壓器 模型，省略掉線圈電阻《,^和勵(lì)磁電阻i^。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，可控開 關(guān)處于閉合狀態(tài)。根據(jù)圖2可以得出，此時(shí)限流器呈現(xiàn)的阻抗 ^ra^X丄,2—M2)/A，由于M-A:VZ^ (其中k為耦合系數(shù))，故有 Z^a=)W(l-P)A。在耦合非常好的情況下，k可以近似為l，此時(shí)該限 流器接入系統(tǒng)的阻抗非常之小，相對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)完全能夠忽略不計(jì)，對(duì) 系統(tǒng)沒(méi)有影響。
當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)電流開始上升，感應(yīng)到二次側(cè)的電流也會(huì) 有所增加。當(dāng)系統(tǒng)電流上升至一定閾值，控制可控開關(guān)處于斷開狀態(tài)，
限流電阻以及變壓器的電感一同接入系統(tǒng)主回路來(lái)限制故障電流，限流 阻抗為Z^^"V^+^^。由此可見，Z^^的幅值和相位由限流電
阻i 和超導(dǎo)線圈自感z^^共同決定，限流阻抗中的阻性成分還能夠抑制
短路電流的穩(wěn)態(tài)值。
實(shí)施例l，變壓器選用常導(dǎo)變壓器，可控開關(guān)s選用斷路器開關(guān)，限
流電阻選用線性電阻，負(fù)載回路的交流電源為理想電壓源。結(jié)構(gòu)參數(shù)如
下C/,220sin^ V， 變壓器線圈的自感和互感為 A二丄廣20附仏M^19.6w// ,變壓器線圈的電阻和勵(lì)磁電阻為 A二^:0.5Q,/^二0.49Q ，線路阻抗Z^(0.19 + 2.16/)Q ,負(fù)載阻抗為 Z2=15 + 2_/Q,限流電阻i 二8Q，工頻/ = 50他。
圖3(a)、 (b)、 (c)所示為實(shí)施例1應(yīng)用于交流系統(tǒng)的限流波形圖， 在此為看出限流效果，故障之后主斷路器CB并未動(dòng)作開斷線路。在0 0.038s時(shí)間內(nèi)，交流電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，在0.038s 0. ls時(shí)間內(nèi)，交流 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障。
如圖3 (a)所示，粗實(shí)線表示無(wú)故障電流限制器時(shí)交流系統(tǒng)的電流 /,，細(xì)虛線表示有故障電流限制器時(shí)交流系統(tǒng)的電流^。系統(tǒng)的正常運(yùn)行 時(shí)電流峰值為14A,當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，如果系統(tǒng)中沒(méi)有安裝限流裝置， 如粗實(shí)線所示，電流的峰值在短路后第一個(gè)周期迅速上升到155A。系統(tǒng) 中安裝了限流器之后，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電流大于一定閾值(在此設(shè)定為 20A)，控制斷路器開關(guān)S斷開，開始限流運(yùn)行。如細(xì)虛線所示，在故障 發(fā)生后的第一個(gè)周期內(nèi)能把系統(tǒng)電流的峰值限制在45. 8A左右，限流效 果非常明顯。
圖3(b)和圖3(c)所示為限流器運(yùn)行過(guò)程中變壓器一次側(cè)輸出電壓i/, 和二次側(cè)輸出電壓^。從圖中可以看出，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，變壓器一 次側(cè)輸出電壓w,的峰值為3.5V， 二次側(cè)輸出電壓"2的峰值為0. IV，相比
較于系統(tǒng)電壓220V， ^基本上對(duì)正常運(yùn)行沒(méi)有影響；當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)， 檢測(cè)到系統(tǒng)電流大于一定閾值，操作斷路器開關(guān)S斷開線路，變壓器一
次側(cè)和二次側(cè)輸出電壓的w，、 ^的峰值分別上升至155V及150V，且并沒(méi) 有產(chǎn)生過(guò)電壓現(xiàn)象。
圖4(a)、(b)為實(shí)施例1同主斷路器CB配合的波形電路圖〃-0.05s 時(shí)令主斷路器CB動(dòng)作開斷系統(tǒng)主回路。
如圖4 (a)所示，粗實(shí)線表示無(wú)故障電流限制器時(shí)主斷路器CB上流 過(guò)的電流，細(xì)虛線表示有故障電流限制器時(shí)主斷路器CB上流過(guò)的電流。 可以看出，有故障電流限制器之時(shí)流過(guò)主斷路器的電流相比較沒(méi)有之時(shí) 要小很多，有利于降低主斷路器的遮斷容量。
如圖4 (b)所示，粗實(shí)線表示無(wú)故障電流限制器時(shí)主斷路器CB上的
暫態(tài)恢復(fù)電壓，細(xì)虛線表示有故障電流限制器時(shí)主斷路器CB上的暫態(tài)恢 復(fù)電壓波形?？梢娨?yàn)橄蘖餮b置的引入，降低了暫態(tài)恢復(fù)電壓的波動(dòng)。 沒(méi)有安裝限流裝置之時(shí)，通過(guò)主斷路器CB直接開斷線路，初始暫態(tài)恢復(fù) 電壓的峰值可以達(dá)到320V，加裝了限流器之后，能將其限制在120V左右， 效果非常明顯，從開關(guān)電器的滅弧角度來(lái)說(shuō)，這是非常有利的。
實(shí)施例2，變壓器選用超導(dǎo)變壓器，可控開關(guān)S選用電力電子開關(guān)。 實(shí)施例2應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的電路示意圖如圖5所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如下 f/,220sinw V， 超導(dǎo)變壓器線圈的自感和互感為 ^二^二20w/Z,M二19.6m//，在此省略掉線圈電阻和勵(lì)磁電阻。線路阻 抗Z^(0.19 + 2.16力Q,負(fù)載阻抗為Z,15 + 27'Q,電力電子開關(guān)選用兩個(gè) 反向并聯(lián)的絕緣門極雙極型晶體管(IGBT): T1和T2，限流電阻i^8Q， 工頻/ = 50歷。
正常運(yùn)行時(shí)，Tl和T2處于交互導(dǎo)通狀態(tài)，限流電阻R被短接，限 流器呈現(xiàn)低阻抗，對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)影響。
發(fā)生短路故障后，當(dāng)檢測(cè)到一次側(cè)的系統(tǒng)電流上升至一定閾值，控
制n和T2關(guān)斷。限流電阻同超導(dǎo)線圈一同接入系統(tǒng)主回路，來(lái)抑制短
路大電流。
圖6所示為本發(fā)明實(shí)施例2應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的限流波形圖，在 此為看出限流效果，故障之后主斷路器CB并未動(dòng)作開斷線路。在0 0.038s時(shí)間內(nèi)，交流電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，在0.038 0. ls時(shí)間內(nèi)，交流 電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障。
圖6所示，粗實(shí)線表示無(wú)故障電流限制器時(shí)交流系統(tǒng)的電流^，細(xì) 虛線表示有故障電流限制器時(shí)交流系統(tǒng)的電流、。系統(tǒng)的正常運(yùn)行時(shí)電 流峰值為14A，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，如果系統(tǒng)中沒(méi)有安裝限流裝置，如粗 實(shí)線所示，電流的峰值在短路后第一個(gè)周期迅速上升到155A。系統(tǒng)中安 裝了限流器之后，當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電流大于一定閾值(在此設(shè)定為20A)， 控制T1、 T2關(guān)斷，開始限流運(yùn)行。如細(xì)虛線所示，在故障發(fā)生后的第一 個(gè)周期內(nèi)能把系統(tǒng)電流的峰值限制在43.8A左右，限流效果非常明顯。
圖7所示為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2的限流波形比較圖。粗實(shí)線 表示實(shí)施例1應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)的電流t，細(xì)虛線表示實(shí)施例2應(yīng)用 于交流電力系統(tǒng)的電流^。在限流效果和響應(yīng)速度的比較上，實(shí)施例2 要略強(qiáng)于實(shí)施例l。實(shí)施例2采用電力電子開關(guān)，響應(yīng)時(shí)間短，在得到控 制信號(hào)之后T1、 T2可以馬上關(guān)斷，開始限流運(yùn)行。實(shí)施例l選取斷路器 開關(guān)作為可控開關(guān)則需要等到電流過(guò)零的時(shí)候才關(guān)斷線路，中間會(huì)存在 一定的響應(yīng)延遲。超導(dǎo)變壓器的引入有助于提高限流器運(yùn)行效率，降低 裝置損耗，增強(qiáng)限流能力。
權(quán)利要求
1.一種故障電流限制器，包括變壓器，變壓器的鐵心上繞制一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈，變壓器的鐵心工作在線性區(qū)，變壓器一次側(cè)線圈串聯(lián)接入電力系統(tǒng)主回路，其特征在于可控開關(guān)并聯(lián)限流電阻之后同變壓器二次側(cè)線圈相連，通過(guò)控制可控開關(guān)的開、閉狀態(tài)調(diào)節(jié)呈現(xiàn)的限流阻抗大小。
2. 如權(quán)利要求1所述的故障電流限制器，其特征在于所述變壓器 一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈的材料為超導(dǎo)材料。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的故障電流限制器，其特征在于所述可 控開關(guān)為斷路器開關(guān)、電力電子開關(guān)或者PM^變流器。
全文摘要
故障電流限制器，屬于電力系統(tǒng)的短路限流保護(hù)裝置，目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)在偏置電流源設(shè)計(jì)方面的不足之處，減少正常運(yùn)行時(shí)限流裝置的電阻損耗。本發(fā)明包括變壓器，變壓器的鐵心上繞制一次側(cè)線圈和二次側(cè)線圈，變壓器的鐵心工作在線性區(qū)，變壓器一次側(cè)線圈串聯(lián)接入電力系統(tǒng)主回路，可控開關(guān)并聯(lián)限流電阻之后同變壓器二次側(cè)線圈相連，通過(guò)控制可控開關(guān)的開、閉狀態(tài)調(diào)節(jié)呈現(xiàn)的限流阻抗大小，短路電流能被快速地限制在一定水平上。本發(fā)明運(yùn)行損耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)迅速，有利于減小現(xiàn)有開關(guān)設(shè)備、斷路器的損耗，節(jié)省電力部門的投資。
文檔編號(hào)H02H9/02GK101174771SQ20071016832
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月9日
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