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它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)所示，其主电路由晶闸管TH1、TH2、TH3、TH4、直流电感L和偏压电源Vb组成。其改进的技术方案如图1(b)和1(c)所示，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，而且，图1(a)和1(b)可以通过控制晶闸管的导通角，实现更有效的故障电流控制。
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，随着磁体电流的不断增大，磁体的限流能力不断减小，这时，只能通过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。但是，增大导通角的同时，磁体上的反向电压和开关管的应力都相应增大，并且电网电流波形畸变也逐渐增大；为了补偿桥臂上的开关器件的压降造成的电网稳态电流波形畸变，一般采用给限流磁体串联偏压电源的方法。但是，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、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在整流桥的正负直流端分别串入一个电容，两个限流电感(一般电感或超导电感均可)交叉连接在两个电容的两端，构成单相的短路故障限流器。两个电容和两个限流电感呈“8”字形连接，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.本发明采用了双电感限流方法，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，因此，只能限制故障电流峰值。而本发明的短路故障限流器，两个限流电感分别与开关器件串联形成正反向电路，在短路故障过程中，分别承担正向电流导通和续流作用，从而保证了限流电感的直接串入，提高和限流效果。
2.本发明采用了双电感限流方法，可以较大幅度地降低限流电感的额定电流。在已有的短路故障限流器中，限流电感的电流有效值是负载电流有效值的 倍，而改进后的短路故障限流器两只限流电感共同承担整流桥路中的电流，其电流的有效值和负载电流有效值相等。因此，所发明的短路故障限流器更适合用于大电流场合，而且成本较小。
3.本发明在取消偏压电源的前提下，可消除线路稳态电流波形畸变。在短路故障过程中，两个限流电感是交替串入电网和续流的，而且，在故障过程中的任意时刻必有一个限流电感限制故障电流的上升速度，不会因为限流电感的突然投入而造成线路电流波形畸变，因此，不产生谐波，从而更好地保证了线路的电能质量。
4.本发明省去了偏压电源，形成了无源短路故障限流器，同时保证了稳态时限流器不造成线路电流波形畸变。本发明电路中的电感，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(a)、图1(b)、图1(c)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为本发明具体实施例2电路原理示意图；图4为本发明具体实施例3电路原理示意图；图5为本发明具体实施例4电路原理示意图；图6为本发明具体实施例5电路原理示意图；图7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两个晶闸管T1、T2和两个二极管D1、D2组成的单相整流桥及其限流电感L0组成。在此基础上，在整流桥的正负直流端分别串入电容C1和C2，已有短路故障限流器中的限流电感L0由两个限流电感(一般电感或超导电感均可)L1和L2所替代，限流电感L1和L2的两端分别连在电容C1的一端和电容C2一端上，限流电感L1、L2相互交叉并与电容C1、C2在桥路上呈“8”字型连接，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，开通T1、T2的触发脉冲使其一直处于导通状态，晶闸管T1、T2和二极管D1、D2与串联电感L1、L2形成闭合回路，不断给限流电感L1和L2充电，使限流电感L1和L2的电流之和等效为一恒流源。当正向电流到来时，即晶闸管T1和二极管D2正偏而导通时，晶闸管T2和二极管D1组成续流回路而导通；反之，当反向电流到来时，即晶闸管T2和二极管D1正偏而导通时，晶闸管T1和二极管D2组成续流回路而导通。在系统发生短路故障时，若故障电流使晶闸管T1和二极管D2正偏而导通时，限流电感L1会自动串入电路来限制故障电流的上升速度和峰值，这时，限流电感L2则起到续流作用；若故障电流使晶闸管T2和二极管D1正偏而导通时，限流电感L2会自动串入电路来限制故障电流的上升速度和峰值，这时，限流电感L1则起到续流作用。同时，为了达到更好的限流效果，在线路电流由正变负过零(或由负变正过零)时，控制晶闸管T2(或T1)的触发脉冲使其延迟导通，从而实现对限流器的控制。从上述的分析可以看出，限流电感L1和L2不但可以限制故障电流峰值，而且可以限制故障电流上升速度，从而更有效地限制了故障电流对限流器和线路的冲击。
如图3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。
如图4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。
如图5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。
如图6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和晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相全桥，和限流电感L0组成。本发明的优化的短路故障限流器是在已有的限流器的基础上，在二极管D1和晶闸管T1、T3、T5的公共连接点之间串联电容C1，在二极管D2和晶闸管T2、T4、T6的公共连接点之间串联电容C2，限流电感L0由限流电感L1和L2代替，并且限流电感L1和L2的两端分别连在电容C1的一端和电容C2一端上，限流电感L1、L2相互交叉并与电容C1、C2在桥路上呈“8”字型连接。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、D2和晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6均处于导通状态，限流电感L1和L2对线路几乎不产生电压降。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，若故障电流使晶闸管T1和二极管D2正偏而导通时，限流电感L1会自动串入电路来限制故障电流的上升速度和峰值，这时，限流电感L2则起到续流作用；若故障电流使晶闸管T2和二极管D1正偏而导通时，限流电感L2会自动串入电路来限制故障电流的上升速度和峰值，这时，限流电感L1则起到续流作用。同时，为了达到更好的限流效果，在线路电流由正变负过零(或由负变正过零)时，控制晶闸管T2(或T1)的触发脉冲使其延迟导通，从而实现对限流器的控制。从上述的分析可以看出，限流电感L1和L2不但限制故障电流峰值，而且限制故障电流的上升速度，从而更有效地限制了故障电流对限流器和线路的冲击。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7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和晶闸管T1、T2、T3、T4、T5、T6组成的三相全桥，及其限流电感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，在二极管D1和晶闸管T1、T3、T5的公共连接点之间串联电容C1，在二极管D2和晶闸管T2、T4、T6的公共连接点之间串联电容C2，限流电感L0由限流电感L1和L2代替，限流电感L1和L2的两端分别连在电容C1的一端和电容C2一端上，限流电感L1、L2相互交叉并与电容C1、C2在桥路上呈“8”字型连接而构成。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。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。
本发明故障限流器提高了限流器的限流能力，既可限制故障电流峰值，又可限制故障电流上升速度。并且，在无需偏压电源的前提下，保证稳态时故障限流器不会引起线路电流畸变。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的单相系统试验中，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，包括晶闸管(T1)、(T2)和二极管(D1)、(D2)组成的单相整流桥，其特征是在整流桥的正负直流端分别串入电容(C1)、(C2)和限流电感(L1)和(L2)；限流电感(L1)和(L2)的两端分别连在电容(C1)的一端和电容(C2)一端上，限流电感(L1)、(L2)相互交叉并与电容(C1)、(C2)在桥路上呈“8”字型连接，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。
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。
4.按照权利要求1至3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的构成是在由二极管(D1)、(D2)和晶闸管(T1)、(T2)、(T3)、(T4)、(T5)、(T6)组成的三相全桥的二极管(D1)和晶闸管(T1)、(T3)、(T5)的公共连接点之间串联电容(C1)，在二极管(D2)和晶闸管(T2)、(T4)、(T6)的公共连接点之间串联电容(C2)；限流电感(L1)和(L2)的两端分别连在电容(C1)的一端和电容(C2)一端上，限流电感(L1)、(L2)相互交叉并与电容(C1)、(C2)在桥路上呈“8”字型连接；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。
5.按照权利要求1或3所述的短路故障限流器，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。
6.按照权利要求1或2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。
7.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
一种短路故障限流器，涉及输配电网故障限流器。它是在现有的短路故障限流器整流桥的正负直流端分别串入一个电容，两个限流电感交叉连接在两个电容两端，即两个电容和两个限流电感呈“8”字形连接，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，同时，限流器所产生的线路稳态电流波形畸变也得到较大改善。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H02H7/26GK1728494SQ200410009378
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月28日 优先权日2004年7月28日
发明者张志丰, 肖立业 申请人:中国科学院电工研究所