专利名称：具有柔性开关特性的电流限制装置及方法
技术领域：
本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种具有柔性开关特性的电流限 制装置及方法。
背景技术：
随着电力系统的不断发展，发电容量的不断上升，电力系统发生短路引起的短路 电流很大。电力系统发生短路引起的短路电流对电力系统的危害是很大的。继电保护装置 在电力系统发生短路时，发出跳闸命令，使断路器跳闸，切断短路电流。断路器切断短路电 流的能力有限制，短路电流超过断路器最大切断电流值时，断路器无法切断短路电流。因 此，减小短路电流，使断路器能够切断短路电流，可减小电力设备在短路时的损害程度，提 高电力系统的稳定性。近年来研究限制短路电流的方法与装置(也称电流限制器)成为热门课题。利用超导材料构成电流限制器。超导材料在流过正常负荷电流时，呈现零电阻；串 联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，超导材料流 过很大电流，超导材料呈现大电阻；串联在输电线路中的电流限制器对短路电流起限制作 用，减小短路电流。超导材料构成电流限制器的缺点是机构复杂、价格昂贵、超导材料技术 不成熟、超导材料呈现大电阻时的散热问题。利用串联谐振原理构成电流限制器。电感线圈与电容器串联谐振时，呈现小电阻； 串联在输电线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，控制模块 测到短路电流，控制并联于电容器两端的阀晶闸管导通；电容器失效；串联在输电线路中 的电感线圈对短路电流起限制作用，减小短路电流。串联谐振原理构成电流限制器的缺点 是必须体积庞大的电容器组，运行维护困难，价格昂贵、短路电流也不可能限制的很小。利用磁饱和电抗器铁芯的饱和特性构成电流限制器。在磁饱和电抗器铁芯上增加 一组直流线圈，电力系统正常运行时，直流电源给直流线圈提供直流电流，使磁饱和电抗器 的铁芯深度饱和。磁饱和电抗器的铁芯深度饱和时，磁饱和电抗器呈现小电抗；串联在输电 线路中的电流限制器对正常输电没有影响。当电力系统发生短路时，控制模块切断直流线 圈的直流电流，磁饱和电抗器的铁芯脱离饱和；磁饱和电抗器呈现很大电抗。串联在输电线 路中的磁饱和电抗器对短路电流起限制作用，减小短路电流。现有磁饱和电抗器电流限制 器的缺点是给直流线圈提供直流电流的电路复杂；限制短路电流的效果有限；只有限制 短路电流作用，功能单一；性价比不高；等等。现有电流限制器以单纯限制短路电流为主要目的，短路电流被限制的效果差，利 用率低，性价比差，很难推广应用。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种具有柔性开关特性的电流限制装 置及方法，该控制设备发出切断命令时可减小正常负荷电流和短路电流至几乎关断，控制设备发出开通命令时可接通正常负载，用户可正常用电，性价比高的电流限制装置及方法。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案一种具有柔性开关特性的电流限制装置，它包括磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯11，在磁饱和电抗器铁芯I上安装有磁 饱和电抗器线圈Ll和直流线圈L2 ；在磁饱和电抗器铁芯II上安装有磁饱和电抗器线圈L3 和直流线圈L4 ；其中磁饱和电抗器线圈Ll 一端与磁饱和电抗器线圈L3 —端串联，直流线 圈L2 —端与直流线圈L4 一端串联；磁饱和电抗器线圈Ll另一端与输入端子连接；一个由二极管组成的整流电路；整流电路的两个输入端分别与磁饱和电抗器线圈 L3和输出端子连接；整流电路输出端串联一个正向二极管D5后分别与直流线圈L2和直流 线圈L4连接；一个晶闸管D6 ；晶闸管D6与整流电路输出端并联；一个控制电路，其输入端与外部控制输入端子连接，其输出端控制晶间D6导通或 截断。所述整流电路是由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；该整流电路输出还 并联过电压保护模块II。所述磁饱和电抗器线圈Ll的同名端与输入端子连接，磁饱和电抗器线圈Ll的异 名端连接磁饱和电抗器线圈L3的同名端，磁饱和电抗器线圈L3的异名端与整流电路的一 个输入端连接，整流电路的另一输入端与输出端子连接；所述直流线圈L2的同名端连接直流线圈L4的同名端，直流线圈L2的异名端与直 流线圈L4的异名端与输出端串联一个正向二极管D5的整流电路输出端连接；直流线圈L2 的异名端与直流线圈L4的异名端还分别并联有串联的电阻Rl和电容Cl，并联有串联的电 阻R2和二极管D7，还并联过电压保护模块I。所述晶闸管D6，它的正极与整流电路的正极输出端连接，它的负极与整流电路的 负极输出端连接；它的控制端与控制模块连接。所述磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II均为具有磁饱和特性的闭环结 构。所述磁饱和电抗器线圈Li、L3匝数与结构相同，且分别绕在磁饱和电抗器铁芯I 与II上；所述直流线圈L2、L4匝数与结构相同，直流线圈L2绕在磁饱和电抗器铁芯I上， 直流线圈L4绕在磁饱和电抗器铁芯II上；所述直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器 线圈Li、L3的匝数。所述磁饱和电抗器线圈L1、L3匝数，与磁饱和电抗器铁芯I与II的铁芯截面积和 铁芯结构，应满足具有柔性开关特性的电流限制装置工作电压的1/2电压加在线圈Ll (或 L3)两端的条件下，线圈Ll (或L3)正好流过最大正常励磁电流。所述输入端子1接电源，输出端子2接输电回路。一种具有柔性开关特性的电流限制装置的工作方法，它的方法为具有柔性开关特性的电流限制装置投入正常运行的电力系统和接到开通命令时， 晶闸管关断，输电回路的电流经由二极管组成的全桥整流电路整流后给磁饱和电抗器直流 线圈L2、L4提供直流电流；串联在输电回路中的磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的电阻很小， 不会影响负载的用电；磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中的直流电流随输电回路的电流变化而变化，不论输电回路的负荷电流大小，磁饱和电抗器铁芯始终处于饱和状态；串联在输电 回路中的磁饱和电抗器线圈L1、L3的电抗很小，不会影响负载的用电；当输电回路正常运行或发生短路故障，控制电路如果接到限制电流命令，控制电 路给晶闸管D6发出导通命令；晶闸管D6导通后，输电回路的电流经晶闸管D6流通，不再流 经磁饱和电抗器直流线圈L2、L4，磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中的直流电流下降为零，磁 饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II脱离饱和状态；串联在输电回路中的磁饱和电抗 器线圈L1、L3的电抗变大；加在电抗器线圈Ll与L3两端的电压小于工作电压，流过电抗器 线圈Ll与L3的电流小于最大正常励磁电流，输电回路几乎切断。本发明提供了提供一种控制设备发出切断命令时可减小正常负荷电流和短路电 流至几乎关断，控制设备发出开通命令时可接通正常负载，用户可正常用电的电流限制装 置及方法。本发明的有益效果是电力系统的短路故障绝大多数是暂时性故障，电流限制器 把短路电流减小至几乎关断后，暂时性故障可消失；不需要再发出跳开断路器的命令；电 流限制器可进行自动重合闸，恢复系统供电，提高供电可靠性。由于电流限制器的导通和关 断由电力电子器件执行，其动作速度比断路器快，可实现多次连续导通和关断操作，这是断 路器作不到的。电流限制器把短路电流减小至几乎关断后，故障线路仍然带电，这为暂时性 故障和永久性故障的判别提供方便，如果故障是永久性的，电流限制器不进行重合间，跳开 断路器，线路停电检修；避免了以往自动重合闸重合于永久故障，对电力系统的冲击。具有 柔性开关特性的电流限制装置可用于频繁投切，且不需要完全隔离的场合，例如并联电容 器的投切，大型电动机的投切等。具有柔性开关特性的电流限制装置用于投切超高压输电 线路，可防止操作过电压。具有柔性开关特性的电流限制装置极大地扩大了电流限制器的 应用范围。
图1表示具有柔性开关特性的电流限制装置结构与连接方式；图2表示磁饱和电抗器铁芯的饱和特性与最大正常励磁电流的关系。其中，1.输入端子，2.输出端子，3.磁饱和电抗器铁芯I，4.磁饱和电抗器铁芯 11,5.过电压保护器I，6.过电压保护器II，7.控制电路，8.外部控制输入端子。
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。具有柔性开关特性的电流限制装置结构与连接方式如图1所示。装置串联接入输 电线路，输入端子1接电源，输出端子2接输电回路。具有柔性开关特性的电流限制装置投 入正常运行的电力系统和接到开通命令时，控制电路7发出命令使晶闸管D6关断。断路器 闭合后，具有柔性开关特性的电流限制装置串联接入输电回路，电流经磁饱和电抗器线圈 Li、L3，全桥整流电路，二极管D5，磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4，再回到全桥整流电路， 然后从输出端子2接输电线(或负载)。这时，输电回路的电流经二极管D1、D2、D3、D4组 成的全桥整流电路整流后给磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4提供直流电流；磁饱和电抗器 直流线圈L2、L4对直流电的电抗为零，磁饱和电抗器直流线圈L2、L4对直流电有电阻，电阻很小；加大磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的直径，可进一步减小电阻。磁饱和电抗器直流线 圈L2、L4对于输电回路的阻抗很小。输电回路的负荷电流小，输电回路电流给磁饱和电抗 器直流线圈L2、L4提供的直流电流就小；输电回路的负荷电流大，输电回路电流给磁饱和 电抗器直流线圈L2、L4提供的直流电流就大。不论输电回路的负荷电流大小，磁饱和电抗 器铁芯13、114始终处于饱和状态；磁饱和电抗器铁芯13、114处于饱和状态，磁饱和电抗 器线圈Li、L3对输电回路的阻抗很小，不会影响负载的用电。由于直流线圈L2、L4中的直 流电流有自我调节能力，负荷电流小时，直流线圈L2、L4中的直流电流自动减小，可减低电 力系统正常运行时的损耗。直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器线圈L1、L3的匝数，以保证输电回路输 入磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的直流电流值Id乘以直流线圈L2匝数N2的安匝值IdN2大 于输电回路负荷电流的峰值Im乘以磁饱和电抗器线圈Ll匝数N1的安匝值IdN115与两磁饱和电抗器直流线圈并联的电容Cl，用以减小磁饱和电抗器直流线圈L2、 L4中直流电流的波动；可吸收磁饱和电抗器直流线圈两端的窄脉冲过电压。与Cl串联的 电阻R1，用于限制Cl的充电电流，避免全桥整流电路的二极管D1、D2、D3、D4导通时流过过 大充电电流。当输电回路正常流过负荷电流时，或电力系统发生短路时，控制电路如果没有接 到关断命令，电流没有受到限制。当输电回路正常运行或发生短路故障，控制电路如果接到限制电流命令，控制电 路给晶闸管D6发出导通命令；D6导通后，全桥整流电路两端的电压下降为晶闸管D6的管 压降。在磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中串联有二极管D5，磁饱和电抗器直流线圈L2、L4 中有电阻，全桥整流电路两端的电压必须大于二极管D5的管压降，才能产生电流；所以，磁 饱和电抗器的直流线圈L2、L4失去电压，直流电流下降为零；磁饱和电抗器铁芯13和磁饱 和电抗器铁芯Π4脱离饱和状态，串联在输电回路中的磁饱和电抗器线圈Li、L3的电抗变 大；加在电抗器线圈Ll与L3两端的电压小于工作电压，流过电抗器线圈Ll与L3的电流小 于最大正常励磁电流，输电回路几乎切断。磁饱和电抗器的直流线圈是储能元件。晶闸管D6导通后，磁饱和电抗器的直流线 圈L2、L4中的直流电流不能马上降为零。二极管D7与串接的电阻R2，为其提供续流通路。 电阻R2消耗能量，加快磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4中的直流电流降为零。电容Cl与串 接的电阻R1，也可加快磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4中的直流电流下降为零。根据需要， 在与磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4串联的直流电流回路中还可以增加其他灭磁装置，有 许多现有的灭磁装置可供选择，也可发明更好的灭磁装置。加快磁饱和电抗器的直流线圈 L2、L4中的直流电流下降为零，即加快了具有柔性开关特性的电流限制装置限流时间，提高 具有柔性开关特性的电流限制装置的性能。磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4中的直流电流下降为零后，流过电抗器线圈Ll与 L3的电流小于最大正常励磁电流。磁饱和电抗器铁芯的饱和特性与最大正常励磁电流的关 系如图2所示。磁饱和电抗器线圈Ll在磁饱和电抗器铁芯13中产生工频磁通，该工频磁通在直 流线圈L2产生感生电动势；磁饱和电抗器线圈L3在磁饱和电抗器铁芯114中产生工频磁 通，该工频磁通在直流线圈L4产生感生电动势；直流线圈L2的工频感生电动势与直流线圈L4的工频感生电动势相减为零，磁饱和电抗器线圈L1、L3的交流电流对直流回路不产生影 响。控制电路7可以从外部控制输入端子8接收继电保护的跳闸命令，也可接收其他 测控装置的切断正常负荷电流命令。也可接收测控装置的导通命令。过电压保护器I5、II6用于各保护二极管、晶闸管和有关元件。过电压保护器的特 性类似稳压二极管。晶闸管D6可以是门极可关断晶闸管，或集成门极换流晶闸管，或其他可控制导 通、关断的器件。晶闸管D6的作用是控制具有柔性开关特性的电流限制装置的导通与关断。晶闸 管D6导通时具有柔性开关特性的电流限制装置关断，晶闸管D6关断时具有柔性开关特性 的电流限制装置导通。也可用双向导通晶闸管并联于二极管Dl、D2、D3、D4组成的全桥整 流电路输入端的方式，控制具有柔性开关特性的电流限制装置的导通与关断。双向导通晶 闸管导通时具有柔性开关特性的电流限制装置关断，双向导通晶闸管关断时具有柔性开关 特性的电流限制装置导通。为了使晶闸管D6导通以后，直流电流不流入磁饱和电抗器直流线圈，二极管D5可 用多只二极管正向串联。二极管D5还可以由晶闸管代替，晶闸管D6导通时晶闸管D5关断，晶闸管D6关断 时晶闸管D5导通。这样，晶闸管D5关断时，可提高磁饱和电抗器的直流线圈L2、L4的灭磁 效果。磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II均为具有饱和特性的闭环结构。典 型的是口字形结构，也可圆形结构，等。所述具有柔性开关特性的电流限制装置的各部件可用现有技术设计制造，完全可 以实现。有广阔应用前景。
权利要求
1.一种具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，它包括磁饱和电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II，在磁饱和电抗器铁芯I上安装有磁饱和 电抗器线圈Ll和直流线圈L2 ；在磁饱和电抗器铁芯II上安装有磁饱和电抗器线圈L3和 直流线圈L4 ；其中磁饱和电抗器线圈Ll 一端与磁饱和电抗器线圈L3 —端串联，直流线圈 L2 一端与直流线圈L4 一端串联；磁饱和电抗器线圈Ll另一端与输入端子连接；一个由二极管组成的整流电路；整流电路的两个输入端分别与磁饱和电抗器线圈L3 和输出端子连接；整流电路一个输出端串联一个正向二极管D5后与直流线圈L4连接；一个晶闸管D6 ；晶闸管D6与整流电路输出端并联；一个控制电路，其输入端与外部控制输入端子连接，其输出端与晶间管D6可控端连 接，控制晶闸管D6导通或截断。
2.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述整流电路 是由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；该整流电路两输出端还并联过电压保护模 块II。
3.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电 抗器线圈Ll的同名端与输入端子连接，磁饱和电抗器线圈Ll的异名端连接磁饱和电抗器 线圈L3的同名端，磁饱和电抗器线圈L3的异名端与整流电路的一个输入端连接，整流电路 的另一输入端与输出端子连接；所述直流线圈L2的同名端连接直流线圈L4的同名端，直流线圈L2的异名端与直流线 圈L4的异名端与串联有正向二极管D5的整流电路的一个输出端连接；直流线圈L2的异名 端与直流线圈L4的异名端间还分别并联有串联的电阻Rl和电容Cl，并联有串联的电阻和 二极管D7，以及并联的过电压保护模块I。
4.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述晶闸管D6， 它的正极与整流电路的正极输出端连接，它的负极与整流电路的负极输出端连接；它的控 制端子与控制模块7连接。
5.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电 抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II均为具有磁饱和特性的闭环结构。
6.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电 抗器线圈L1、L3匝数与结构相同，且分别绕在磁饱和电抗器铁芯I与II上；所述直流线圈 L2、L4匝数与结构相同，直流线圈L2绕在磁饱和电抗器铁芯I上，直流线圈L4绕在磁饱和 电抗器铁芯II上；所述直流线圈L2、L4的匝数大于磁饱和电抗器线圈L1、L3的匝数。
7.如权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置，其特征是，所述磁饱和电 抗器线圈L1、L3匝数，与磁饱和电抗器铁芯I与II的铁芯截面积和铁芯结构，应满足具有 柔性开关特性的电流限制装置工作电压的1/2电压加在线圈Ll或L3两端的条件下，线圈 Ll或L3正好流过最大正常励磁电流。
8.一种采用权利要求1所述的具有柔性开关特性的电流限制装置的工作方法，其特征 是，它的方法为在投入正常运行的电力系统和接到开通命令时，晶闸管D6关断，输电回路的电流经由 二极管组成的全桥整流电路整流后给磁饱和电抗器直流线圈L2、L4提供直流电流；串联 在输电回路中的磁饱和电抗器直流线圈L2、L4的电阻很小，不会影响负载的用电；磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中的直流电流随输电回路的电流变化而变化，不论输电回路的负荷 电流大小，磁饱和电抗器铁芯始终处于饱和状态；串联在输电回路中的磁饱和电抗器线圈 L1、L3的电抗很小，不会影响负载的用电；当输电回路正常运行或发生短路故障，控制电路如果接到限制电流命令，控制电路给 晶闸管D6发出导通命令；晶闸管D6导通后，输电回路的电流经晶闸管D6流通，不再流经磁 饱和电抗器直流线圈L2、L4，磁饱和电抗器直流线圈L2、L4中的直流电流下降为零，磁饱和 电抗器铁芯I和磁饱和电抗器铁芯II脱离饱和状态；串联在输电回路中的磁饱和电抗器线 圈L1、L3的电抗变大；加在电抗器线圈Ll与L3两端的电压小于工作电压，流过电抗器线圈 Ll与L3的电流小于最大正常励磁电流，输电回路几乎切断。
全文摘要
本发明公开了一种具有柔性开关特性的电流限制装置及方法。它在控制设备发出切断命令时可减小正常负荷电流和短路电流至几乎关断，控制设备发出开通命令时可接通正常负载，用户可正常用电，性价比较高。它包括磁饱和电抗器铁芯I、II，在磁饱和电抗器铁芯I上安装磁饱和电抗器线圈L1和直流线圈L2；在磁饱和电抗器铁芯II上安装磁饱和电抗器线圈L3和直流线圈L4；一个由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流电路；二个二极管D5、D7；一个晶闸管D6；一个控制电路；一个电容C；二个电阻R1、R2。
文档编号H02H9/02GK102005749SQ20101057539
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者李晓明 申请人:山东大学