专利名称：故障电流限制器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电力系统的短路限流保护装置，特别涉及一种故障 电流限制器。
背景技术：
为有效抑制短路故障给电力系统及用户带来的巨大危害，保证电力 系统运行的安全性、可靠性和稳定性，必须采取行之有效的方法限制短 路电流，切断故障线路。传统的限流措施主要有以下形式
(1) 发展高电压等级的电力系统，将低电压等级电力系统解列分片运 行。这种措施可以有效抑制系统短路(电流)容量，但将降低电网供电 可靠性和运行灵活性，同时建造高一级电压的环网不仅复杂、造价昂贵， 而且涉及到环境电磁污染问题。
(2) 采用多母线运行或母线分段运行。对控制短路电流增长也很有 效，但并非电网发展的趋势，不能实现电网能源的最优配置。
(3) 采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用，但其 反应速度较慢，不利于电网的稳态和暂态稳定，且对电网的瞬间电动力 没有任何抑制作用；另一方面，熔断式保护器一般是一次性的，给电网 的维护以及自动化带来不便。
(4) 采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看，这种方 案存在一定的局限性。 一方面，超大容量断路器在技术上存在相当的难 度，另一方面，系统短路电流和断路器设备遮断容量太大会加重并联设 备的技术要求，是不经济的。
以上几种限流措施从原理到应用方式上都有所区别，均可以不同程度上实现对短路电流的约束和限制。但与此同时，它们又存在着各自的 缺陷和不足，并以另一种形式对电网产生了不利的影响。为此，人们提 出了故障限流器的概念，并开展了大量的研究工作。
华中科技大学申请的申请号为"200410013346.1"的《直流超导故 障限流器》，该直流超导故障限流器在正常运行时，对直流系统的运行没 有任何影响；而当系统发生故障时，该直流超导故障限流器能在短路后 0. ls时间内将故障电流限制在正常值的2 3倍，具有良好的限流效果， 且不会产生过电压。该限流器采用电压源与电阻相串联来提供偏置电流， 在运行过程中会产生一定的电阻损耗，该损耗与电流的平方成正比，当 直流系统的运行电流水平较高时，偏置源所产生的损耗就会很大，会影 响系统运行的经济性。
发明内容
本实用新型提供一种故障电流限制器，目的在于克服现有技术在偏 置电流源设计方面的不足之处，减少正常运行时限流装置的电阻损耗。
本实用新型的一种故障电流限制器，包括变压器，变压器的铁心上 绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一
次侧线圈串联接入电力系统主回路，其特征在于可控开关并联限流电 阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节 呈现的限流阻抗大小。
所述的故障电流限制器，其特征在于所述变压器一次侧线圈和二 次侧线圈的材料为超导材料。
所述的故障龟流限制器，其特征在于所述可控开关为断路器开关、 电力电子开关或者PWM变流器。
本实用新型在电路结构中用可控开关并联限流电阻的方式来代替偏 置电压源和串联电阻，正常运行时，可控开关处于闭合状态，本实用新型故障电流限流器呈现低阻抗，对系统不产生影响；当发生短路故障后， 控制可控开关处于断开状态，使故障电流限流器呈现大阻抗来抑制故障 电流的上升。串联变压器的铁心一直工作在非饱和区域，所以该限流器 在系统中为一线性阻抗，不会产生谐波。当发生故障时，通过可控开关 迅速开断，由于限流电阻的存在，不会产生过电压。可控开关的合适选 取能有效保证限流器的动态响应特性。由于是在二次侧线圈实现开断和 闭合等操作，通过变压器的隔离，可以方便地选择变比来确定可控开关 的电压电流等级，从而使限流器的性价比最优。该限流器可以立刻把大 的短路电流限制在比较低的水平，该限流器运行损耗低，结构简单，响 应迅速，有利于减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投 资。
图1为本实用新型应用于交流电力系统的电路示意图； 图2为本实用新型应用于交流电力系统的等效电路图； 图3 (a)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器一次侧系
统电流L的波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为系统电流z; (A);并将有
故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较。
图3 (b)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器一次侧电
压^的波形，横坐标为时间(S)，纵坐标为变压器一次侧电压^ (V);
图3 (c)为本实用新型实施例1应用于交流系统的变压器二次侧电
压"2的波形，横坐标为时间(S)，纵坐标为变压器二次侧电压"2 (V);
图4 (a)为本实用新型实施例1同主断路器配合时主断路器上流过 的电流波形，横坐标为时间(s)，纵坐标为主断路器上流过的电流^ (A)， 并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作比较；
图4 (a)为本实用新型实施例1同主断路器配合时主断路器开断线路时的暂态恢复电压波形，横坐标为时间(S)，纵坐标为主断路器上暂
态恢复电压t/zw (V)，并将有故障电流限制器与无故障电流限制器时作 比较。
图5为本实用新型实施例2应用于交流电力系统的电路示意图6为本实用新型实施例2应用于交流系统的变压器一次侧系统电
流t的波形，横坐标为时间(S)，纵坐标为系统电流/, (A);并将有故障
电流限制器与无故障电流限制器时作比较。
图7为本实用新型实施例1和实施例2的限流波形比较图。横坐标
为时间(S)，纵坐标为系统电流^ (A);
具体实施方式
由图1所示，本实用新型包括变压器l、限流电阻/ 及可控开关s，变 压器l的结构为，在铁心上绕制一次侧线圈W1、 二次侧线圈W2， 一次侧线 圈W1串联接入交流系统，交流系统的等效电压源R，线路阻抗和负载阻 抗分别为Z,，Z2，主断路器CB。可控开关S并联限流电阻7 之后同二次侧 线圈W2相连。变压器l的铁心工作在线性区，通过控制可控开关的闭合和 断开来调节限流器串接入系统的限流阻抗。
基于变压器的等效电路关系，本实用新型应用于交流电力系统的等 效电路如图2所示，Z^《,^，^分别是变压器一次侧线圈W1和二次侧线圈 W2的自感和电阻，i^，M为线圈之间的励磁电阻和互感，在此采用超导变 压器模型，省略掉线圈电阻《，A和励磁电阻iC。当系统正常运行时，可 控开关处于闭合状态。根据图2可以得出，此时限流器呈现的阻抗 Ara^加(丄,2-m2)/A，由于M-^/^S (其中k为耦合系数)，故有 Zsrci^yw(1 — ^)^。在耦合非常好的情况下，k可以近似为l，此时该限 流器接入系统的阻抗非常之小，相对于电网来说完全能够忽略不计，对 系统没有影响。当发生短路故障时，系统电流开始上升，感应到二次侧的电流也会 有所增加。当系统电流上升至一定阈值，控制可控开关处于断开状态， 限流电阻以及变压器的电感一同接入系统主回路来限制故障电流，限流
阻抗为Z^力"'6^+^^。由此可见，4皿的幅值和相位由限流电
阻A和超导线圈自感^，^共同决定，限流阻抗中的阻性成分还能够抑制 短路电流的稳态值。
实施例l，变压器选用常导变压器，可控开关s选用断路器开关，限
流电阻选用线性电阻，负载回路的交流电源为理想电压源。结构参数如
下C/,220sin^ V， 变压器线圈的自感和互感为 丄,二丄,20m仏M^9.6m// ，变压器线圈的电阻和励磁电阻为 ^ = W2 = 0.5Q jm = 0.49Q ，线路阻抗^ =(0.19 + 2.16y')Q ,负载阻抗为 Z2=15 + 2^/Q，限流电阻/ = 80，工频/ = 50历。
图3(a)、 (b)、 (c)所示为实施例l应用于交流系统的限流波形图， 在此为看出限流效果，故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0 0.038s时间内，交流电力系统正常运行，在0.038s 0. Is时间内，交流 电力系统发生短路故障。
如图3 (a)所示，粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流 t，细虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流t。系统的正常运行 时电流峰值为14A，当发生短路故障时，如果系统中没有安装限流装置， 如粗实线所示，电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统 中安装了限流器之后，当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为 20A)，控制断路器开关S断开，开始限流运行。如细虚线所示，在故障 发生后的第一个周期内能把系统电流的峰值限制在45. 8A左右，限流效 果非常明显。
图3(b)和图3(c)所示为限流器运行过程中变压器一次侧输出电压w,和二次侧输出电压^。从图中可以看出，当系统正常运行时，变压器一
次侧输出电压^的峰值为3.5V， 二次侧输出电压^的峰值为0. IV，相比 较于系统电压220V， w,基本上对正常运行没有影响；当发生短路故障时， 检测到系统电流大于一定阈值，操作断路器开关S断开线路，变压器一 次侧和二次侧输出电压的w,、 ^的峰值分别上升至155V及150V，且并没 有产生过电压现象。
图4(a)、(b)为实施例1同主断路器CB配合的波形电路图j^0.05s 时令主断路器CB动作开断系统主回路。
如图4 (a)所示，粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上流 过的电流，细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上流过的电流。 可以看出，有故障电流限制器之时流过主断路器的电流相比较没有之时 要小很多，有利于降低主断路器的遮断容量。
如图4 (b)所示，粗实线表示无故障电流限制器时主断路器CB上的 暂态恢复电压，细虚线表示有故障电流限制器时主断路器CB上的暂态恢 复电压波形。可见因为限流装置的引入，降低了暂态恢复电压的波动。 没有安装限流装置之时，通过主断路器CB直接开断线路，初始暂态恢复 电压的峰值可以达到320V，加装了限流器之后，能将其限制在120V左右， 效果非常明显，从开关电器的灭弧角度来说，这是非常有利的。
实施例2，变压器选用超导变压器，可控开关S选用电力电子开关。 实施例2应用于交流电力系统的电路示意图如图5所示，结构参数如下 ^二220sinw V， 超导变压器线圈的自感和互感为 = i:2 = 20m//,M= 19.6m//，在此省略掉线圈电阻和励磁电阻。线路阻 抗Z,(0.19 + 2.16/)Q，负载阻抗为Z^15 + 2yQ,电力电子开关选用两个 反向并联的绝缘门极双极型晶体管(IGBT): T1和T2，限流电阻A二8Q， 工频/ = 50他。
正常运行时，Tl和T2处于交互导通状态，限流电阻R被短接，限流器呈现低阻抗，对电力系统无影响。
发生短路故障后，当检测到一次侧的系统电流上升至一定阈值，控
制Tl和T2关断。限流电阻同超导线圈一同接入系统主回路，来抑制短 路大电流。
图6所示为本实用新型实施例2应用于交流电力系统的限流波形图， 在此为看出限流效果，故障之后主断路器CB并未动作开断线路。在0 0.038s时间内，交流电力系统正常运行，在0.038 0. ls时间内，交流 电力系统发生短路故障。
图6所示，粗实线表示无故障电流限制器时交流系统的电流^，细 虚线表示有故障电流限制器时交流系统的电流G。系统的正常运行时电 流峰值为14A，当发生短路故障时，如果系统中没有安装限流装置，如粗 实线所示，电流的峰值在短路后第一个周期迅速上升到155A。系统中安 装了限流器之后，当检测到系统电流大于一定阈值(在此设定为20A)， 控制T1、 T2关断，开始限流运行。如细虚线所示，在故障发生后的第一 个周期内能把系统电流的峰值限制在43.8A左右，限流效果非常明显。
图7所示为本实用新型实施例1和实施例2的限流波形比较图。粗 实线表示实施例1应用于交流电力系统的电流^，细虚线表示实施例2 应用于交流电力系统的电流^。在限流效果和响应速度的比较上，实施 例2要略强于实施例1。实施例2采用电力电子开关，响应时间短，在得 到控制信号之后T1、 T2可以马上关断，开始限流运行。实施例l选取断 路器开关作为可控开关则需要等到电流过零的时候才关断线路，中间会 存在一定的响应延迟。超导变压器的引入有助于提高限流器运行效率， 降低装置损耗，增强限流能力。
权利要求1.一种故障电流限制器，包括变压器，变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路，其特征在于可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小。
2. 如权利要求1所述的故障电流限制器，其特征在于所述变压器 一次侧线圈和二次侧线圈的材料为超导材料。
3. 如权利要求1或2所述的故障电流限制器，其特征在于所述可 控开关为断路器开关、电力电子开关或者PWM变流器。
专利摘要故障电流限制器，属于电力系统的短路限流保护装置，目的在于克服现有技术在偏置电流源设计方面的不足之处，减少正常运行时限流装置的电阻损耗。本实用新型包括变压器，变压器的铁心上绕制一次侧线圈和二次侧线圈，变压器的铁心工作在线性区，变压器一次侧线圈串联接入电力系统主回路，可控开关并联限流电阻之后同变压器二次侧线圈相连，通过控制可控开关的开、闭状态调节呈现的限流阻抗大小，短路电流能被快速地限制在一定水平上。本实用新型运行损耗低，结构简单，响应迅速，有利于减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投资。
文档编号H02H9/02GK201130853SQ200720088400
公开日2008年10月8日 申请日期2007年11月23日 优先权日2007年11月23日
发明者丽 任, 唐跃进, 萌 宋, 晶 石, 磊 陈 申请人:华中科技大学