本发明涉及一种混合式短路故障限流器及限流方法，属于输配电网的故障限流技术领域。
背景技术：
国民经济的快速发展，带动了社会对电力需求的不断增长，传统输配电网难以满足系统容量的要求。以此同时，各大型城市、工业中心和居民楼宇等对电能质量的要求也更加苛刻。为了解决上述问题，电力系统需要不断的升级改造。电力系统的电压等级越来越高，电力容量越来越大，各区域电力系统之间的互联越来越强，使得各级电网中的短路水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越大。目前，世界上广泛采用断路器对故障电流全额开断。然而，采用全额开断故障电流将让断路器的价格昂贵，且其价格随额定开断电流的增加而迅速上涨，这将较为严重的限制电力系统容量的增长。
短路故障限流器是解决上述问题的一个重要手段。理想的故障限流器在系统稳态时，阻抗接近于零，对系统的影响极小。系统故障时，故障限流器的阻抗迅速增大，限制短路故障电流上升。目前，基于材料特性及其技术突破，提出并发展了多种限流器，包括ptc限流器、谐振限流器、固态限流器、超导限流器等。ptc型限流器的限流容量小，难以具备在实际电网中的应用前景。固态限流器随着容量的增加，串联的电力电子开关器件也随之增多。在高压大容量系统中应用，存在通态损耗过高、成本价格昂贵，可靠性低等局限性。超导限流器由于超导材料的限制，需要低温冷却装置，可靠性难以保证，并且成本价格昂贵。专利《一种短路故障限流器》中提出利用双分裂电抗器进行限流的方法，如图1所示，其工作原理是：该限流器由双分裂电抗器、串联电抗器和并联电容器等组成，稳态时双分裂电抗器非对称运行，限流器形成谐振，对电网影响较小；电网发生故障时，分裂电抗器中的另一个电抗器也投入，使其对称运行以短接并联电容器，限流器阻抗增大，限制短路电流的上升。虽然该方法能够快速可靠的限制故障电流，但是，由于稳态时串入了较多的电抗器，使其通态时损耗过高。本发明在此基础上，通过电流转移支路和故障限流支路相并联，稳态时电流从电流转移支路流过，几乎对系统稳态运行不造成影响，从而克服该类型限流器通态损耗过高的问题。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服已有技术的不足，提供一种混合式短路故障限流器及限流方法，本发明通过电流转移支路和故障限流支路相配合，降低了正常运行时限流器的损耗，同时利用双分裂电抗器实现故障限流，提高了限流器运行的经济性和可靠性，能够有效限制电网故障电流。
本发明采用的技术方案之一：一种混合式短路故障限流器，包括：电流转移支路和故障限流支路；电流转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成；故障限流支路由双分裂电抗器和开关组成，双分裂电抗器的第一绕组与所述开关串联后，与第二绕组并联。
本发明采用的技术方案之二：一种混合式短路故障限流器，包括：电流转移支路和故障限流支路；电流转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成；所述故障限流支路由若干个相同的故障限流模块串接构成，其中故障限流模块由双分裂电抗器和开关组成，双分裂电抗器的第一绕组与所述开关串联后，与第二绕组并联。
本发明采用的技术方案之三：一种混合式短路故障限流器，包括：电流转移支路和故障限流支路；电流转移支路由快速机械开关和电力电子开关串联组成；所述故障限流支路先由双分裂电抗器进行分流，各分流支路分别串联一个故障限流模块后并接，其中故障限流模块由双分裂电抗器和开关组成，双分裂电抗器的第一绕组与所述开关串联后，与第二绕组并联。
所述电力电子开关为固态开关，所述固态开关由一对反向串联的电力电子开关器件组成，其中，电力电子开关器件由igbt及其反向并联的二极管组成、或igct及其反向并联的二极管组成、或gto及其反向并联的二极管组成。
所述双分裂电抗器由第一绕组、第二绕组和铁芯组成；所述第一绕组和第二绕组匝数相同、异名端相连、磁通方向相反，并通过闭合铁芯形成闭合磁路，提高所述第一绕组和第二绕组的磁场耦合能力。
所述故障限流支路中的开关是快速机械开关，或是反并联晶闸管组，或是可控间隙，或是避雷器，或是饱和电抗器，或是它们的不同组合。
本发明一种如上述技术解决方案之一所述混合式短路故障限流器的限流方法，其特点在于：电网稳态时，电流从电流转移支路流过，减小了正常运行时的损耗；电网发生短路故障时，电流转移支路上的开关动作，电流转移到故障限流支路；电网稳态时故障限流支路上的开关闭合，故障限流支路呈现低阻抗，等效电感为μh量级，故障时电流转移到故障限流支路后，故障限流支路上的开关断开，故障限流支路呈现高阻抗，等效电感为mh量级。
本发明一种如上述技术解决方案之一所述混合式短路故障限流器的限流方法，其特点在于：电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关处于闭合状态，故障限流支路上的开关也处于闭合状态；此时双分裂电抗器的第一绕组和第二绕组上通过的电流相等，磁通方向相反而抵消，双分裂电抗器的等效阻抗很小，然而由于电流转移支路的阻抗接近于零，稳态时绝大部分电流都从电流转移支路上流过，所述混合式短路故障限流器对电网稳态运行时几乎不造成影响；电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当流过电流转移支路的电流超过设定的阈值时，电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关动作，使得故障电流转移到了故障限流支路上；故障限流支路上的开关延迟一段时间，一般为几个ms，保证故障限流支路上的快速机械开关的电弧不会重燃；当电流转移到故障限流支路，并延迟一段时间，即几个ms后，故障限流支路上的开关动作，使得流过双分裂电抗器第一绕组和第二绕组上的电流大小不等，磁通无法抵消，双分裂电抗器的等效阻抗迅速增大，等效电感从μh量级上升到mh量级，以此来快速限制短路故障电流的上升。
本发明一种如上述技术解决方案之二所述混合式短路故障限流器的限流方法，其特点在于：电网稳态时，电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关处于闭合状态，故障限流支路上各限流模块上的开关也均处于闭合状态；此时故障限流支路上各限流模块双分裂电抗器的第一绕组和第二绕组通过的电流相等，磁通方向相反而抵消，故障限流支路的等效阻抗很小，等效电抗为μh量级；然而，由于电流转移支路的阻抗接近于零，稳态时绝大部分电流都从电流转移支路上流过，所述混合式短路故障限流器对电网稳态运行时几乎不造成影响；电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当流过电流转移支路的电流超过设定的阈值时，电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关动作，使得故障电流转移到了故障限流支路上；当电流转移到故障限流支路，并延迟几个ms时间后，故障限流支路上各故障限流模块的开关有选择的动作，流过开关动作了的限流模块的双分裂电抗器第一绕组和第二绕组上的电流大小不等，磁通无法抵消，开关动作了的限流模块的等效阻抗迅速增大，等效电感从μh量级上升到mh量级，以此来快速限制短路故障电流的上升；通过有选择的动作故障限流支路上故障限流模块的开关数量，可以灵活的投入不同大小的等效阻抗来限制短路电流上升。
本发明一种如上述技术解决方案之三所述混合式短路故障限流器的限流方法，其特点在于：电网稳态时，电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关处于闭合状态，故障限流支路上的开关也均处于闭合状态；故障限流支路先由一个双分裂电抗器进行分流，各分流支路分别串联一个故障限流模块后并联，此时各双分裂电抗器的第一绕组和第二绕组通过的电流相等，磁通方向相反而抵消，故障限流支路的等效阻抗很小，等效电抗为μh量级；然而，由于电流转移支路的阻抗接近于零，稳态时绝大部分电流都从电流转移支路上流过，所述混合式短路故障限流器对电网稳态运行时几乎不造成影响；电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当流过电流转移支路的电流超过设定的阈值时，电流转移支路上的快速机械开关和电力电子开关动作，使得故障电流转移到了故障限流支路上；当电流转移到故障限流支路，并延迟几个ms时间后，分流支路上故障限流模块的开关动作；无论是两个故障限流模块中的开关一起动作，还是只动作其中的一个，都将使得双分裂电抗器第一绕组和第二绕组上的电流大小不等，磁通无法抵消，等效电感从μh量级上升到mh量级，以此来快速限制短路故障电流的上升；通过先由双分裂电抗器进行分流，可有效减低对故障限流模块中的开关的容量要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明通过故障转移支路和故障限流支路相配合，大大减小了该限流器稳态时的运行损耗，提高了限流器的经济型，对电网不造成压降和谐波干扰。
(2)本发明通过双分裂电抗器和开关的配合，实现在限流过程中的阻抗变化，快速投入电抗器，有效地限制了故障电流，提高了限流器的限流能力，从而达到了比已有的短路故障限流器更好的限流效果。
(3)本发明运行灵活，控制简单，通过级联相同的故障限流模块实现限流器阻抗的灵活投入，具有较高的可靠性和运用前景。
附图说明
图1为已有发明的电路原理图；
图2为本发明具体实施例1的电路原理图；
图3为本发明具体实施例2的电路原理图；
图4为本发明具体实施例3的电路原理图。
具体实施方式
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为一种混合式短路故障限流器，可以应用于单相或三相。本发明实施例采用单相，三相同样适用。
本发明实施例的混合式短路故障限流器包括双分裂电抗器m、快速机械开关k1、开关k2、固态开关kk。其中，双分裂电抗器m由第一绕组l11和第二绕组l12组成。
双分裂电抗器m的第一绕组l11与开关k2串联后，与第二绕组l12并联，组成故障限流支路。故障限流支路再与故障转移支路并联，其中，故障转移支路由快速机械开关k1和固态开关kk组成。双分裂电抗器m的第一绕组l11、第二绕组l12和快速机械开关k1与第一连接点a相连，开关k2、双分裂电抗器m的第二绕组l12和固态开关kk与第二连接点b相连。交流电源uac、电源等效阻抗rs和断路器s1串联后连接在第一连接点a与地之间，负载rl连接在第二连接点b与地之间构成混合式短路故障限流器。
本发明的具体实施例1中固态开关kk由一对反向串联的固态电力电子开关器件组成。其中，固态电力电子开关器件可以由igbt及其反向并联的二极管组成、或igct及其反向并联的二极管组成、或gto及其反向并联的二极管组成。本发明的具体实施例1中双分裂电抗器m由第一绕组l11、第二绕组l12和铁芯组成。其中，第一绕组l11和第二绕组l12匝数相同、异名端相连、磁通方向相反，并通过闭合铁芯形成闭合磁路，提高其磁场耦合能力。本发明的具体实施例1中开关k2是快速机械开关，或是反并联晶闸管组，或是可控间隙，或是避雷器，或是饱和电抗器，或是它们的不同组合。
电网稳态时，电流转移支路上的快速机械开关k1和固态开关kk处于闭合状态，故障转移支路上的开关k2也处于闭合状态。此时，双分裂电抗器m的第一绕组l11和第二绕组l12通过的电流大小相等，磁通方向相反而抵消，双分裂电抗器m的等效阻抗很小，等效电抗为μh量级。然而，由于电流转移支路的阻抗接近于零，电网稳态时绝大部分电流都从电流转移支路流过，因此所述混合式短路故障限流器对系统稳态运行时几乎不造成影响。
电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当流过转移支路的电流超过阈值时，电流转移支路上的固态开关kk和机械开关k1动作，使得故障电流转移到了故障限流支路上。由于机械开关需要一定的时间拉开一段的距离，保证电弧不会重燃。因此，当电流转移到故障限流支路后，延迟一段时间t0后，一般为几个ms，开关k2动作，使得流过双分裂电抗器m的第一绕组l11和第二绕组l12上的电流大小不等，磁通无法抵消，双分裂电抗器m的阻抗迅速增大，从低阻抗，即μh量级变化到高阻抗，即mh量级，以此来快速限制短路故障电流的上升。
本发明的具体实施例1的故障判定和控制原理如下。故障判定可以采用电网电流有效值阈值判定的方法：当电网中发生故障后，电网电流的有效值i快速上升，并很快超过设定的电流阈值iset和偏差δi，采用滞回控制方法来实现开关信号的控制，控制信号为“0”和“1”，“0”表示低电平，开关关断；“1”表示高电平，开关闭合。当电网电流的有效值i上升到或超过阈值上限iset+δi时，控制信号控制机械开关k1和固态开关kk断开；延迟一段时间δt，一般为几个ms，使得快速机械开关k1具有约几十毫米的物理间隙以防电弧重燃，再控制故障限流支路上的开关k2断开，使双分裂电抗器非对称运行，投入电抗以限制电流快速上升；当电网电流的有效值i下降到或低于电流阈值下限iset-δi时，先闭合快速机械开关k1和固态开关kk，使得绝大部分电流流过电流转移支路后，再闭合开关k2，恢复稳态运行。另外，故障判定也可以通过其他专门的手段检测故障，当专门的故障检测装置检测到故障后，作用于快速机械开关k1和固态开关kk，使电流转移到故障限流支路，延迟几个ms之后，故障限流支路上的开关k2断开，双分裂电抗器非对称运行，投入电抗以限制短路电流快速上升。
图3所示为本发明的具体实施例2的一种混合式短路故障限流器。该混合式短路故障限流器的故障限流支路由一系列类似的模块1、模块2……、模块n串联组成，故障转移支路与本发明的具体实例1中的结构相同。其中，模块1由第一双分裂电抗器m1和第一开关k21组成，模块2由第二双分裂电抗器m2和第二开关k22组成，……，模块n由第n双分裂电抗器mn和第n开关k2n组成。第一双分裂电抗器m1由第一绕组l11和第二绕组l12组成，第二双分裂电抗器m2由第三绕组l21和第四绕组l22组成，……，第n双分裂电抗器mn由第n1绕组ln1和第n2绕组ln2组成。
第一双分裂电抗器m1的第一绕组l11与第一开关k21串联后，与第二绕组l12并联组成模块1，模块1连接在第一连接点a和第三连接点u1之间；第二分裂电抗器m2的第三绕组l21与第二开关k22串联后，与第四绕组l22并联组成模块2，模块2连接在第三连接点u1和第四连接点u2之间；……；第n分裂电抗器mn的第n1绕组ln1与第n开关k2n串联后，与第n2绕组ln2并联组成模块n。模块n连接在第n+1连接点un-1和第二连接点b之间。模块1、模块2、……、模块n依次串联组成故障限流支路。交流电源uac、交流电源等效阻抗rs和断路器s1串联后连接在第一连接点a和地之间，负载rl连接在第二连接点b和地之间构成混合式短路故障限流器。
本发明的具体实施例2的第一双分裂电抗器m1、第二双分裂电抗器m2、……、第n双分裂电抗器mn具有与本发明的具体实施例1的双分裂电抗器m相同的结构和工作原理；第一开关k21、第二开关k22、……、第n开关k2n具有与本发明的具体实施例1的开关k2相同的结构和工作原理。故障转移支路具有与本发明的具体实例1中相同的结构。本发明的具体实施例2具有与具体实施例1相类似的工作原理。通过对第一开关k21、第二开关k22、……、第n开关k2n的不同控制，即：有选择的投入开关的数量，实现不同大小的限流阻抗投入。通过多模块化结构设计，简化了模块设计的难度，提高了控制的灵活性和可靠性。
图4所示为本发明的具体实例3的一种混合式短路故障限流器。该混合式短路故障限流器的故障限流支路先由第一双分裂电抗器进行分流，分流后的各分流支路再分别串联故障限流模块1、模块2，故障转移支路与本发明的具体实例1中的结构相同。其中，第一双分裂电抗器m1由第一绕组l11和第二绕组l12组成；故障限流模块1由第二双分裂电抗器m2和第一开关k21组成；故障限流模块2由第三双分裂电抗器m2和第二开关k22组成；第二双分裂电抗器m2由第三绕组l21和第四绕组l22组成，第三双分裂电抗器m3由第五绕组l31和第六绕组l32组成。
第一双分裂电抗器m1的第一绕组l11与第二双分裂电抗器m2串联，连接在第一连接点a和第三连接点c之间；第一双分裂电抗器m1的第二绕组l12与第三双分裂电抗器m3串联，连接在第一连接点a和第四连接点d之间。第二双分裂电抗器m2的第三绕组l21与第一开关k21串联后，再与第四绕组l22并联组成模块2，模块2连接在第三连接点c和第二连接点b之间；第三双分裂电抗器m3的第五绕组l31与第二开关k22串联后，与第六绕组l32并联组成模块3，模块3连接在第四连接点d和第二连接点b之间。交流电源uac、电源等效阻抗rs和断路器s1串联后连接在第一连接点a和地之间，负载rl连接在第二连接点b和地之间构成混合式短路故障限流器。
本发明的具体实施例3的第一双分裂电抗器m1、第二双分裂电抗器m2和第三双分裂电抗器m3具有与本发明的具体实施例1的双分裂电抗器m相同的结构和工作原理；第一开关k21和第二开关k22具有与本发明的具体实施例1的开关k2相同的结构和工作原理。故障转移支路具有与本发明的具体实例1中相同的结构。本发明的具体实施例3具有与具体实施例1相类似的工作原理。通过第一双分裂电抗器m1的分流，减小了对第一开关k21和第二开关k22的容量要求，通过开关k21和k22的组合开断，实现不同大小的故障限流阻抗投入，提高了限流器的可靠性和灵活性。
在配电网和220～500kv的输电网中，本发明均能较好地实现短路故障限流，故障电流的瞬时值和稳态值都可以限制在最大故障电流的60％以下。并且，根据电网的故障特点和阻抗情况，进一步调节双分裂电抗器的级联个数及其参数，可以达到更好的限流效果。
总之，本发明通过电流转移支路和故障限流支路相配合，降低了正常运行时限流器的损耗，同时利用双分裂电抗器实现故障限流，提高了限流器运行的经济性和可靠性，且结构简单，稳态损耗低，能够有效限制电网故障电流。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。