一种限制电网短路故障电流的装置及方法与流程

本发明涉及电力系统自动化领域，具体涉及一种限制电网短路故障电流的装置及方法。

背景技术：

随着电力系统的快速发展，电网各电压等级系统容量越老越大，500kv、220kv网架结构日益增强，特别在沿海经济发达地区，500kv变电站间距已缩小到30～60km，电源容量加大而线路阻抗减小致使电网短路故障电流超标越来越严重。电网短路电流超出50ka后既考验输电线路断路器的遮断能力也对变压器绕组结构稳定造成影响。目前500kv输电线路断路器的最大短路电流遮断能力仅达到63ka，220kv输电线路断路器的最大短路电流遮断能力仅为50ka，而在部分负荷中心地区500kv、220kv电网的三相或单相对地短路故障电流已超过这一数值。高压断路器强行分断超出其遮断能力的短路电流有可能引起断路器爆炸，严重影响电网运行安全。目前的应对手段主要是通过电网调度调整运行方式，打开电磁环网使电网开环运行或在输电线路中加装串联电抗器，但这些办法限制了电网运行的灵活性、安全性和可靠性，降低了输电线路的输电容量。短路电流过大已成为困扰电网安全运行、限制电网发展的因素之一。

目前虽然已开展了各种限制电网短路电流技术的研究，包括超导技术、非超导技术、磁饱和电抗器、中性点串联小电抗等，但效果均不理想，没有得到大规模推广。故障电流限制器(faultcurrentlimiter，fcl)需要在正常运行时呈现零阻抗或微小阻抗，而在电网发生短路故障时阻抗迅速增大，以限制短路电流峰值并减小短路电流。fcl装置必须具备快速(<3-5ms)、大容量、可靠且占地较小的特点。

现有技术中，限制电力系统特别是超高压输电网短路故障电流的技术研究由来已久，从技术路线上主要包括以下几大类：

1)限流电抗器

即在输电线路上串联限流电抗器或在变压器中性点串联小电抗器。这是目前电网广泛采取的限制短路电流的方法，具有成本低、可靠性高的特点。但高压限流电抗器会降低系统稳定裕度，减小系统输电容量，而变压器中性点串联小电抗只能限制电网单相接地故障的短路电流，对于二相或三相接地故障没有限流效果。

2)谐振型限流器谐振型限流器是通过电容和电抗的工频谐振原理进行限流的一种技术方案，包括串联谐振型限流器和并联谐振型限流器。

串联谐振型限流器通过电容和电抗在工频下串联谐振输出零阻抗的特性，在电网短路时快速旁路电容，由串联电抗限制短路电流。并联谐振型限流器则是在电网发生短路故障时通过晶闸管控制电抗器，形成电容和电抗的工频并联谐振以限制短路电流。谐振型限流器串联在高压输电线路中，对地绝缘要求较高且占地面积较大，成本较高，且只对所在输电线路起限制作用，故而应用较少。

3)磁饱和型限流器

铁芯电抗器在铁芯深度饱和状态下输出电抗较小而退出饱和状态电抗值增大，由控制系统检测电网故障状态后控制铁芯励磁电流改变铁芯电抗器的输出电抗，可以限制短路故障电流。该方案由于铁芯电抗器损耗较大，铁芯进入和退出饱和状态的时间还不够快速，且应用于超高压电网成本较高，没有在电网中广泛应用。

4)超导型限流器

基于超导材料特性，使线路在超导临界状态下电阻接近零而在故障时短路电流大于超临界电流装置快速失超形成高电阻以限制短路电流。该方案目前严重依赖超导材料特性，在国外有工程应用的报道但在国内还未发展成熟。

5)高电压限流器

通过熔断器在出现短路故障电流时限制或断开短路电流也是一种限制短路电流的方法，如高电弧电压限流器等，但只能一次性开断短路电流，无法实现重合闸，具有一定局限性。

无论以上哪一种技术路线，都存在一定的缺陷。在工程实践方面，串谐型限流器和磁饱和型限流器在500kv电网有过工程应用，但由于造价、占地、损耗及可靠性等多方面原因，都没有在电网获得大规模推广。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供种限制电网短路故障电流的装置及方法，本发明提供的装置接入电网变压器的中性点侧，可以有效限制电网短路故障发生时的短路电流，保证电网安全运行。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种限制电网短路故障电流的装置，其改进之处在于，所述装置包括：第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组、第二隔离刀闸、旁路断路器、避雷器、阻尼电抗器、电力电子固态开关和旁路隔离刀闸；

所述第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸依次串联；

所述阻尼电抗器与电力电子固件开关串联连接；

所述阻尼电抗器和电力电子固件开关组成的串联支路、旁路断路器以及避雷器均并联在所述电容器组两端；

所述第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成串联支路两端接有旁路隔离刀闸。

优选的，所述避雷器的类型为金属氧化物避雷器。

优选的，所述串联电抗器和阻尼电抗器的类型均为油浸式铁芯电抗器，所述串联电抗器的阻抗范围为10～20欧姆，所述阻尼电抗器的阻抗范围为2～5欧姆。

优选的，所述电容器组的容值范围为318uf～159uf。

优选的，所述电力电子固态开关包括：平均通态电流5000a、瞬时涌流90ka的晶闸管阀或平均通态电流5000a、瞬时涌流90ka的igbt阀。

进一步的，所述晶闸管阀由多个晶闸管串联阀连接组成；

所述晶闸管串联阀由电阻和电容组成的串联支路与两个反向并联的晶闸管并联组成。

进一步的，所述igbt阀由多个igbt串联阀连接组成；

所述igbt串联阀由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和igbt构成；

所述第一二极管的阴极与第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阴极与第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极与第一二极管的阳极连接；

所述igbt的集电极与第一二极管和第二二极管之间的连接点连接；

所述igbt的发射极与第三二极管和第四二极管之间的连接点连接。

优选的，电力系统各相变压器中性点与接地点之间分别设有一个所述装置。

优选的，电力系统各相变压器中性点与接地点之间设有一个所述装置。

进一步的，所述装置中的第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成的串联支路与旁路隔离刀闸之间的一个连接点与电网各相变压器中性点连接，所述装置中的第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成的串联支路与旁路隔离刀闸之间的另一个连接点与接地点连接。

一种所述的限制电网短路故障电流的装置的限制电网短路故障电流的方法，其改进之处在于，所述方法包括：

断开所述旁路隔离刀闸，当电网发生单相/三相对地或相间短路故障时，通过触发线路触发所述电力电子固态开关导通，闭合所述旁路断路器；

所述旁路断路器闭合后，停止触发所述电力电子固态开关；

电网恢复正常运行后，断开所述旁路断路器。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的装置结构简单、运行电压低、成本低且占地面积小的特点，便于500kv、220kv变电站改的扩建改造。其设计优点如下：

1)本发明通过电力电子固态开关旁路串联谐振电路中的电容器组，响应时间快，仅有2～3ms，可快速抑制电网短故障电流。

2)本发明将装置串接于500kv、220kv变压器一次绕组的中性点，电网正常运行时由于阻抗为零，对变压器运行没有任何影响，且由于变压器中性点接地，装置的电压等级低，对地绝缘要求不高，成本较低，占地面积较小，便于500kv和220kv变电站现有变压器的改造。

3)本发明将装置串接于500kv、220kv变压器一次绕组的中性点，对变压器高压侧接入的所有500kv、220kv输电线路的短路故障电流都具有抑制作用，即通过安装与变压器相同数量的装置就可以对一个地区内电网的500kv、220kv输电线路的短路故障电流进行有效抑制，而不用在每条输电线路上各安装一套，大大降低了成本，提高了使用效率。

4)本发明可以抑制电网单相对地短路故障电流，也可抑制三相对地短路故障电流，也可抑制二相短路故障电流，对电网各种短路故障的电流都具有较好的抑制特性。

5)本发明由于在变压器一次绕组中串联了电容器/电抗器，对抑制中性点大地流入变压器绕组的直流分量具有明显效果，可消除500kv、220kv变压器的直流绕组的偏磁现象。

附图说明

图1是本发明提供的一种限制电网短路故障电流的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中多个晶闸管串联阀串联组成的晶闸管阀的结构示意图；

图3是本发明实施例中多个igbt串联阀串联组成的igbt阀的结构示意图；

图4是本发明实施例中在电力系统各相变压器中性点与接地点之间分别设有一个本发明的所述装置的结构示意图；

图5是本发明实施例中在电力系统各相变压器中性点与接地点之间设有一个本发明的所述装置的结构示意图；

其中，1为旁路断路器、2为隔离刀闸(带地刀)、3为串联电抗器、4为电容器组、5为mov、6为阻尼电抗器、7为晶闸管阀、8为旁路隔离刀闸、9为控制系统、10为触发线路、11为电流互感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种限制电网短路故障电流的装置，将串联谐振的电容器/电抗器及电力电子固态开关安装于电网变压器接地的中性点侧，在电网发生短路故障时立刻触发电力电子固态开关导通，在变压器绕组回路中快速插入电抗器，有效抑制短路电流的快速上升，其动作响应时间可以到达2-3ms。当变压器正常运行时由于电容器/电抗器在50hz工频上处于串联谐振状态，交流电抗和交流容抗完全相互抵消，总阻抗值基本为零，变压器接地电阻阻抗值不变，不会抬高变压器中性点的电压，也不会影响变压器的正常运行；

具体的，本发明提供的一种限制电网短路故障电流的装置如图1所示包括：

第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组、第二隔离刀闸、旁路断路器、避雷器、阻尼电抗器、电力电子固态开关和旁路隔离刀闸；

所述第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸依次串联；

所述阻尼电抗器与电力电子固件开关串联连接；

所述阻尼电抗器和电力电子固件开关组成的串联支路、旁路断路器以及避雷器均并联在所述电容器组两端；

所述第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成串联支路两端接有旁路隔离刀闸。

其中，为防止电容器两端在电网短路故障瞬间出现工频过电压击穿电容器组，在电容器两端可加装金属氧化物避雷器(mov)限制瞬态过电压。

本发明装置串联电抗器和阻尼电抗器的类型均为油浸式铁芯电抗器，所述串联电抗器的阻抗范围为10～20欧姆，所述阻尼电抗器的阻抗范围为2～5欧姆。

所述串联电抗器和阻尼电抗器的类型均为油浸式铁芯电抗器，所述串联电抗器的阻抗范围为10～20欧姆，所述阻尼电抗器的阻抗范围为2～5欧姆。

所述电容器组的容值范围为318uf～159uf，可通过多台电力电容器串并联组成，为防止电容器故障，电容器组采用桥式接线，通过电容器组的不平衡电流对电容器组进行检测和保护。

所述电力电子固态开关采用平均通态电流5000a、瞬时涌流90ka的晶闸管阀或平均通态电流5000a、瞬时涌流90ka的igbt阀。

如图2所示，所述晶闸管阀由多个晶闸管串联阀连接组成；

所述晶闸管串联阀由电阻和电容组成的串联支路与两个反向并联的晶闸管并联组成。

或者，如图3所示，所述igbt阀由多个igbt串联阀连接组成；

所述igbt串联阀由第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管和igbt构成；

所述第一二极管的阴极与第二二极管的阴极连接，所述第二二极管的阳极与第四二极管的阳极连接，所述第四二极管的阴极与第三二极管的阴极连接，所述第三二极管的阳极与第一二极管的阳极连接；

所述igbt的集电极与第一二极管和第二二极管之间的连接点连接；

所述igbt的发射极与第三二极管和第四二极管之间的连接点连接。

本发明提供的实施例中在电力系统各相变压器中性点与接地点之间分别设有一个本发明的所述装置，装置串联于电力系统500kv或220kv变压器每相中性点与一次绕组低压端之间，每相各串联一套，共计3套，在装置另一端实现三相中性点连接和接地，如附图4所示，其中，电力电子固态开关以晶闸管为例。当电网500kv、220kv输电线路发生三相对地短路、单相对地短路或相间短路故障时，控制系统检测到输电线路短路电流突增，在2～3ms内触发电力电子固态开关，使得变压器中性点对地阻抗瞬间增加，大大减小短路电流，当故障线路被线路高压断路器切除或消失后，电力电子固态开关停止触发，装置快速恢复对外输出阻抗为零的状态。

本发明提供的实施例中在电力系统各相变压器中性点与接地点之间设有一个本发明的所述装置，装置串联于电力系统500kv或220kv变压器三相中性点与接地点之间，三相仅串联1套，装置一端接变压器中性点另一端直接接地，如附图5所示，其中，电力电子固态开关以晶闸管为例。当电网500kv、220kv输电线路发生单相对地短路故障时，控制系统检测到输电线路短路电流突增，在2～3ms内触发电力电子固态开关，使得变压器中性点对地阻抗瞬间增加，可大大减小单相短路电流，当故障线路被线路断路器切除或消失后，电力电子固态开关停止触发，装置快速恢复对外输出阻抗为零的状态。

在以上二种接线方式中，本发明装置都是安装于500kv或220kv变压器的中性点，由于电网正常运行时装置对外阻抗为零，使得装置两端电压降为零。由于550kv、220kv变压器中性点直接接地，装置对地电位也为零。只有当电网发生短路故障时，由于电容器两端被电力电子固态开关导通短接，电抗器将承受较高的瞬时工频过电压，但不会超过500kv或220kv变压器中性点套管的工频过电压耐受值。本发明装置在电网正常运行时对地绝缘要求较低，因此占地及成本较接入高压输电线路大大降低。

进一步的，所述装置中的第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成的串联支路与旁路隔离刀闸之间的一个连接点与电网各相变压器中性点连接，所述装置中的第一隔离刀闸、串联电抗器、电容器组和第二隔离刀闸组成的串联支路与旁路隔离刀闸之间的另一个连接点与接地点连接。

本发明还提供了一种基于所述的限制电网短路故障电流的装置的限制电网短路故障电流的方法，所述方法包括：

断开所述旁路隔离刀闸，当电网发生单相/三相对地或相间短路故障时，通过触发线路触发所述电力电子固态开关导通，闭合所述旁路断路器；

所述旁路断路器闭合后，停止触发所述电力电子固态开关；

电网恢复正常运行后，断开所述旁路断路器。

基于上述方案，在如图1所示的应用场景中，具体实施过程如下：

(1)装置投入过程：装置投入前，旁路隔离刀闸8处于闭合状态，旁路断路器1处于打开状态。装置两侧对地隔离刀闸2首先由闭合状态打开，隔离刀闸2随后由打开状态闭合。所有设备准备就绪后，控制系统9遥控旁路隔离刀闸8由闭合状态打开，装置投入运行。

(2)装置运行过程：装置投入运行后，对外输出阻抗为零，不影响电网运行，控制系统9可实时监测晶闸管阀7的工作状态。当电网发生单相/三相对地或相间短路故障时，电网电流急剧增加，电容器组4两端电压上升，并联在其两端的mov5随即动作，抑制电压的快速上升，控制系统9在2～3ms内检测到电网故障发生后，迅速通过触发线路10触发晶闸管阀7导通，使得电容器组4经阻尼电抗器6被快速旁路，同时发出闭合旁路断路器1的指令，100ms后旁路断路器1闭合，控制系统9停止触发晶闸管阀7，电抗器3被插入故障电网中，短路故障电流被成功限制。电网发生短路故障后继电保护装置将切除故障线路，电网随即恢复正常运行，本装置控制系统9检测到电网恢复正常运行后，发出打开旁路断路器1的指令，随着旁路断路器1被处于分断状态，装置重新投入运行。

(3)装置退出过程：装置检修时需退出运行，首先控制系统9发出闭合旁路隔离刀闸8指令，旁路隔离刀闸8由分断状态转入闭合状态，再分断本装置两端的隔离刀闸2，闭合对地隔离刀闸2，装置退出运行。

本发明提供的技术方案具有装置结构简单、运行电压低、成本低且占地面积小的特点，便于500kv、220kv变电站改的扩建改造。其设计优点如下：

1)本发明通过电力电子固态开关旁路串联谐振电路中的电容器组，响应时间快，仅有2～3ms，可快速抑制电网短故障电流。

2)本发明将装置串接于500kv、220kv变压器一次绕组的中性点，电网正常运行时由于阻抗为零，对变压器运行没有任何影响，且由于变压器中性点接地，装置的电压等级低，对地绝缘要求不高，成本较低，占地面积较小，便于500kv和220kv变电站现有变压器的改造。

3)本发明将装置串接于500kv、220kv变压器一次绕组的中性点，对变压器高压侧接入的所有500kv、220kv输电线路的短路故障电流都具有抑制作用，即通过安装与变压器相同数量的装置就可以对一个地区内电网的500kv、220kv输电线路的短路故障电流进行有效抑制，而不用在每条输电线路上各安装一套，大大降低了成本，提高了使用效率。

4)本发明可以抑制电网单相对地短路故障电流，也可抑制三相对地短路故障电流，也可抑制二相短路故障电流，对电网各种短路故障的电流都具有较好的抑制特性。

5)本发明由于在变压器一次绕组中串联了电容器/电抗器，对抑制中性点大地流入变压器绕组的直流分量具有明显效果，可消除500kv、220kv变压器的直流绕组的偏磁现象。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。