一种直流限流器及其应用的制作方法

本发明涉及直流限流器领域，更具体地，涉及一种直流限流器及其应用。

背景技术：

直流输电是分布式绿色能源接入电网的有效措施，且直流输电还具有输电距离远、损耗小、输电量大等优点，有着重要的研究意义。

随着直流输电的发展，直流电网电压等级持续提升，使得电网的输电效率增大，电网的可靠性提升，但也使得短路电流持续增大，加大了直流断路器(dccircuitbreaker，dccb)开断压力，导致直流侧断路器关断困难，如果直流侧不及时切除故障，需要换流侧交流侧断路器执行相关动作，使得换流阀组闭锁，以防止故障的影响继续增大，但是换流阀组闭锁会对系统的正常运行造成很大影响。因此，如何保证直流断路器能短时间内切除故障回路，保证系统的正常运行，引起了各国专家学者的关注。

由于直流系统故障电流没有自然过零点，断路器开断故障回路时，线路中的储能元件储能很大，而且故障时电源侧还会向故障侧提供大量的能量，这些能量需要通过避雷器泄放，导致开断故障电流时避雷器吸能压力大。而避雷器的主要作用是限制过电压，在吸能方面由于zno避雷器非线性电阻的制造工艺和陶瓷材料的烧制工艺基本一致，故zno阀片参数一致性很难得到保证，使得当避雷器吸能过大时可能出现局部发热严重导致避雷器损坏，所以降低避雷器吸能显得尤为必要。直流限流器能限制故障电流，降低故障期间电源侧向故障侧的供能和线路中储能元件的储能，限流器中的吸能模块还能吸收线路中部分感性元件的储能，根据能量守恒定律，避雷器吸能压力显著降低，因此直流限流器的研究对减轻断路器和避雷器的压力、增强系统稳定性有着至关重要的作用。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有直流断路器开断大故障电流困难以及开断大故障电流导致避雷器吸能过高的技术问题。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种直流限流器，包括：限流单元和吸能单元；

所述限流单元包括：平波电抗器、三相耦合电抗器、n个晶闸管、n个预充电电容以及小型直流断路器；所述三相耦合电抗器包括：第一相电抗器、第二相电抗器以及第三相电抗器；n为大于1的整数；

所述平波电抗器的一端为直流限流器的输入端，所述平波电抗器的另一端连接第一相电抗器的一端和第二相电抗器的一端，所述第一相电抗器的另一端连接小型直流断路器的一端，所述第二相电抗器的另一端和小型直流断路器的另一端连接，作为直流限流器的输出端；

所述第一相电抗器和第二相电抗器具有耦合关系，第二相电抗器与第三相电抗器具有耦合关系，所述第三相电抗器与n条振荡回路并联，每条振荡回路包括一个晶闸管和一个预充电电容；

所述吸能单元用于吸收第一相电抗器、第二相电抗器以及第三相电抗器上的储能；

当直流限流器所在的直流系统未发生故障时，所述小型直流断路器闭合，第一相电抗器和第二相电抗器的耦合接入直流系统，n个晶闸管均断开；

当直流限流器所在的直流系统发生故障时，若检测到直流电流急剧上升，则触发所述小型直流断路器关断，使得第一相电抗器退出运行，第二相电抗器投入直流系统限流；同时触发所述n个晶闸管先后分别导通，使得n个预充电电容先后与第三相电抗组成振荡回路，以在第二相电抗器两端持续耦合产生与直流电流电压方向相反的反向电压，以限制直流系统电流的上升率。

可选地，所述吸能单元包括：第一吸能子单元，第二吸能子单元以及第三吸能子单元；

所述第一吸能子单元包括：第一吸能电阻、第一二极管以及第二二极管；

所述第一吸能电阻的一端连接第一相电抗器的一端和第二相电抗器的一端，所述第一吸能电阻的另一端连接第一二极管的负极，所述第一二极管的正极连接第一相电抗器的另一端和第二二极管的负极，所述第二二极管的正极连接小型直流断路器的另一端；

所述第二吸能子单元包括：第二吸能电阻和第三二极管；

所述第二吸能电阻的一端连接第三相电抗器的一端，所述第二吸能电阻的另一端连接第三二极管的负极，所述第三二极管的负极连接第三相电抗器的另一端；

所述第三吸能子单元包括：第三吸能电阻和第四二极管；

所述第三吸能电阻的一端连接平波电抗器的一端，所述第三吸能电阻的另一端连接第四二极管的负极，所述第四二极管的负极连接平波电抗器的另一端。

可选地，所述第一相电抗器和第二相电抗器反向耦合，控制耦合系数使得直流系统正常工作时第一相电抗器和第二相电抗器的公共磁路磁通接近零，第一相电抗器和第二相电抗器的等效电感低，对直流系统正常工作影响小。

可选地，所述第二相电抗器的电感大于所示等效电感。

所述第一相电抗器和第二相电抗器的比值可以改变，直流系统未发生故障时，直流系统电源侧的电流通过第一相电抗器和第二相电抗器流向负载，通过控制流过第一相电抗器和第二相电抗器的电流即可使第一相电抗器和第二相电抗器的公共磁路磁通量接近零，第一相电抗器和第二相电抗器的等效电感小，对直流系统正常工作影响小。

可选地，当第一相电抗器和第二相电抗器的电抗值之和不变时，增大第一相电抗器的电抗值，所述小型直流断路器在发生故障时所需开断的电流降低，所述小型直流断路器开断压力降低；增大第二相电抗器的电抗值，可以改善限流单元的限流效果。

具体地，第一电抗器和第二相电抗器的电抗值之和不变时，电抗器的成本不变。

可选地，n＝2。

另一方面，本发明提供一种上述一方面提供的直流限流器的应用，所述直流限流器应用于直流系统，所述直流系统包括一个直流断路器；

当所述直流系统发生故障时，若检测到直流电流急剧上升，则触发所述直流限流器开始限流工作，以限制直流电流的上升率；同时触发所述直流断路器关断，当所示直流电流的上升率被限制后，所述直流断路器的关断压力减小。

可选地，所述直流系统还包括一个避雷器；

当所述直流系统发生故障时，若检测到直流电流急剧上升，则触发所述直流限流器开始限流工作，直流限流器中的吸能单元吸收了直流系统中电抗器上的能量，降低了避雷器的吸能压力。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明提供一种直流限流器及其应用，由于限流单元可以使系统在故障时等效为一个大电感并在该电感上产生反向电压，使得电源到故障点的等效电压降低，从而线路电流上升率减小，直流断路器开断压力降低。因此本发明通过直流限流器可以限制故障电流的上升率，以显著降低直流断路器的开断压力，延长直流断路器使用寿命，减少电路的经济成本。

(2)本发明提供一种直流限流器及其应用，通过直流限流器配备的吸能单元，抑制了线路感性能量向避雷器的传递，导致避雷器吸能显著降低，降低了避雷器吸能压力。

(3)本发明提供一种直流限流器及其应用，直流限流器配备的限流单元中预充电电容采用并联回路依次和第三电抗器振荡，不仅有利于在主回路产生更加稳定的直流电压，而且多电容并联的方法可以显著减小单个电容容量，整体上减小了电容造价，显著改善了经济效益。

附图说明

图1为本发明提供的一种直流限流器的原理框图；

图2为本发明提供的一种直流限流器的结构框图；

图3为本发明提供的在故障电流时有直流限流器在与无直流限流器的线路电流对比的波形图；

图4为本发明提供的在故障电流时有直流限流器在与无直流限流器的避雷器吸能对比的波形图；

其中，1为限流单元，2为吸能单元，3为直流断路器单元；l1、l2、l3为三相耦合电抗器，l4为平波电抗器，scr1、scr2为晶闸管，c1、c2为预充电电容，dccb1为小型直流断路器，dccb为直流断路器，d1、d2、d3、d4为吸能回路二极管，r1、r2、r3为吸能回路电阻；x轴为时间t(单位s)；y轴分别为线路电流(单位ka)，避雷器吸能(单位mj)。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种直流限流器，旨在解决现有技术中由于开断大故障电流困难以及开断大故障电流导致避雷器吸能过高的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种直流限流器，包括：

限流单元，三相耦合电抗器(l1、l2、l3)、平波电抗器(l4)、晶闸管(scr1、scr2)、预充电电容(c1、c2)和小型直流断路器dccb1，在一个示例中，可以设置l1、l2电感值相同，系统正常工作时，线路通过l1、l2流向负载且两回路电流之比为1：1，此时l3不投入运行；当直流系统发生短路故障时，线路电流急剧上升，检测装置检测到故障后，触发小型直流断路器关断，使l1退出运行，此时耦合电抗器l1、l2等效为一个大电感l2投入系统限流。与此同时先后触发晶闸管scr1、scr2导通，预充电电容c1、c2先后与耦合电抗器l3振荡，在l2两端产生与电源电压方向反向的电压，使电源侧到故障侧的等效电压降低，限制故障电流上升率。采用双电容并联设计目的是在l2两端产生持续、稳定的反压来限制故障电流的上升率，降低了断路器的开断压力；

吸能单元，其包括二极管和吸能电阻，用于在直流断路器开断后抑制耦合电抗器和平波电抗器存储的能量向避雷器传递；

直流系统还包括：直流断路器单元，其包括直流断路器和避雷器，断路器用于开断故障电流，避雷器则用于吸收线路感性元件储能。

本发明的目的是提供一种直流限流器，旨在保证高压直流断路器本身动作迅速、开断大电流的基础上，可限制断路器的开断电流，减小避雷器吸能，增加断路器开断的可靠性，多电容并联也可降低电容器所需容量，降低装置的成本，同时抑制避雷器吸能以降低避雷器吸能压力。

图1为本发明提供的一种耦合电抗器型高压直流限流器的原理框图。图2为本发明提供的一种耦合电抗器型高压直流限流器的结构框图。本发明提供了一种耦合电抗器型高压直流限流器，包括：限流单元1，吸能单元2，直流断路器单元3；限流单元1包括三相耦合电抗器(l1、l2、l3)、平波电抗器(l4)、晶闸管(scr1、scr2)、预充电电容(c1、c2)和小型直流断路器dccb1。l1、l2电感值相等，系统正常工作时，线路通过l1、l2流向负载且两回路电流之比为与l1和l2的电抗值有关，由于l1、l2反向耦合且耦合系数高，使得l1、l2的公共磁路磁通量几乎为零，等效电感小，对系统影响小，此时l3不投入运行；当直流系统发生短路故障时，线路电流急剧上升，检测装置检测到故障后，触发小型直流断路器关断，使l1退出运行，此时耦合电抗器l1、l2等效为一个大电感l2投入系统限流。与此同时先后触发晶闸管scr1、scr2导通，预充电电容c1、c2先后与耦合电抗器l3振荡，在l2两端产生与电源电压方向反向的电压，使电源侧到故障侧的等效电压降低，限制故障电流上升率。采用双电容并联设计目的是在l2两端产生持续、稳定的反压来限制故障电流的上升率，降低了断路器的开断压力；吸能单元2包括吸能二极管和吸能电阻，用于吸收线路中感性元件储能向避雷器传递，抑制避雷器吸能；直流断路器单元3包括直流断路器(dccb)，用于开断故障电流，内含避雷器部分，当直流断路器断开主回路后吸收电力系统中感性元件存储的能量。

图3和图4中x轴为时间t，单位s；y轴分别为线路电流，单位ka，避雷器吸能，单位mj；图3为有无直流限流器时高压直流断路器器开断25ka大故障电流时的线路电流波形对比图，无直流限流器时线路电流最大值为25ka，有直流限流器时线路电流最大值为12ka，由此可见，直流限流器的限流效果显著；图4为有无直流限流器时高压直流短路器开断25ka大电流时的避雷器吸能波形对比图，无直流限流器避雷器吸能为123mj，有直流限流器避雷器吸能为4mj，吸能显著降低。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。