一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器及方法

1.本发明涉及输配电网的故障限流器，更具体地，涉及一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器及方法。


背景技术：

2.随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且，在对电能的需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。
3.短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。经济型限流器由于其价格低廉收到了电力部门的青睐，比如ptc限流器、谐振限流器、固态限流器、电抗器型限流器等。
4.由于ptc限流器的限流容量太小，谐振限流器如现有技术文件1(cn113629682a)公开了一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及限流方法，这种限流器在限流过程伴有高电压产生从而存在极大安全隐患。固态限流器如现有技术文件2(cn 202840498 u)公开了一种新型磁屏蔽空心变压器耦合型桥式固态限流器，这种限流器由于在高电压大容量系统中应用时，需要大量固态开关管(igbt、gto等)串并联来实现，导致结构复杂、价格昂贵、稳态损耗大。
5.传统的电抗器型限流器作为结构最简单、价格低廉的一类限流器，由于断路器分断和电抗器投入限流的时间较长(通常超过45ms)无法实现快速限流的目的，同时，电抗器漏磁场较大，安装时需要较大的空间，特别在限流过程中，快速变化的磁场对周围电子设备的影响很大，不利于电抗器型限流器在柜体内的集成和变电站现场的安装使用，成为经济型限流器推广使用的一个难题。


技术实现要素：

6.为了克服已有技术的不足，本发明提出一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，能够有效限制电网短路电流，并且，便于在柜体内集成，稳态运行和限流过程中，对控制器和监测设备不造成影响。
7.本发明采用的技术方案：
8.一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器及方法，其特征在于：
9.限流器包括快速断路器(1)、低漏磁电抗器(2)、绝缘子(3)、控制器、电流互感器和铜排(4)；
10.快速断路器(1)穿过低漏磁电抗器(2)的中心孔，形成嵌套结构，快速断路器(1)与低漏磁电抗器(2)通过铜排(4)相连以形成至少2个输出引线，限流器通过输出引线串联接入电网使用，电流互感器套在输出引线上用于线路电流检测，绝缘子(3)作为低漏磁电抗器(2)的绝缘支撑。
11.优选地，快速断路器(1)包括真空泡(14)、绝缘套管(15)和操作机构(16)，真空泡(14)通过绝缘套管(15)和操作机构(16)相连，真空泡(14)穿过低漏磁电抗器(2)的中心孔，形成嵌套结构。
12.优选地，快速断路器(1)包括第一输出端子(11)和第二输出端子(12)，第一输出端子(11)和第二输出端子(12)分别与真空泡(14)的两端相连；
13.低漏磁电抗器(2)包括第三输出端子(25)和第四输出端子(26)；
14.第一输出端子(11)与第三输出端子(25)通过铜排(4)相连作为限流器的第一输出引线(a)，第二输出端子(12)与第四输出端子(26)通过铜排(4)相连作为限流器的第二输出引线(a)。
15.优选地，低漏磁电抗器(2)包括2n个线圈(21)，其中n≥2，第一n个线圈(21)呈依次串联关系，排布在同一个圆周上，第一n个线圈(21)与第二n个线圈(21)的串联组并联在第三输出端子(25)与第四输出端子(26)之间，从而在2n个线圈(21)所组成的内环中，形成单一方向的闭合磁通。
16.优选地，低漏磁电抗器(2)包括上盖板(22)、下盖板(23)、m个绝缘固定螺栓(24)，其中m≥3，绝缘固定螺栓(24)对上盖板(22)和下盖板(23)进行连接和固定，使得上盖板(22)和下盖板(23)成一体，同时，绝缘固定螺栓(24)对线圈(21)进行固定和定位。
17.优选地，上盖板(22)和下盖板(23)上有开槽，开槽用于对2n个线圈(21)进行限位固定，2n个线圈(21)以上盖板(22)和下盖板(23)所形成的中心线为中心，对称地排列在一个圆周上。
18.优选地，限流器包括四个绝缘子，绝缘子连接到下盖板(23)以作为低漏磁电抗器(2)的绝缘支撑。
19.本发明还公开了一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，所述限流器为由三个基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器组成的三相限流器，其特征在于：
20.a相限流器包括a相快速断路器(1a)、a相低漏磁电抗器(2a)、a相电流互感器和铜排，a相快速断路器(1a)通过铜排与a相低漏磁电抗器(2a)相并联，形成a相限流器，并联铜排的一端作为a相第一输出引线(a)，另一端作为a相第二输出引线(a)，a相电流互感器套在a相第一输出引线(a)，或a相第二输出引线(a)上用于a相线路电流检测；
21.b相限流器包括b相快速断路器(1b)、b相低漏磁电抗器(2b)、b相电流互感器和铜排，b相快速断路器(1b)通过铜排与b相低漏磁电抗器(2b)相并联，形成b相限流器，并联铜排的一端作为b相第一输出引线(b)，另一端作为b相第二输出引线(b)，b相电流互感器套在b相第一输出引线(b)，或b相第二输出引线(b)上用于b相线路电流检测；
22.c相限流器包括c相快速断路器(1c)、c相低漏磁电抗器(2c)、c相电流互感器和铜排，c相快速断路器(1c)通过铜排与c相低漏磁电抗器(2c)相并联，形成c相限流器，并联铜排的一端作为c相第一输出引线(c)，另一端作为c相第二输出引线(c)，c相电流互感器套在c相第一输出引线(c)，或c相第二输出引线(c)上用于c相线路电流检测；
23.所述a相低漏磁电抗器(2a)、b相低漏磁电抗器(2b)、c相低漏磁电抗器(2c)依次上下叠放，并通过绝缘子支撑和固定形成三相低漏磁电抗器；所述a相快速断路器(1a)、b相快速断路器(1b)、c相快速断路器(1c)并排放置。
24.本发明还公开了一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，所述限流器为由
三个基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器组成的三相限流器，其特征在于：
25.a相限流器包括a相快速断路器(1a)、a相低漏磁电抗器(2a)、a相电流互感器和铜排，a相快速断路器(1a)通过铜排与a相低漏磁电抗器(2a)相并联，形成a相限流器，并联铜排的一端作为a相第一输出引线(a)，另一端作为a相第二输出引线(a)，a相电流互感器套在a相第一输出引线(a)，或a相第二输出引线(a)上用于a相线路电流检测；
26.b相限流器包括b相快速断路器(1b)、b相低漏磁电抗器(2b)、b相电流互感器和铜排，b相快速断路器(1b)通过铜排与b相低漏磁电抗器(2b)相并联，形成b相限流器，并联铜排的一端作为b相第一输出引线(b)，另一端作为b相第二输出引线(b)，b相电流互感器套在b相第一输出引线(b)，或b相第二输出引线(b)上用于b相线路电流检测；
27.c相限流器包括c相快速断路器(1c)、c相低漏磁电抗器(2c)、c相电流互感器和铜排，c相快速断路器(1c)通过铜排与c相低漏磁电抗器(2c)相并联，形成c相限流器，并联铜排的一端作为c相第一输出引线(c)，另一端作为c相第二输出引线(c)，c相电流互感器套在c相第一输出引线(c)，或c相第二输出引线(c)上用于c相线路电流检测；
28.所述a相低漏磁电抗器(2a)、b相低漏磁电抗器(2b)、c相低漏磁电抗器(2c)依次上下叠放，并通过绝缘子支撑和固定形成三相低漏磁电抗器；所述a相快速断路器(1a)、b相快速断路器(1b)、c相快速断路器(1c)并排放置；
29.其中，低漏磁电抗器与快速断路器并排放置。
30.本发明还公开了一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流方法，使用基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，其特征在于：
31.稳态时，控制器对单相限流器初始化，快速断路器(1)闭合，低漏磁电抗器(2)被旁路，线路电流通过快速断路器(1)而导通；
32.发生短路故障时，电流互感器检测到短路电流，控制器触发快速断路器(1)分断，分断过程中，线路电流转移到低漏磁电抗器(2)，从而通过低漏磁电抗器(2)的电抗实现短路电流限制。
33.本发明的主要优点：
34.1.本发明中，快速断路器能在短路故障后第一个电流过零点实现灭弧分断，确保电抗器投入限流，限流速度快；
35.2.本发明中，低漏磁电抗器在线圈内部形成闭合磁通，无论是稳态运行过程中还是限流暂态，对外呈现非常小的漏磁，对周围控制器和监测设备无影响，不会对机柜等产生感应电流，确保设备的运行安全；
36.3.本发明中，采用了低漏磁电抗器，便于实现限流器的紧凑化设计和集成。针对配电网中低压限流器，快速断路器、低漏磁电抗器、控制器、传感器等限流器的部件都可以集成在一个柜体中，便于在变电站等场合的使用。针对输电网的高压限流器，也可以实现在同一个支架或高压平台上的紧凑化集成，低漏磁电抗器的漏磁不会对周围设备造成电磁干扰；
37.4.本发明中的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，结构简单、价格低廉、可靠性高、结构紧凑，便于在变电站等限流场合的推广使用。
附图说明
38.图1为本发明具体实施例1的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的单相限流器原理结构图；
39.图2为本发明具体实施例1的快速断路器原理结构图；
40.图3为本发明具体实施例1的低漏磁电抗器原理结构图；
41.图4为本发明具体实施例1的绝缘子原理结构图；
42.图5为本发明具体实施例1的低漏磁电抗器的横截面剖视图；
43.图6为本发明具体实施例2的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的三相限流器原理结构图；
44.图7为本发明具体实施例3的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的三相限流器原理结构图。
具体实施方式
45.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：
46.如图1所示为本发明的具体实施例1的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的单相限流器原理结构图。包括快速断路器1、低漏磁电抗器2、绝缘子3、控制器(未画出)、电流互感器(未画出)和铜排4。
47.如图2所示为本发明的具体实施例1的快速断路器原理结构图。包括输出端子11和12、绝缘保护套13、真空泡14、绝缘套管15和操作机构16。
48.真空泡14通过绝缘套管15和操作机构16相连组成快速断路器1的主体结构，输出端子11和12分别与真空泡14的两端相连，作为快速断路器1的输出端子。绝缘保护套13套在输出端子12上，起到绝缘保护作用。
49.如图3所示为本发明的具体实施例1的低漏磁电抗器原理结构图。包括线圈21、上盖板22、下盖板23、绝缘固定螺栓24、输出端子25和输出端子26。
50.线圈21由2n个规格相同的线圈组成，n≥2，上盖板22和下盖板23上有开槽，用于对2n个线圈21进行限位固定。绝缘固定螺栓24由m个规格相同的绝缘固定螺栓组成，m≥3，绝缘固定螺栓24连接和固定上盖板22和下盖板23使其成一体的同时，对所有线圈21起到固定和定位作用。2n个线圈21以上盖板22和下盖板23所形成的中心线为中心，对称地排列在一个圆周上。
51.如图4所示为本发明的具体实施例1的绝缘子原理结构图。绝缘子3包括4个规格相同的绝缘子，其顶部设置有螺孔，便于与下盖板23连接，作为低漏磁电抗器2的绝缘支撑。
52.本发明的具体实施例1的一种单相限流器的结构是，真空泡14穿过低漏磁电抗器2的中心孔，形成嵌套结构。其中，输出端子11处于上盖板22的上方，输出端子12处于上盖板23的下方。4个绝缘子3的上端与低漏磁电抗器2的下盖板23通过螺栓相连，形成低漏磁电抗器2的绝缘支撑。快速断路器1的输出端子11与低漏磁电抗器2的输出端子25通过铜排相连作为限流器的一个输出引线a，快速断路器1的输出端子12与低漏磁电抗器2的输出端子26通过铜排相连作为限流器的另一个输出引线a，限流器通过两个输出引线串联接入电网使用。电流互感器套在输出引线a，或输出引线a上用于线路电流检测。
53.本发明的快速断路器1为一种快速断路器，其分闸动作时间在2-10ms，能在短路故
障后第一个电流过零点实现灭弧分断，能够满足低漏磁电抗器2的快速投切，确保电抗器投入限流，限流速度快。
54.如图5所示为低漏磁电抗器的横截面剖视图。线圈21均为多匝线圈，其横截面或是正方形、或是长方形，或是圆型，或是d型，多个线圈21均匀排布在同一个圆周上，图5中的n个线圈21呈依次串联关系，并与另外n个线圈21的串联组并联，并联在输出端子25和输出端子26之间。2n个线圈21的磁通方向相同，都垂直于其线圈的横截面，在2n个线圈21所组成的内环中，形成单一方向的闭合磁通，箭头27代表磁通的方向，由于磁通的闭环，从而无论是稳态运行过程中还是限流暂态，对外呈现低漏磁状态，对周围控制器和监测设备无影响，不会对机柜等产生感应电流，确保设备的运行安全。
55.本发明的单相限流器的工作原理是，稳态时，控制器对单相限流器初始化，快速断路器1闭合，低漏磁电抗器2被旁路，线路电流通过快速断路器1而导通，因此，限流器为零阻抗，是零损耗限流器。一旦发生短路故障，电流互感器检测到短路电流，控制器触发快速断路器1分断，分断过程中，线路电流转移到低漏磁电抗器2，从而通过低漏磁电抗器2的电抗实现短路电流限制。该方法提高了限流器的限流能力，从而达到了比已有短路故障限流器更好的限流效果，提高了电网的运行安全性。
56.如图6所示为本发明具体实施例2的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的三相限流器原理结构图，由本发明实施例1的三个单相限流器组成。
57.a相低漏磁电抗器2a、b相低漏磁电抗器2b和c相低漏磁电抗器2c依次上下叠放，并通过绝缘子支撑和固定形成三相低漏磁电抗器，三相低漏磁电抗器通过绝缘子3固定在支撑板6上面，a相快速断路器1a、b相快速断路器1b、c相快速断路器1c并排放置。a相快速断路器1a通过铜排与a相低漏磁电抗器2a相并联，形成a相限流器，并联铜排的一端作为输出引线a，另一端作为输出引线a，电流互感器(未画出)套在输出引线a，或输出引线a上用于a相线路电流检测。
58.b相快速断路器1b通过铜排与b相低漏磁电抗器2b相并联，形成b相限流器，并联铜排的一端作为输出引线b，另一端作为输出引线b，电流互感器(未画出)套在输出引线b，或输出引线b上用于b相线路电流检测。
59.c相快速断路器1c通过铜排与c相低漏磁电抗器2c相并联，形成c相限流器，并联铜排的一端作为输出引线c，另一端作为输出引线c，电流互感器(未画出)套在输出引线c，或输出引线c上用于c相线路电流检测。
60.a相限流器、b相限流器和c相限流器与具体实施例1相同中本发明的单相限流器的工作原理相同。
61.a相低漏磁电抗器2a、b相低漏磁电抗器2b和c相低漏磁电抗器2c的结构和工作原理与具体实施例1中的低漏磁电抗器2相同。
62.a相快速断路器1a、b相快速断路器1b、c相快速断路器1c的结构和工作原理与具体实施例1中的快速断路器1相同。
63.如图7所示为本发明具体实施例3的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的三相限流器原理结构图，由本发明实施例1的三个单相限流器组成。
64.a相低漏磁电抗器2a、b相低漏磁电抗器2b和c相低漏磁电抗器2c依次上下叠放，并通过绝缘子支撑和固定形成三相低漏磁电抗器，其中，三相低漏磁电抗器与快速断路器并
排放置，以便于实现限流器的紧凑化设计和集成；a相快速断路器1a、b相快速断路器1b、c相快速断路器1c并排放置。a相快速断路器1a通过铜排与a相低漏磁电抗器2a相并联，形成a相限流器，并联铜排的一端作为输出引线a，另一端作为输出引线a，电流互感器(未画出)套在输出引线a，或输出引线a上用于a相线路电流检测。
65.b相快速断路器1b通过铜排与b相低漏磁电抗器2b相并联，形成b相限流器，并联铜排的一端作为输出引线b，另一端作为输出引线b，电流互感器(未画出)套在输出引线b，或输出引线b上用于b相线路电流检测。
66.c相快速断路器1c通过铜排与c相低漏磁电抗器2c相并联，形成c相限流器，并联铜排的一端作为输出引线c，另一端作为输出引线c，电流互感器(未画出)套在输出引线c，或输出引线c上用于c相线路电流检测。
67.a相限流器、b相限流器和c相限流器与具体实施例1相同中本发明的单相限流器的工作原理相同。
68.a相低漏磁电抗器2a、b相低漏磁电抗器2b和c相低漏磁电抗器2c的结构和工作原理与具体实施例1中的低漏磁电抗器2相同。
69.a相快速断路器1a、b相快速断路器1b、c相快速断路器1c的结构和工作原理与具体实施例1中的快速断路器1相同。
70.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，
71.1.本发明中，快速断路器能在短路故障后第一个电流过零点实现灭弧分断，确保电抗器投入限流，限流速度快；
72.2.本发明中，低漏磁电抗器在线圈内部形成闭合磁通，无论是稳态运行过程中还是限流暂态，对外呈现非常小的漏磁，对周围控制器和监测设备无影响，不会对机柜等产生感应电流，确保设备的运行安全；
73.3.本发明中，采用了低漏磁电抗器，便于实现限流器的紧凑化设计和集成。针对配电网中低压限流器，快速断路器、低漏磁电抗器、控制器、传感器等限流器的部件都可以集成在一个柜体中，便于在变电站等场合的使用。针对输电网的高压限流器，也可以实现在同一个支架或高压平台上的紧凑化集成，低漏磁电抗器的漏磁不会对周围设备造成电磁干扰；
74.4.本发明中的一种基于低漏磁电抗器和快速断路器的限流器，结构简单、价格低廉、可靠性高、结构紧凑，便于在变电站等限流场合的推广使用。
75.本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。