專利名稱：一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于對電力系統(tǒng)短路電流進(jìn)行限制的故障限流器，特別涉及一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，屬于柔性交流輸電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)容量和規(guī)模的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)短路故障電流的數(shù)值也不斷提高，大的短路電流已成為制約電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的重要因素之一，限制電力系統(tǒng)短路電流已成為重要的問題。為此各種類型的故障限流器開始出現(xiàn)。
目前故障限流器主要分為二大類第一類是采用功率電子器件控制線路阻抗的限流器；第二類是采用具有特殊性質(zhì)的材料作為限流器的基本限流部件，例如超導(dǎo)材料和具有正溫度系數(shù)(PTC)的聚合材料等。
第一類故障限流器保護(hù)電路的基本思想是在正常負(fù)載情況下所呈現(xiàn)的是低阻抗，但是在故障發(fā)生時(shí)，動作保護(hù)就會呈現(xiàn)出大的阻抗值以限制故障電流，將故障電流限制在斷路器正常工作范圍內(nèi)。主要缺點(diǎn)是由于電力系統(tǒng)電壓高電流大，所以控制元件(比如整流管、可控硅、GTO等)需要多個(gè)串并聯(lián)，導(dǎo)致造價(jià)高、控制復(fù)雜、體積與重量大以及運(yùn)行損耗大等等。
第二類故障限流器分超導(dǎo)材料類和具有正溫度系數(shù)(PTC)材料類。超導(dǎo)故障限流器保護(hù)電路的基本思想是當(dāng)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，傳輸電流在超導(dǎo)體臨界電流以下，超導(dǎo)體的電阻幾乎為零，對電力系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生影響。一旦電網(wǎng)發(fā)生短路，短路電流大于臨界電流時(shí)，超導(dǎo)體瞬時(shí)失超產(chǎn)生非線性高電阻，從而有效地限制短路電流。主要缺點(diǎn)是造價(jià)高、冷卻導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用高以及與電力系統(tǒng)現(xiàn)有的斷路器和繼電保護(hù)配合復(fù)雜等等。正溫度系數(shù)(PTC)的聚合材料作為故障限流器保護(hù)電路的基本思想是當(dāng)故障電流流過時(shí)，正溫度系數(shù)(PTC)的聚合材料能快速增大自身阻值，限制和切斷故障電流，通常其阻值可以提高8到10個(gè)數(shù)量級的正常運(yùn)行時(shí)的阻值。正溫度系數(shù)(PTC)的聚合材料具有隨溫度升高其阻值會增加的能力，溫度的升高是由于電流在PTC電阻上的功率損耗所引起的。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，PTC呈現(xiàn)低阻值，額定電流全部通過PTC電阻，此時(shí)PTC電阻上的功率損耗很低。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，電流大于臨界電流值而急劇上升，則功率也相應(yīng)急劇上升，引起溫度升高，從而PTC的阻值隨溫度的升高而迅速上升，以限制和切斷故障電流。主要缺點(diǎn)是PTC電阻比較容易受外界因素的影響；限流時(shí)過電壓問題比較嚴(yán)重；由于單個(gè)PTC電阻元件的額定電壓和額定電流不大，所以在電力系統(tǒng)中要由多個(gè)元件串并聯(lián)組合而成，造成造價(jià)高、控制復(fù)雜以及體積與重量較大等等。
根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的需要，在發(fā)生短路故障之后，要求對短路電流有所限制，但短路電流必須保持在一個(gè)較大的數(shù)值(如6倍、10倍左右的正常工作電流)上一段時(shí)間，以滿足電力系統(tǒng)繼電保護(hù)動作的需要。為此，目前的故障限流器普遍為了和現(xiàn)有線路繼電保護(hù)配合而在故障限流器旁再并聯(lián)一個(gè)旁路電抗，造成整個(gè)設(shè)備體積與重量較大，造價(jià)較高。


發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有故障限流器技術(shù)上的不足，本發(fā)明提供了一種新的故障限流器，這就是具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器。為了敘述方便，下面文章中簡稱為本發(fā)明限流器。
一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，含有補(bǔ)償電容器、變壓器、限流電阻、固態(tài)控制開關(guān)；變壓器的一次側(cè)與電容器并聯(lián)，變壓器的二次側(cè)與限流電阻和固態(tài)開關(guān)組成的串聯(lián)電路并聯(lián)。
本發(fā)明限流器通過M、N端口串接在電力系統(tǒng)的線路中。
本發(fā)明限流器的最大優(yōu)點(diǎn)在于在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明相當(dāng)于串聯(lián)電容對線路電抗起串聯(lián)補(bǔ)償作用。借串聯(lián)補(bǔ)償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，同時(shí)又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在電力系統(tǒng)故障時(shí)，通過固態(tài)開關(guān)的閉合，本發(fā)明故障限流器發(fā)生并聯(lián)諧振，從而限制了短路電流。



圖1為本發(fā)明限流器電路示意圖； 圖2為本發(fā)明限流器在電力系統(tǒng)中接線示意圖； 圖3為本發(fā)明限流器等值電路圖； 圖4為本發(fā)明限流器在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的等值電路圖； 圖5為本發(fā)明限流器在電力系統(tǒng)短路故障時(shí)的等值電路圖； 圖6為本發(fā)明限流器在電力系統(tǒng)短路故障時(shí)的簡化等值電路示意圖。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明限流器作進(jìn)一步說明。

具體實(shí)施例方式 實(shí)施例1 本發(fā)明限流器電路如圖1所示。其中1為補(bǔ)償電容器C，2為變壓器T，3為固態(tài)控制開關(guān)V，4為限流電阻R。變壓器2的一次側(cè)與電容器1并聯(lián)，變壓器2的二次側(cè)與限流電阻4和固態(tài)開關(guān)3組成的串聯(lián)電路并聯(lián)。本發(fā)明限流器通過M、N端口串接在電力系統(tǒng)的線路中。
本發(fā)明限流器在電力系統(tǒng)中接線示意圖如圖2所示。其中電力系統(tǒng)等值電源為G、電源等值內(nèi)阻抗為rS+jxS、DL為斷路器、輸電線路的等值阻抗為rL+jxL、負(fù)荷等值阻抗為ZLD。
本發(fā)明限流器等值電路圖如圖3所示。變壓器2的等值電路采用T型等值電路，由一次側(cè)繞組電阻r1和漏抗x1，勵磁繞組阻抗rm+jxm以及二次側(cè)繞組歸算到一次側(cè)后的繞組電阻r2和漏抗x2組成。勵磁繞組阻抗rm+jxm在數(shù)值上一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次側(cè)繞組阻抗r1+jx1以及二次側(cè)繞組歸算后的阻抗r2+jx2。r為R歸算到一次側(cè)的阻值。
本發(fā)明限流器的工作原理如下 電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，如圖2所示，固態(tài)開關(guān)V關(guān)斷，變壓器T的二次側(cè)相當(dāng)于開路。本發(fā)明限流器等值電路如圖4所示。由于補(bǔ)償電容器C和變壓器T的一次側(cè)并聯(lián)，而變壓器的勵磁阻抗rm+jxm與一次側(cè)阻抗r1+jx1的總和一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于補(bǔ)償電容器C的容抗，所以這時(shí)補(bǔ)償電容器C和變壓器T的一次側(cè)并聯(lián)電路為容性。
這時(shí)在圖2中，本發(fā)明限流器相當(dāng)于串聯(lián)電容對線路電抗jxL起串聯(lián)補(bǔ)償作用。在電力系統(tǒng)中線路上串聯(lián)電容的優(yōu)點(diǎn)是借串聯(lián)補(bǔ)償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，同時(shí)又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，在正常運(yùn)行時(shí)固態(tài)開關(guān)V關(guān)斷，所以固態(tài)開關(guān)V的功率消耗不大。
當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，在圖2中，比如輸電線路某處發(fā)生短路故障，檢測電路控制固態(tài)開關(guān)V閉合，限流電阻R經(jīng)固態(tài)開關(guān)V與變壓器T的二次側(cè)并聯(lián)，本發(fā)明限流器等值電路如圖5所示(圖中忽略固態(tài)開關(guān)V的壓降)。在設(shè)計(jì)本發(fā)明限流器時(shí)，選擇合適的補(bǔ)償電容器C和變壓器T參數(shù)與限流電阻R，使補(bǔ)償電容器C和變壓器T與限流電阻R組成的系統(tǒng)在額定工頻頻率50Hz附近(一般電力系統(tǒng)頻率容許變化范圍為49.5-50.5Hz)發(fā)生并聯(lián)諧振，這時(shí)諧振阻抗較大，對短路故障電流起到了限流作用。
本發(fā)明限流器的最大優(yōu)點(diǎn)在于在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電力系統(tǒng)的工作電流主要流過電容器C，這樣可以起到借串聯(lián)補(bǔ)償電容抵償部分或是全部線路電感的作用；而在電力系統(tǒng)短路故障時(shí)，并聯(lián)諧振又可以產(chǎn)生較大阻抗以限制短路電流，通過調(diào)節(jié)并聯(lián)諧振阻抗數(shù)值還可以使現(xiàn)有電力系統(tǒng)繼電保護(hù)正常工作。
圖6為圖5等值電路的簡化等值電路。一般而言，由于勵磁繞組阻抗rm+jxm在數(shù)值上遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于r+r2+jx2，所以可以忽略rm+jxm的影響。這樣 R∑＝r1+r2+r X∑＝x1+x2＝j(luò)ωL(1) 在圖6中，電流滿足 其中，

為N端與M端間的電壓。
并聯(lián)諧振的條件是上式虛部為0，所以當(dāng)發(fā)生并聯(lián)諧振時(shí) 由于并聯(lián)諧振的頻率為50Hz ω0＝2πf0＝314 推出并聯(lián)諧振的參數(shù)關(guān)系式 這時(shí)，N端與M端間的阻抗達(dá)到最大，為 為純阻性。根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)正常運(yùn)行對短路電流值的要求，可以計(jì)算出所要求的故障限流器的ZCT。
當(dāng)發(fā)生諧振時(shí)，電流為 IC0＝ω0C0U 此時(shí)盡可能降低IL0的數(shù)值，這樣可使變壓器T容量下降，既降低了造價(jià)，又使變壓器體積與重量大為縮小。
以上公式中，參數(shù)下腳標(biāo)的0代表并聯(lián)諧振時(shí)的數(shù)值。
實(shí)施例2 如圖1所示。本發(fā)明限流器中固態(tài)開關(guān)V可以選擇可控硅、GTO等大功率可控器件。檢測與判定電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障和檢測與判定電力系統(tǒng)短路故障消失以及控制固態(tài)開關(guān)器件的裝置，由于公知的這類成熟的裝置非常多，所以本發(fā)明限流器對此不做詳細(xì)說明。由于變壓器T的變比對等值電路(如圖3、圖5)中的r、r2、jx2影響較大，所以設(shè)計(jì)選取變壓器T時(shí)必須考慮變比。合適的變比也能降低電力系統(tǒng)故障時(shí)變壓器T二次側(cè)電壓，也就降低了固態(tài)開關(guān)V的成本。
實(shí)施例3 如圖2所示，本發(fā)明限流器連接于需要限流的輸電線路首端，線路首端的斷路器DL后面。
對于單相電力系統(tǒng)，本發(fā)明限流器中變壓器T為單相雙繞組變壓器。
對于三相電力系統(tǒng)，本發(fā)明限流器的變壓器T為三相雙繞組變壓器，電容C為3個(gè)，分別并接于變壓器T的一次側(cè)A、B、C相上；限流電阻R和固態(tài)開關(guān)V組成的串聯(lián)電路也為3個(gè)，分別并接于變壓器T的二次側(cè)a、b、c相上。
實(shí)施例4 參數(shù)C、R、變壓器的參數(shù)r1、x1、r2、x2選擇 在圖2中，根據(jù)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)正常運(yùn)行對短路電流值的要求，可以計(jì)算出所要求的故障限流器的ZCT。
根據(jù)輸電線路調(diào)壓的要求，選擇合適的C； 當(dāng)C選定以后，選擇合適的變壓器T，既要滿足正常運(yùn)行時(shí)rm+jxm遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C的容抗，又要滿足在電力系統(tǒng)短路故障時(shí)，二次側(cè)的電壓不是特別高(選擇合適的變壓器變比)，這樣有利于降低對固態(tài)開關(guān)V的參數(shù)要求，降低成本和提高可靠性。變壓器的參數(shù)r1、x1、r2、x2隨著變壓器T的選定而確定。
最后，在選定C和T后，根據(jù)公式(1)和公式(2)，計(jì)算R。
總之，按照公式(1)、(2)、(3)、(4)來選擇參數(shù)C、R和變壓器，首先要保證電力系統(tǒng)短路時(shí)候能使短路電流限制在合適的范圍內(nèi)，同時(shí)又能滿足既有電力系統(tǒng)繼電保護(hù)正常運(yùn)行對短路電流值的要求；其次是要滿足對固態(tài)開關(guān)V的參數(shù)要求不能太高以降低成本和提高可靠性；再次就是盡可能降低變壓器的容量，以減少變壓器的體積與重量，降低造價(jià)。最后盡可能使電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，能給線路最大的補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1、一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，其特征是由補(bǔ)償電容器，變壓器，限流電阻，固態(tài)控制開關(guān)組成；變壓器的一次側(cè)與電容器并聯(lián)，變壓器的二次側(cè)與限流電阻和固態(tài)開關(guān)組成的串聯(lián)電路并聯(lián)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，其特征在于所述故障限流器是通過M、N端口串接在電力系統(tǒng)的線路中。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，其特征在于所述故障限流器，在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，相當(dāng)于串聯(lián)在線路中的電容對線路電抗起串聯(lián)補(bǔ)償作用；在電力系統(tǒng)故障運(yùn)行時(shí)，在額定工頻頻率50Hz附近發(fā)生并聯(lián)諧振，這時(shí)諧振阻抗較大，起到了短路故障限流作用。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，其特征在于所述固態(tài)控制開關(guān)是可控硅、GTO大功率可控器件，在正常運(yùn)行時(shí)固態(tài)開關(guān)V關(guān)斷，所以固態(tài)開關(guān)V的功率消耗不大。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，對于單相電力系統(tǒng)，其特征在于變壓器T為單相雙繞組變壓器。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，對于三相電力系統(tǒng)，其特征在于變壓器T為三相雙繞組變壓器，電容C為3個(gè)，分別并接于變壓器T的一次側(cè)A、B、C相上；限流電阻R和固態(tài)開關(guān)V組成的串聯(lián)電路也為3個(gè)，分別并接于變壓器T的二次側(cè)a、b、c相上。
全文摘要
一種具有串聯(lián)補(bǔ)償功能的并聯(lián)諧振式短路故障限流器，屬于柔性交流輸電技術(shù)領(lǐng)域。電力系統(tǒng)短路故障電流的數(shù)值不斷提高，短路故障對電力系統(tǒng)及與其相連的電氣設(shè)備的破壞性越來越大。目前大的短路電流已成為制約電網(wǎng)運(yùn)行和發(fā)展的重要因素之一，限制電力系統(tǒng)短路電流已成為重要的問題。由補(bǔ)償電容器C，變壓器T，限流電阻R，固態(tài)控制開關(guān)V組成。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，本發(fā)明相當(dāng)于串聯(lián)電容對線路電抗起串聯(lián)補(bǔ)償作用。借串聯(lián)補(bǔ)償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網(wǎng)中產(chǎn)生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，同時(shí)又提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。在電力系統(tǒng)故障時(shí)，通過固態(tài)開關(guān)V的閉合，故障限流器發(fā)生并聯(lián)諧振，從而限制了短路電流。
文檔編號H02H9/02GK101609982SQ20091008964
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月27日
發(fā)明者劉平竹 申請人:北京交通大學(xué)