本發(fā)明屬于供電系統(tǒng)的短路限流保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，更具體的，涉及一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器。

背景技術(shù)：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，短路電流不斷攀升，甚至?xí)^現(xiàn)有斷路器的遮斷容量，這對(duì)各種電氣設(shè)備的危害也越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的限流措施，比如采用直流聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電抗接地和提高斷路器的遮斷容量等，然可以對(duì)短路電流加以不同程度的限制，但同時(shí)也會(huì)帶來這樣或那樣的負(fù)面影響，所以對(duì)故障電流限制器（faultcurrentlimiter,fcl）的研究勢(shì)在必行；fcl大致可分為材料型和非材料型兩種類型：材料型fcl是根據(jù)自身阻值會(huì)隨溫度變化這一特性來達(dá)到限流目的，如超導(dǎo)體fcl和ptc電阻fcl等，但散熱和冷卻費(fèi)用過于昂貴，所以材料型fcl目前只能應(yīng)用于中低壓電網(wǎng)中；非材料型fcl則是采用改變自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)其等值阻抗的方法來進(jìn)行限流，如磁飽和型fcl、固態(tài)fcl、諧振型fcl等；從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)層面考慮，非材料型fcl更適合應(yīng)用于高壓電網(wǎng)中。

最初提出的串聯(lián)電抗器型fcl是將電抗器與快速開關(guān)并聯(lián)，線路正常工作時(shí)快速開關(guān)閉合，電抗器被短路，fcl對(duì)線路沒有任何影響，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，快速開關(guān)斷開，電抗器被接入線路中起到限流作用，但由于電抗器剛接入時(shí)電流不能突變，相當(dāng)于開路，所以在開關(guān)兩端會(huì)產(chǎn)生很高的過電壓，可能使得開關(guān)處產(chǎn)生電弧，則開關(guān)不能正常開斷，fcl起不到良好的限流作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明專利克服了現(xiàn)有技術(shù)條件的不足，提供了一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器，其特征在于，所述裝置由快速開關(guān)k，充電電容c，限流電感l，整流二極管d1、d2、d3、d4，可控火花間隙sg，保護(hù)用zno避雷器組成；線路正常運(yùn)行時(shí)，快速開關(guān)k處于閉合狀態(tài)，限流電感和全橋整流電容充電回路被完全短路，此時(shí)所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器幾乎不消耗任何有功功率，也無需任何無功功率維持其狀態(tài)，對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行沒有任何影響。當(dāng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，快速開關(guān)迅速斷開，經(jīng)過由d1-d4和電容器組成的支路的短暫穩(wěn)壓和換流后，短路電流被完全轉(zhuǎn)移到限流電感上，此時(shí)無論是開關(guān)還是由d1-d4和電容器組成的支路都視為斷路狀態(tài)，所述裝置的等效阻抗就等于限流電感阻抗，通過對(duì)電感取值不同，從而實(shí)現(xiàn)不同的限流效果；zno避雷器為整個(gè)一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器提供暫態(tài)過電壓保護(hù)，可控火花間隙sg用于防止避雷器受到短時(shí)穩(wěn)態(tài)過電壓的作用而損壞。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的技術(shù)方案，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器將快速開關(guān)、限流電感和全橋整流電容充電回路并聯(lián)；通過調(diào)節(jié)限流電感的大小來改變限流系數(shù)，調(diào)節(jié)電容的大小來改變換流時(shí)間。

附圖說明

圖1為本發(fā)明專利fcl拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明專利電源電壓us和線路電流is波形圖。

圖3為本發(fā)明專利安裝有fcl時(shí)a相的短路電流波形圖。

圖4為本發(fā)明專利安裝有fcl時(shí)a相的母線電壓波形圖。

圖5為本發(fā)明專利a相母線電壓諧波分析圖。

圖6為本發(fā)明專利電容c上電壓波形圖。

圖7為本發(fā)明專利電容c上電流波形圖。

圖8為本發(fā)明專利二極管d1電壓波形圖。

圖9為本發(fā)明專利二極管d1電流波形圖。

圖10為本發(fā)明專利電容充電電壓ucmax與電容c的變化關(guān)系圖。

圖11為本發(fā)明專利線路電流峰值ismax與電容c的變化關(guān)系圖。

圖12為本發(fā)明專利串聯(lián)電抗器型fcl的l上電壓波形圖。

圖13為本發(fā)明專利fcl的l上電壓波形圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施方法，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方法僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

在系統(tǒng)中沒有限流器時(shí)系統(tǒng)的短路電流為if，限流器投入限流后的短路電流為il，系統(tǒng)電源側(cè)總阻抗為rs+jxs=rs+jωls，且rs??xs，則系統(tǒng)電源側(cè)總等效阻抗約為系統(tǒng)電抗xs，假設(shè)限流器的等效電抗為xfcl，則限流系數(shù)α可以定義為：

由上式可求得限流器等效電抗為：

由此fcl的限流原理可知，xfcl大小即為限流電感l的電抗值，所以有：

由以上三式即可確定限流電感l的大小。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器以電源電壓某一過零點(diǎn)時(shí)刻t0為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，在t0后某一段時(shí)間t1時(shí)刻發(fā)生短路故障，對(duì)應(yīng)線路電流的相位為ωt1-?[0]，在t2時(shí)刻k斷開，在t3時(shí)刻電容c充電結(jié)束，則可設(shè)電源電壓為us=umsinωt，并設(shè)負(fù)載阻抗為r+jx；圖2中以短路發(fā)生在線路電流is已過峰值時(shí)刻為例；當(dāng)t1≤t≤t2時(shí)，即在短路發(fā)生時(shí)刻到開關(guān)k斷開之前，此為短路發(fā)生后的第一階段；線路上電流為：

式中，

當(dāng)t2≤t≤t3時(shí)，即從開關(guān)k斷開到電容c充電結(jié)束，此為短路發(fā)生后的第二階段；則k斷開后，由kvl得：

整理得：

設(shè)對(duì)應(yīng)齊次方程的特征方程表達(dá)式為：

整理得：

解得：

所以線路電流：

c上最終充電電壓為：

當(dāng)t≥t3時(shí)，即電容c完全退出電路，只有電感l參與限流，此為短路發(fā)生后的第三階段。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器以一無限大功率電源供電的配電系統(tǒng)為例，利用matlab/simulink中的sps模塊對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行短路仿真，線路在0.1s時(shí)發(fā)生三相短路，以a相為例進(jìn)行說明，且快速開關(guān)在發(fā)生故障后2ms斷開，所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器正式投入限流。由圖3可知，短路電流暫態(tài)峰值被限制到4.1ka左右，僅為之前未加fcl時(shí)的26.8%，大大降低了短路電流峰值，有效保障線路設(shè)備的動(dòng)穩(wěn)定性，斷路器也可正常開斷；由圖4可知，母線電壓穩(wěn)態(tài)峰值維持在7.34kv左右，而由圖5知，母線電壓雖有畸變，但諧波分量僅為4.07%，所以母線上其他用電設(shè)備不會(huì)受到嚴(yán)重影響。

由圖6可知，快速開關(guān)斷開后，電流迅速轉(zhuǎn)移到全橋整流電容充電回路，電容c快速充電，電壓很快達(dá)到11kv，而后穩(wěn)定在該值不變，由圖7可知，c上電流先迅速增加到2.57ka，而后電流又迅速降到零，表明充電結(jié)束。

由圖8可知，c充電結(jié)束后，二極管d1上反向電壓峰值迅速達(dá)到10kv，而后逐漸下降，最后穩(wěn)定在9.3kv左右，由圖9可知，d1上電流先迅速達(dá)到2.57ka，而后快速下降到零。

當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，限流器中l和c的取值直接影響限流效果，間接影響線路、設(shè)備和器件的選擇，所以l與c之間的配合關(guān)系至關(guān)重要，此處以對(duì)c上充電電壓ucmax和線路電流峰值ismax的影響為例進(jìn)行分析。本例中系統(tǒng)電感ls歸算到低壓側(cè)時(shí)大約為2mh，又因?yàn)橐骹cl應(yīng)把短路電流穩(wěn)態(tài)峰值限制到未安裝fcl時(shí)的50%以下，所以限流電感l取值應(yīng)大于2mh，本例中取l為10mh。如圖10可知，當(dāng)l一定時(shí)，隨著c的增加，ucmax先急劇下降，當(dāng)達(dá)到400μf時(shí)變化緩慢，基本在11kv左右保持不變。如圖11可知，隨著c的增加，ismax先是變化緩慢，基本在4.1ka左右保持不變，當(dāng)達(dá)到800μf時(shí)才有明顯的上升趨勢(shì)，而后隨著c的增加急劇上升，所以綜合考慮c應(yīng)取值在400~700μf之間。

由圖12可知，快速開關(guān)斷開后，l上電壓峰值突變至540kv，如此高的過電壓很可能在快速開關(guān)斷口處產(chǎn)生電弧，則開關(guān)不能正常開斷，l又相當(dāng)于被短路，fcl起不到限流效果。由圖13可知由于全橋整流電容充電回路的自然換流作用，開關(guān)開斷瞬間，由于電容c上電壓不能突變，則保證l上電壓也不會(huì)突變，而后電壓峰值僅為11kv，開關(guān)觸頭早已達(dá)到安全開斷距離，不會(huì)引起電弧，保證了開關(guān)的正常開斷和l的快速限流。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器不影響線路的正常工作。當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器的限流電感能快速投入，大大降低短路電流峰值和穩(wěn)態(tài)值，且顯著減少母線電壓降落。所述裝置采用機(jī)械式快速開關(guān)，動(dòng)作速度快，通流容量大，且不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。由于所述裝置中全橋整流電容充電回路的存在，開關(guān)能夠安全斷開，不會(huì)產(chǎn)生電弧，且由于電容c處于整流狀態(tài)，所以所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器不會(huì)與系統(tǒng)電感ls發(fā)生串聯(lián)諧振，以免造成更嚴(yán)重的危害。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施方法而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所做的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。