專利名稱：一種短路故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種短路故障限流器，特別涉及輸配電網(wǎng)的故障限流器。
背景技術(shù)：
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力的需求不斷增加，帶動(dòng)了電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，單機(jī)和發(fā)電廠容量、變電所容量、城市和工業(yè)中心負(fù)荷不斷增加，就使得電力系統(tǒng)之間互聯(lián)，各級(jí)電網(wǎng)中的短路電流水平不斷提高，短路故障對(duì)電力系統(tǒng)及其相連的電氣設(shè)備的破壞性也越來越大。而且，在對(duì)電能的需求量日益增長(zhǎng)的同時(shí)，人們對(duì)電能質(zhì)量、供電可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而，大電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性問題比較突出，其中最重要的原因之一是由于常規(guī)電力技術(shù)缺乏行之有效的短路故障電流限制技術(shù)。目前，世界上廣泛采用斷路器對(duì)短路電流全額開斷，由于短路電流水平與系統(tǒng)的容量直接相關(guān)，在斷路器的額定開斷電流水平一定的情況下，采用全額開斷短路電流將會(huì)限制電力系統(tǒng)的容量的增長(zhǎng)，并且斷路器價(jià)格昂貴且其價(jià)格隨其額定開斷電流的增加而迅速上升。隨著電網(wǎng)容量和規(guī)模的擴(kuò)大，這一問題將變得更為嚴(yán)重。
短路故障限流器為這一問題的解決提供了新思路。比如，固態(tài)短路故障限流器它在檢測(cè)到短路故障時(shí)，通過快速改變故障電網(wǎng)的阻抗和感抗參數(shù)，可以將故障電流限制在較低的水平，以保護(hù)電力設(shè)備，并保證在已有斷路器遮斷能力的前提下切斷短路故障。美國(guó)發(fā)明專利US 4490769和中國(guó)發(fā)明專利ZL 96 123001.0都提出了短路故障限流器結(jié)構(gòu)，其電路主要是由構(gòu)成整流橋的二極管或晶閘管、限制故障電流的直流電抗器和偏壓電源等組成。在正常運(yùn)行時(shí)，限流器對(duì)電網(wǎng)無壓降、幾乎無功耗；一旦系統(tǒng)發(fā)生短路故障，當(dāng)電網(wǎng)電流達(dá)到直流電抗器的電流時(shí)，電抗器便自動(dòng)串入線路對(duì)故障電流及其上升率進(jìn)行限制，從而使故障電流限制在一定的水平，以保證斷路器及時(shí)切斷故障電流。這樣，可以通過短路故障限流器配合斷路水平較低的斷路器來實(shí)現(xiàn)較高水平的故障電流切斷操作。同時(shí)，該限流器也可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)重合閘。美國(guó)發(fā)明專利US 4490769的技術(shù)方案如圖1a和b所示，其主電路由二極管T1、T2、T3、T4，直流電感L和偏壓電源Vb組成。在發(fā)生短路故障時(shí)，均可以無延時(shí)地自動(dòng)投入線路，對(duì)故障電流及其上升率進(jìn)行限制。
但是，已有的固態(tài)短路故障限流器仍然存在許多不足之處，只有在電網(wǎng)電流達(dá)到磁體電流時(shí)，其限流磁體(L0)才會(huì)自動(dòng)串入電網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)限流，并且，隨著磁體電流的不斷增大，磁體的限流能力不斷減小。嚴(yán)格地說，二極管組成的橋路無法實(shí)現(xiàn)真正的限流，必須采用可控開關(guān)管，如圖1b所示，通過控制，減小整流橋橋臂上的開關(guān)管的導(dǎo)通角來增大磁體的放電時(shí)間，從而達(dá)到較好的限流效果。同時(shí)，流過偏壓電源的電流往往是電網(wǎng)電流的2～3倍，而且必須滿足非故障態(tài)和故障態(tài)的電流變化的要求，因此，偏壓電源的實(shí)現(xiàn)有一定的技術(shù)難度和較高的成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種用于輸配電網(wǎng)的混合型短路故障限流器，它不但能夠自動(dòng)串入線路限制故障電流，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案本發(fā)明包括現(xiàn)有超導(dǎo)故障限流器SFCL和由繞組L1、L2組成的互感器ML，互感器ML的一個(gè)繞組L2與現(xiàn)有超導(dǎo)故障限流器SFCL串聯(lián)，然后與繞組L1并聯(lián)，組成混合短路故障限流器。其中，互感器ML采用矩形閉合鐵芯，兩繞組L1、L2的磁勢(shì)相反。
本發(fā)明可以是單相短路故障限流器結(jié)構(gòu)、也可以是三個(gè)單相短路故障限流器應(yīng)用于三相系統(tǒng)而組成三相短路故障限流器結(jié)構(gòu)，還可以是優(yōu)化的三相短路故障限流器結(jié)構(gòu)；可以是單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器結(jié)構(gòu)、也可以是三個(gè)單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器應(yīng)用于三相系統(tǒng)而組成三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器結(jié)構(gòu)、還可以是優(yōu)化的三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明不但可以限制故障電流峰值，而且可以限制故障電流穩(wěn)態(tài)值。本發(fā)明通過超導(dǎo)限流器的阻抗隨電流的變化特性，調(diào)節(jié)互感，達(dá)到限制故障電流的作用，提高了限流器的限流能力，從而獲得比已有短路故障限流器更好的限流效果。
2、本發(fā)明中通過超導(dǎo)故障限流器的阻抗變化來調(diào)節(jié)互感器的磁勢(shì)，達(dá)到改變并聯(lián)回路的限流阻抗的作用，不需要外加控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)。因此，該故障限流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，且可靠性高。
3、本發(fā)明中超導(dǎo)故障限流器輕型化，大幅度降低了系統(tǒng)的制造成本和運(yùn)行費(fèi)用。在超導(dǎo)限流器輕型化的同時(shí)，限流器的制造成本大幅度下降，同時(shí)，其低溫系統(tǒng)和運(yùn)行費(fèi)用也大幅度削減。
4、本發(fā)明的限流器對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)影響小。由于互感器的磁勢(shì)相互抵消，而超導(dǎo)限流器的穩(wěn)態(tài)阻抗為零，所以本發(fā)明的限流器在穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的影響很小。同時(shí)，也不會(huì)造成電網(wǎng)電流波形畸變。穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于已有的故障限流器。
5、本發(fā)明有利于實(shí)現(xiàn)大型故障限流器。由于超導(dǎo)限流器輕型化，降低了大型限流器制作的技術(shù)難度和成本，使得本發(fā)明的限流器更容易大型化，更有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。


圖1a、圖1b為已有的短路故障限流器的電路原理示意圖；圖2為本發(fā)明具體實(shí)施例1電路原理示意圖；圖3為本發(fā)明具體實(shí)施例1的超導(dǎo)故障限流器的阻抗特征波形；圖4為本發(fā)明具體實(shí)施例1的等效電路圖；圖5為本發(fā)明具體實(shí)施例1的穩(wěn)態(tài)等效電路圖；圖6為本發(fā)明具體實(shí)施例1的故障限流等效電路圖；圖7為本發(fā)明具體實(shí)施例2電路原理示意圖；圖8為本發(fā)明具體實(shí)施例3電路原理示意圖；圖9為本發(fā)明具體實(shí)施例4電路原理示意圖；圖10為本發(fā)明具體實(shí)施例5電路原理示意圖；圖11為本發(fā)明具體實(shí)施例6電路原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述如圖2所示，本發(fā)明的具體實(shí)施例1為單相的短路故障限流器。由一個(gè)小型超導(dǎo)故障限流器SFCL和一個(gè)由繞組L1、L2和矩形閉合鐵芯Core組成的互感器ML，構(gòu)成單相的短路故障限流器。互感器ML的一個(gè)繞組L2與超導(dǎo)故障限流器SFCL串聯(lián)，然后與繞組L1并聯(lián)。其中，兩繞組L1、L2的磁勢(shì)相反。超導(dǎo)故障限流器SFCL可以是電阻式或直流電抗型超導(dǎo)故障限流器。SW為斷路器，UAC為線路交流電源，RL為負(fù)載等效電阻。
圖3所示為本發(fā)明中的超導(dǎo)故障限流器SFCL的阻抗特征波形。如圖3所示，超導(dǎo)故障限流器SFCL可以是電阻式或直流電抗型超導(dǎo)故障限流器，其輸出電阻RSFCL隨電流I2而呈非線性變化趨勢(shì)，當(dāng)電流I2小于某一電流值I0時(shí)，輸出電阻RSFCL近似為零；當(dāng)電流I2大于某一電流值I0時(shí)，輸出電阻RSFCL迅速增大，而且電流I2越大，輸出電阻RSFCL越大。
圖4所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例1為單相的短路故障限流器的等效電路圖。圖中各變量的定義如下I——線路電流；R1——繞組L1的等效電阻；R2——繞組L2的等效電阻；M——繞組L1、L2的互感，M=L1L2;]]>I1——繞組L1的電流；
I2——繞組L2的電流；ω——電源的角頻率；其中，R1＜＜RL，R2＜＜RL，I＝I1+I2。繞組L1和L2的感抗分別為jωL1和jωL2，其互感電壓分別為jωMI2和jωMI1。
線路無故障，即穩(wěn)態(tài)時(shí)，線路電流I較小，超導(dǎo)故障限流器的輸出電阻RSFCL約為零，假設(shè)常數(shù)k，并且滿足R2＝kR1，且L2=kL1.]]>則互感器ML中的磁勢(shì)相互抵消，則本發(fā)明的單相短路故障限流器不產(chǎn)生電抗，其穩(wěn)態(tài)等效電路如圖5所示。各電流的關(guān)系為I1＝kI2，I＝(1+k)I2。因此，通過超導(dǎo)故障限流器SFCL的電流I2只有電路電流I的1/(1+k)，使得SFCL輕型化。
故障發(fā)生后，線路電流I迅速增加，因此，電流I2也迅速增加，并導(dǎo)致超導(dǎo)故障限流器SFCL的輸出電阻RSFCL增加，從而使得并聯(lián)回路的阻抗比例關(guān)系發(fā)生改變。同時(shí)，電阻RSFCL與繞組L2串聯(lián)，使得電流I2的上升速度遠(yuǎn)小于通過繞組L1的電流I1，最終導(dǎo)致鐵芯Core的磁勢(shì)不再相互抵消，短路故障限流器對(duì)電路產(chǎn)生阻抗來限制故障電流。此時(shí)，考慮到R1＜＜RSFCL，R2＜＜RSFCL，其等效電路如圖6所示。在此限流過程中，通過超導(dǎo)限流器SFCL的阻抗自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，實(shí)現(xiàn)了互感器ML電流的重新分配，使得互感器ML的磁勢(shì)不再平衡，從而產(chǎn)生了限流電抗，并且和超導(dǎo)故障限流器SFCL共同限流。
圖7所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例2，為三個(gè)單相短路故障限流器應(yīng)用于三相系統(tǒng)組成的三相短路故障限流器。如圖7所示，組成三個(gè)單相短路故障限流器的每個(gè)單相短路故障限流器的結(jié)構(gòu)和圖2所示的具體實(shí)施例1相同。SW為斷路器，UA、UB、Uc為三相交流電源，RL為三相負(fù)載等效電阻。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本發(fā)明的單相短路故障限流器的工作原理相同。
圖8所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例3為優(yōu)化的三相短路故障限流器。其特點(diǎn)是在三相短路故障限流器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鐵芯優(yōu)化，把三個(gè)獨(dú)立的鐵芯Core優(yōu)化為一個(gè)一體化的三相鐵芯。一體化的三相鐵芯由共同一邊的三個(gè)矩形鐵芯PA、PB和PC組成，各矩形鐵芯間夾角為120°，鐵芯PA、PB和PC上分別繞制了A相、B相和C相的兩繞組L1、L2。并且，同一矩形鐵芯上的兩個(gè)繞組的磁勢(shì)方向相反。其它部分的電路結(jié)構(gòu)和三相短路故障限流器相同。SW為斷路器，UA、UB、Uc為三相交流電源，RL為三相負(fù)載等效電阻。優(yōu)化的三相短路故障限流器的工作原理和三相短路故障限流器相同。通過優(yōu)化更有利于磁路間耦合，減小電流波形畸變。優(yōu)化的鐵芯有利于系統(tǒng)加工和安裝，降低了系統(tǒng)的成本。
圖9所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例4為單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。如圖9所示，由一個(gè)小型超導(dǎo)故障限流器SFCL和互感器ML1、ML2級(jí)聯(lián)，構(gòu)成單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。互感器ML1由繞組L1、L2和閉合鐵芯Core1組成?；ジ衅鱉L2由繞組L3、L4和閉合鐵芯Core2組成?；ジ衅鱉L2的一個(gè)繞組L4與超導(dǎo)故障限流器SFCL串聯(lián)，然后與繞組L3并聯(lián)。互感器ML2和超導(dǎo)故障限流器SFCL的回路再與互感器ML1的繞組L2串聯(lián)，串聯(lián)回路最后與繞組L1并聯(lián)。其中，相互耦合的繞組L1、L2的磁勢(shì)相反，相互耦合的繞組L3、L4的磁勢(shì)相反。超導(dǎo)故障限流器SFCL可以是電阻式或直流電抗型超導(dǎo)故障限流器，其阻抗特征波形如圖3所示。SW為斷路器，UAC為線路交流電源，RL為負(fù)載等效電阻。
線路無故障，即穩(wěn)態(tài)時(shí)，線路電流I較小，超導(dǎo)故障限流器的輸出電阻RSFCL約為零?；ジ衅鱉L1、ML2的參數(shù)整定方法和本發(fā)明的具體實(shí)例1的相同，從而保證互感器ML1、ML2各自的磁勢(shì)為零，保證限流器對(duì)電路無影響。故障發(fā)生后，限流器產(chǎn)生阻抗的過程和本發(fā)明的具體實(shí)例1相同。但是，通過互感器級(jí)聯(lián)使用，可以更好地滿足高電壓系統(tǒng)的要求。
圖10所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例5為三個(gè)單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器應(yīng)用于三相系統(tǒng)組成的三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。三個(gè)單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器中每個(gè)單相短路故障限流器的結(jié)構(gòu)和圖2所示的具體實(shí)施例3相同。SW為斷路器，UA、UB、Uc為三相交流電源，RL為三相負(fù)載等效電阻。三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器每一相的工作原理和本發(fā)明的單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器的工作原理相同。
圖11所示為本發(fā)明的具體實(shí)施例6為優(yōu)化的三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。其特點(diǎn)是在三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了鐵芯優(yōu)化，把六個(gè)獨(dú)立的鐵芯Core1和Core2優(yōu)化為一個(gè)一體化的三相鐵芯。一體化的三相鐵芯由共同一邊的六個(gè)矩形鐵芯PA、PB、PC和Pa、Pb、Pc組成，各矩形鐵芯間夾角為60°。鐵芯PA上繞制了A相的繞組L1、L2，鐵芯Pa上繞制了A相的繞組L3、L4。鐵芯PB上繞制了B相的繞組L1、L2，鐵芯Pb上繞制了B相的繞組L3、L4(和A相類似)。鐵芯PC上繞制了C相的繞組L1、L2，鐵芯Pc上繞制了C相的繞組L3、L4(和A相類似)。并且，同一矩形鐵芯上的兩個(gè)繞組的磁勢(shì)方向相反。其它部分的電路結(jié)構(gòu)和三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器相同。SW為斷路器，UA、UB、Uc為三相交流電源，RL為三相負(fù)載等效電阻。優(yōu)化的三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器的工作原理和三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器相同。通過優(yōu)化更有利于磁路間耦合，減小電流波形畸變。優(yōu)化的鐵芯有利于系統(tǒng)加工和安裝，同時(shí)也降低了系統(tǒng)成本。
本發(fā)明把磁體的互感原理和超導(dǎo)材料的阻抗變化特性應(yīng)用到故障限流之中，提高了限流器的限流能力，從而獲得比已有短路故障限流器更好的限流效果。在220V的單相系統(tǒng)試驗(yàn)中，選用線路電流I＝100A、參數(shù)k＝4，設(shè)計(jì)繞組的電感分別為L(zhǎng)1＝20mH、L2＝320mH，互感器的繞組內(nèi)阻分別為R1＝0.34Ω、R2＝1.06Ω。在樣機(jī)完成后，進(jìn)行了各種故障限流實(shí)驗(yàn)，可保證故障電流限制在原來故障電流峰值的40％左右，而且故障電流無過沖現(xiàn)象發(fā)生。
權(quán)利要求
1.一種短路故障限流器，其特征是包括超導(dǎo)故障限流器(SFCL)和由繞組(L1和L2)組成的互感器(ML)，互感器(ML)的一個(gè)繞組(L2)與超導(dǎo)故障限流器(SFCL)串聯(lián)，然后與繞組(L1)并聯(lián)，組成混合短路故障限流器；互感器(ML)采用矩形閉合鐵芯(Core)，兩繞組(L1)和(L2)的磁勢(shì)相反。
2.按照權(quán)利要求1所述的短路故障限流器，其特征是短路故障限流器串入交流電源(UAC)、斷路器(SW)和負(fù)載(RL)之間，構(gòu)成單相的短路故障限流器；三個(gè)單相的短路故障限流器分別串入(UA)、(UB)、(UC)三相電源和三個(gè)負(fù)載(RL)之間，構(gòu)成三相短路故障限流器。
3.按照權(quán)利要求1所述的短路故障限流器，其特征是所述的三個(gè)單相的鐵芯(Core)優(yōu)化為一體化的鐵芯；一體化的三相鐵芯由共同一邊的三個(gè)矩形鐵芯(PA)、(PB)和(PC)組成，各矩形鐵芯間夾角為120°；鐵芯(PA)、(PB)和(PC)上分別繞制了(A)相、(B)相和(C)相的兩繞組(L1)、(L2)；同一矩形鐵芯上的兩個(gè)繞組的磁勢(shì)方向相反。
4.按照權(quán)利要求1所述的短路故障限流器，其特征是互感器(ML)可由兩個(gè)互感器(ML1)和(ML2)所取代，構(gòu)成單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器；互感器(ML1)由繞組(L1)、(L2)和閉合鐵芯(Core1)組成，互感器(ML2)由繞組(L3)、(L4)和閉合鐵芯(Core2)組成；互感器(ML2)的一個(gè)繞組(L4)與超導(dǎo)故障限流器(SFCL)串聯(lián)，然后與繞組(L3)并聯(lián)；互感器(ML2)和超導(dǎo)故障限流器(SFCL)的回路再與互感器(ML1)的繞組(L2)串聯(lián)，串聯(lián)回路最后與繞組(L1)并聯(lián)；其中，相互耦合的繞組(L1)、(L2)的磁勢(shì)相反，相互耦合的繞組(L3)、(L4)的磁勢(shì)相反。
5.按照權(quán)利要求4所述的短路故障限流器，其特征是短路故障限流器串入交流電源(UAC)、斷路器(SW)和負(fù)載(RL)之間，構(gòu)成單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器；三個(gè)單相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器分別串入(UA)、(UB)、(UC)三相電源和三個(gè)負(fù)載(RL)之間，構(gòu)成三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。
6.按照權(quán)利要求1所述的短路故障限流器，其特征是六個(gè)單相的鐵芯(Core)優(yōu)化為一體化的鐵芯；一體化的三相鐵芯由共同一邊的六個(gè)矩形鐵芯(PA)、(PB)、(PC)和(Pa)、(Pb)、(Pc)組成，各矩形鐵芯間夾角為60°，鐵芯(PA)上繞制了(A)相的繞組(L1)、(L2)，鐵芯(Pa)上繞制了(A)相的繞組(L3)、(L4)；鐵芯(PB)上繞制了(B)相的繞組(L1)、(L2)，鐵芯(Pb)上繞制了(B)相的繞組(L3)、(L4)；鐵芯(PC)上繞制了(C)相的繞組(L1)、(L2)，鐵芯(Pc)上繞制了(C)相的繞組(L3)、(L4)；同一矩形鐵芯上的兩個(gè)繞組的磁勢(shì)方向相反；此短路故障限流器分別串入(UA)、(UB)、(UC)三相電源和三個(gè)負(fù)載(RL)之間，構(gòu)成優(yōu)化的三相級(jí)聯(lián)式短路故障限流器。
7.按照權(quán)利要求1至6的任何一項(xiàng)所述的短路故障限流器，其特征是超導(dǎo)故障限流器(SFCL)可以是電阻式或直流電抗型超導(dǎo)故障限流器。
全文摘要
一種短路故障限流器，涉及輸配電網(wǎng)故障限流器。本發(fā)明把磁體的互感原理和超導(dǎo)材料的阻抗變化特性應(yīng)用到故障限流之中。本發(fā)明由現(xiàn)有超導(dǎo)故障限流器和互感器組成，互感器的一個(gè)繞組與超導(dǎo)故障限流器串聯(lián)，然后與另一個(gè)繞組并聯(lián)。通過超導(dǎo)限流器的阻抗隨電流的變化特性，調(diào)節(jié)互感，達(dá)到限制故障電流的作用。本發(fā)明中，超導(dǎo)限流器輕型化，不但降低了系統(tǒng)的制造和運(yùn)行費(fèi)用，而且，有利于大容量限流器的實(shí)現(xiàn)。該限流器限流能力強(qiáng)，對(duì)線路影響小。本發(fā)明可提高電網(wǎng)電能質(zhì)量及高壓或超高壓輸電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性和可靠性。
文檔編號(hào)H02H3/08GK1870380SQ20061001190
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月16日
發(fā)明者肖立業(yè), 張志峰, 林良真, 林玉寶, 王子凱, 趙彩宏, 惠東 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所