CN105790242A - 一种串联谐振型故障电流限制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种串联谐振型故障电流限制器，包括电抗器L、电容器组C，所述电容器组C两端依次并联金属氧化物避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速旁路开关K后与所述电抗器L串联；所述真空触发开关TVS与第一触发电路相连，所述快速旁路开关K与第二触发电路相连，所述第一触发电路和所述第二触发电路与触发控制器相连；所述第一触发电路和所述第二触发电路在所述触发控制器的控制下分别触发所述真空触发开关TVS和所述快速旁路开关K闭合或断开。本发明在保留传统串联谐振式故障电流限制器优点的前提下，能够显著减小限流器的结构、体积和重量，降低了整套设备造价以及限制故障电流的技术难度，缩短了限流电抗器的投入时间。

Description

一种串联谐振型故障电流限制器

技术领域

本发明涉及一种故障电流限制器，具体讲涉及一种基于真空触发开关TVS和快速旁路开关K的串联谐振型故障电流限制器。

背景技术

电力***的迅速发展，单机和发电厂容量、变电站容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的增加，以及电力***之间的互联，导致现代大电力***各级电网中的短路电流水平不断增加。随着经济的快速发展，负荷密度急速增加。围绕着负荷中心大电源的投入更加剧了短路电流水平的增长，***中部分地区的短路电流已经达到甚至超过断路器的开断容量，而且上升趋势越来越明显，已经严重威胁到***的安全运行。

为了有效切除短路电流，除了采用具有更大开断能力的断路器及其相关设备之外，还可采取其他措施，例如***级措施和设备级措施。

在***级措施中，电网解列运行和母线分列运行是我国电网中经常采用的两种降低***短路电流水平的措施。由于改变电网结构及运行方式，这种限流措施牺牲了电网的安全性、可靠性和经济性；

在设备级措施中，主要是各种形式的故障电流限制器。故障电流限制器在***正常运行时不对***稳态运行产生影响或影响很小，故障时又能迅速将故障电流限制在合理范围之内，较其他限流措施具有较大的技术优势。然而，故障电流限制器本身较高的产品成本和较大的占地面积一直成为制约其进一步推广应用的瓶颈。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的上述问题，本发明提供一种串联谐振型故障电流限制器。通过在LC串联谐振电路的电容器组两端并联金属氧化避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速旁路开关K，并利用触发控制器和触发电路控制所述真空触发开关TVS和快速旁路开关K顺序动作；大大降低了限制故障电流的技术难度，同时使限流电抗器的投入时间大大缩短。

本发明提供的技术方案是：一种串联谐振型故障电流限制器，包括电抗器L、电容器组C，其改进之处在于：所述电容器组C两端依次并联金属氧化物避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速旁路开关K后与所述电抗器L串联；所述真空触发开关TVS与第一触发电路相连，所述快速旁路开关K与第二触发电路相连，所述第一触发电路和所述第二触发电路与触发控制器相连；所述触发控制器检测所述电容器组C两端的电压，并根据电压值同时发送控制信号给所述第一触发电路和所述第二触发电路；使所述第一触发电路和所述第二触发电路触发所述真空触发开关TVS和所述快速旁路开关K依次闭合。

优选的，所述第一触发电路包括管母取能电流互感器CT1、隔离电流互感器CT2、第一整流桥、储能电容C1、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、第一触发器件和第二触发器件；

所述管母取能电流互感器CT1以穿心方式套在超高压输电线路的管状母线上，其输出端与所述隔离电流互感器CT2的输入端相连，所述隔离电流互感器CT2的输出端与第一整流桥的输入端相连，所述第一整流桥的输出端与储能电容C1两端连接；

所述储能电容C1的一端分别与所述晶闸管SCR1的阳极、以及所述晶闸管SCR2的阳极连接，其另一端分别与所述第一触发器件的输入端、所述第二触发器件的输入端、以及所述晶闸管SCR2的控制极相连；

所述晶闸管SCR1的阴极与所述第一触发器件的另一输入端连接，所述晶闸管SCR2的阴极与所述第二触发器件的另一输入端连接；

所述第一触发器件包括分别与所述真空触发开关TVS的阳极和触发极相连的输出；

所述第二触发器件包括分别与所述真空触发开关TVS的阴极和触发极相连的输出。

进一步，所述管母取能电流互感器CT1从高压输电线路中获得电能，经所述隔离电流互感器CT2隔离后输出给第一整流桥，所述第一整流桥将交流电转换成直流电后对所述储能电容C1进行充电。

进一步，触发控制器包括分别与所述晶闸管SCR1的阴极、所述晶闸管SCR1的控制极、所述晶闸管SCR2的阴极和所述晶闸管SCR2的控制极相连的输出；

所述触发控制器检测电容器组C两端的电压，当所述电容器组C两端的电压达到动作设定电压时，所述触发控制器向所述晶闸管SCR1和所述晶闸管SCR2同时发出导通信号，所述储能电容C1分别通过所述晶闸管SCR1和所述晶闸管SCR2对所述第一触发器件和第二触发器件放电产生高电压，使所述第一触发器件和所述第二触发器件向所述真空触发开关TVS的触发极发出触发脉冲，在1ms内将所述真空触发开关TVS触发导通。

进一步，第二触发电路包括管母取能电流互感器CT3、隔离电流互感器CT4、第二整流桥、储能电容C2、晶闸管SCR3和晶闸管SCR4；

所述管母取能电流互感器CT3以穿心方式套在超高压输电线路的管状母线上，其输出端与所述隔离电流互感器CT4的输入端相连，所述隔离电流互感器CT4的输出端与第二整流桥的输入端相连，所述第二整流桥的输出端与所述储能电容C2两端连接；

所述储能电容C2的一端分别与所述晶闸管SCR3的阳极、以及所述晶闸管SCR4的阳极连接，其另一端分别与所述快速旁路开关K的合闸线圈的一端、所述快速旁路开关K的分闸线圈的一端、以及所述晶闸管SCR4的控制极相连；

所述晶闸管SCR3的阴极与所述快速旁路开关K的合闸线圈的另一端连接，所述晶闸管SCR4的阴极与所述快速旁路开关K的分闸线圈的另一端连接。

进一步，所述管母取能电流互感器CT3从高压输电线路中获得电能，经所述隔离电流互感器CT4隔离后输出给第二整流桥，所述第二整流桥将交流电转换成直流电后对所述储能电容C2进行充电。

进一步，触发控制器还包括分别与所述晶闸管SCR3的阴极、所述晶闸管SCR3的控制极、所述晶闸管SCR4的阴极和所述晶闸管SCR4的控制极相连的输出；

所述触发控制器在向晶闸管SCR1和晶闸管SCR2发出导通信号的同时，向所述晶闸管SCR3发出导通信号，所述储能电容C2通过所述晶闸管SCR3对所述合闸线圈放电，在5ms内控制所述快速旁路开关K合闸导通，所述快速旁路开关K合闸后，所述真空触发开关TVS自动息弧关断。

进一步，所述触发控制器还检测流经电抗器L和电容器组C的电流，当检测的电流值恢复正常时，所述触发控制器向所述晶闸管SCR4发出导通信号，使所述储能电容C2通过所述晶闸管SCR4对分闸线圈放电，控制所述快速旁路开关K分闸关断。

进一步，所述真空触发开关TVS包括玻璃外壳、所述玻璃外壳内的屏蔽罩、所述屏蔽罩内的阴极、阳极、以及所述阴极和所述阳极之间的触发极。

进一步，所述快速旁路开关K包括竖直方向依次设置的真空灭弧室、绝缘拉杆、碟簧、分闸线圈、金属盘和合闸线圈。

与最接近的技术方案相比，本发明具有如下显著进步：

1)本发明在保留传统串联谐振式故障电流限制器优点的前提下，能够显著减小限流器的结构、体积和重量，大大降低整套设备的造价。

2)本发明提供的串联谐振型故障电流限制器，在正常工作时，金属氧化避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速开关K均处于断开状态，电容器组C和电抗器L处于工频串联谐振状态，总的阻抗几乎为零，不影响电网的正常潮流，可长期连接在高压输电网中，提高了高压输电网的工作可靠性。

3)本发明提供的串联谐振型故障电流限制器通过触发控制器监控电容器组C两端的电压，在线路出现短路故障后，能在1ms触发真空触发开关TVS导通，从而起到限流的作用，响应速度快速，可靠性高。

4)本发明提供的串联谐振型故障电流限制器在真空触发开关TVS的触发电路上设计两个晶闸管和两个触发器件，在短路故障出现的时刻，触发控制器同时发两个方向的触发信号，可限制短路电流的第一个峰值，提高了短路故障出现时的响应速度，增加了可靠性。

5)本发明提供的串联谐振型故障电流限制器，在短路故障出现的时刻，通过同一触发控制器同时向真空触发开关TVS的触发电路和快速旁路开关K的触发电路发出触发信号，触发真空触发开关TVS和快速旁路开关K的快速顺序闭合，缩短了限流电抗器的投入时间，提高了故障电流限制器的响应速度，加强了可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的串联谐振型故障电流限制器的电路原理图；

图2为图1中真空触发开关TVS的结构原理图；

图3为图1中第一触发电路的电路原理图；

图4为图1中快速旁路开关K的结构原理图；

图5为图1中第二触发电路的电路原理图；

其中1-波纹管，2-阳极，3-屏蔽罩，4-触发极，5-阴极，6-玻璃外壳，7-真空灭弧室，8-绝缘拉杆，9-碟簧，10-分闸线圈，11-合闸线圈，12-金属盘。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

1、电路结构

本发明提供的故障电流限制器的结构如图1所示，主要由电抗器L、电容器组C、金属氧化避雷器MOV、真空触发开关TVS及其触发电路、快速旁路开关K及其触发电路和触发控制器组成。

在电网正常工作的工频状态下，电抗器L的工频感抗与电容器组C的工频容抗大小相同。金属氧化避雷器MOV用于限制电容器组C两端的电压，起保护作用；真空触发开关TVS和快速旁路开关K分别于不同时刻实现对电容器组C的旁路，使电抗器L接入线路。真空触发开关TVS和快速旁路开关K是发明的主要动作元件，其动作执行分别由真空触发开关TVS的触发电路和快速旁路开关K的触发电路完成，两组电路由同一触发控制器控制。

真空触发开关TVS和快速旁路开关K需要根据短路电流和电压的变化情况进行触发控制。

真空触发开关TVS结构如附图2所示，由玻璃外壳、阳极、阴极和触发极和波纹管构成。阳极与阴极间的真空间隙，称作“主间隙”，触发极与阴极间填充介质的间隙，称作“触发间隙”。当真空触发间隙处于隔离高压工作状态时，如果在触发极上施加一个适当的脉冲，触发间隙就产生沿介质表面的闪光击穿，于是在触发间隙中产生高密度金属蒸气等离子体，并迅速注入高压主间隙，在真空触发开关TVS的阴阳极之间建立电流通道。

真空触发开关TVS的触发需要一定的条件，因此需要一套完整的控制触发电路，如附图3所示，主要由管母取能电流互感器CT1、隔离电流互感器CT2、整流桥1、储能电容C1、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、触发器件1、触发器件2和触发控制器组成。

本专利中所提出的故障电流限制器主要用于超高压的输电网络中，真空触发开关TVS本体对地与超高压输电线路具有相同的对地电位。因此其触发电路和取能充电电路比较特殊，需要采取本专利中提出的利用管母CT从线路中取能，并经过隔离CT后，经整流桥对储能电容充电。

储能电容器C1的充电由管母取能电流互感器CT1、隔离电流互感器CT2、整流桥1三部分组成。管母取能电流互感器CT1以穿心的方式套在高压输电线路的管状母线上，通过电磁感应原理从线路中获得能量；隔离电流互感器CT2将管母取能电流互感器CT1的电能进行隔离，保证后面电路的安全可靠；整流桥1将隔离电流互感器CT2输出的交流电转化成直流电，并对储能电容C1进行充电。真空触发开关TVS的触发电压由储能电容C1通过晶闸管SCR1和晶闸管SCR2对触发器件1和触发器件2放电产生高电压实现。由于短路故障出现的时刻，可能在正弦的正半波，也可能是负半波，本发明在储能电容C1的后端设计两套相同的触发电路，当短路故障出现时，不考虑正弦的正负半波位置，只要监测到故障就同时发两个方向的触发信号，保证在短路电压正负半波均能可靠导通，响应速度快，可靠性高。

快速旁路开关K的结构如附图4所示，主要真空由灭弧室、绝缘拉杆、碟簧、金属盘、分闸线圈和合闸线圈组成。快速旁路开关K的分、合闸操作分别由分闸线圈和合闸线圈推动金属盘来实现；碟簧主要用于保证灭弧室动、静触头在合闸状态的压紧力。

快速旁路开关K的分合闸动作由一套完整的控制触发电路来完成，如附图5所示，快速旁路开关K的分合闸动作由合闸线圈和分闸线圈充电时对金属盘的推动力来实现。分、合闸线圈的充电由储能电容器C2通过晶闸管SCR3和晶闸管SCR4对分、合闸线圈放电实现，这一放电过程由触发控制器根据电网的实时状态进行控制。

本专利中所提出的故障电流限制器主要用于超高压的输电网络中，快速旁路开关K本体对地与超高压输电线路具有相同的对地电位。因此其触发电路和取能充电电路比较特殊，需要采取本专利中提出的利用管母电流互感器CT从线路中取能，并经过隔离CT后，经整流桥对储能电容充电。

储能电容器C2的充电由管母取能电流互感器CT3、隔离电流互感器CT4、整流桥2三部分组成。管母取能电流互感器CT3以穿心的方式套在高压输电线路的管状母线上，通过电磁感应原理从线路中获得能量；隔离电流互感器CT4将管母取能电流互感器CT3的电能进行隔离，保证后面电路的安全可靠；整流桥2将隔离电流互感器CT4输出的交流电转化成直流电，并对储能电容C2进行充电。

2实现原理

本发明在L-C串联谐振电容器两端并联金属氧化物避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速旁路开关K，如附图1所示。本发明所采用的串联谐振型故障限流器，利用电抗器L和电容器组C的在串联谐振时等效阻抗为零的原理实现，正常工作时不改变潮流分布。出现短路故障后，金属氧化避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速开关K顺序依次动作，将限流电抗器投入到线路中，起到限制短路电流的作用。

本专利中所提出的真空触发开关TVS和快速旁路开关K在同一时刻触发，为保证两路触发信号的发出时刻保持一定的同步性，采用同一触发控制器控制真空触发开关TVS的触发电路和快速旁路开关K的触发电路。

正常工作时，金属氧化避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速开关K均处于断开状态，电容器组C和电抗器L处于工频串联谐振状态，总的阻抗几乎为零，不影响电网的正常潮流。

发生短路故障后，流过电抗器L和电容器组C的电流迅速增大，电容器组C两端的电压迅速升高。当电容器组C两端的电压超过金属氧化物避雷器MOV的动作电压，金属氧化物避雷器瞬间动作放电；此后故障电流继续增大，电容器组C两端电压继续升高。

当触发控制器检测到电容器组C两端的电压达到动作设定电压时(动作设定电压根据具体的工程参数设定)，向真空触发开关TVS触发电路的晶闸管SCR1和SCR2同时发出导通信号，在1ms以内将真空触发开关TVS触发导通。真空触发开关TVS导通后，将电容器组C旁路，使电抗器L投入到线路中，起到限流作用；由于真空触发开关TVS的通流能力不强，不能长时间导通工作，只能在短路电流状态下导通5ms。

因此，在触发控制器检测到电容器组C两端的电压达到动作设定电压时，除了向真空触发开关TVS触发电路的晶闸管SCR1和SCR2发出导通信号，同时向快速旁路开关K控制电路的晶闸管SCR3发出导通信号。储能电容C2通过晶闸管SCR3对合闸线圈充电，使合闸线圈产生电磁推力，推动真空灭弧室合闸；由于快速旁路开关K的合闸线圈推动真空灭弧室合闸，这一运动过程大约5ms。当快速旁路开关K合闸到位后，真空触发开关TVS被完全短路，由于两端电压为零，真空触发开关TVS自动息弧关断。同样，此时完成对电容器组C的完全旁路，线路中只有电抗器L起作用，达到限制短路故障电流的作用。

当短路故障消失后，电网恢复到正常水平，触发控制器检测到线路电流满足正常条件后，向快速旁路开关K的分闸线圈对应的晶闸管SCR4发送控制信号，使储能电容器C2对分闸线圈放电，产生电磁斥力，将真空灭弧室内的动触头拉开，使快速旁路开关K处于分闸状态。至此，将电容器组C再次投入线路中，与电抗器L形成串联谐振状态。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种串联谐振型故障电流限制器，包括电抗器L、电容器组C，其特征在于：所述电容器组C两端依次并联金属氧化物避雷器MOV、真空触发开关TVS和快速旁路开关K后与所述电抗器L串联；所述真空触发开关TVS与第一触发电路相连，所述快速旁路开关K与第二触发电路相连，所述第一触发电路和所述第二触发电路与触发控制器相连；所述触发控制器检测所述电容器组C两端的电压，并根据电压值同时发送控制信号给所述第一触发电路和所述第二触发电路；使所述第一触发电路和所述第二触发电路触发所述真空触发开关TVS和所述快速旁路开关K依次闭合。

2.如权利要求1所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述第一触发电路包括管母取能电流互感器CT1、隔离电流互感器CT2、第一整流桥、储能电容C1、晶闸管SCR1、晶闸管SCR2、第一触发器件和第二触发器件；

所述管母取能电流互感器CT1以穿心方式套在超高压输电线路的管状母线上，其输出端与所述隔离电流互感器CT2的输入端相连，所述隔离电流互感器CT2的输出端与第一整流桥的输入端相连，所述第一整流桥的输出端与储能电容C1两端连接；

所述储能电容C1的一端分别与所述晶闸管SCR1的阳极、以及所述晶闸管SCR2的阳极连接，其另一端分别与所述第一触发器件的输入端、所述第二触发器件的输入端、以及所述晶闸管SCR2的控制极相连；

所述晶闸管SCR1的阴极与所述第一触发器件的另一输入端连接，所述晶闸管SCR2的阴极与所述第二触发器件的另一输入端连接；

所述第一触发器件包括分别与所述真空触发开关TVS的阳极和触发极相连的输出；

所述第二触发器件包括分别与所述真空触发开关TVS的阴极和触发极相连的输出。

3.如权利要求2所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述管母取能电流互感器CT1从高压输电线路中获得电能，经所述隔离电流互感器CT2隔离后输出给第一整流桥，所述第一整流桥将交流电转换成直流电后对所述储能电容C1进行充电。

4.如权利要求2所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

触发控制器包括分别与所述晶闸管SCR1的阴极、所述晶闸管SCR1的控制极、所述晶闸管SCR2的阴极和所述晶闸管SCR2的控制极相连的输出；

所述触发控制器检测电容器组C两端的电压，当所述电容器组C两端的电压达到动作设定电压时，所述触发控制器向所述晶闸管SCR1和所述晶闸管SCR2同时发出导通信号，所述储能电容C1分别通过所述晶闸管SCR1和所述晶闸管SCR2对所述第一触发器件和第二触发器件放电产生高电压，使所述第一触发器件和所述第二触发器件向所述真空触发开关TVS的触发极发出触发脉冲，在1ms内将所述真空触发开关TVS触发导通。

5.如权利要求4所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

第二触发电路包括管母取能电流互感器CT3、隔离电流互感器CT4、第二整流桥、储能电容C2、晶闸管SCR3和晶闸管SCR4；

所述管母取能电流互感器CT3以穿心方式套在超高压输电线路的管状母线上，其输出端与所述隔离电流互感器CT4的输入端相连，所述隔离电流互感器CT4的输出端与第二整流桥的输入端相连，所述第二整流桥的输出端与所述储能电容C2两端连接；

所述储能电容C2的一端分别与所述晶闸管SCR3的阳极、以及所述晶闸管SCR4的阳极连接，其另一端分别与所述快速旁路开关K的合闸线圈的一端、所述快速旁路开关K的分闸线圈的一端、以及所述晶闸管SCR4的控制极相连；

所述晶闸管SCR3的阴极与所述快速旁路开关K的合闸线圈的另一端连接，所述晶闸管SCR4的阴极与所述快速旁路开关K的分闸线圈的另一端连接。

6.如权利要求5所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述管母取能电流互感器CT3从高压输电线路中获得电能，经所述隔离电流互感器CT4隔离后输出给第二整流桥，所述第二整流桥将交流电转换成直流电后对所述储能电容C2进行充电。

7.如权利要求5所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

触发控制器还包括分别与所述晶闸管SCR3的阴极、所述晶闸管SCR3的控制极、所述晶闸管SCR4的阴极和所述晶闸管SCR4的控制极相连的输出；

所述触发控制器在向晶闸管SCR1和晶闸管SCR2发出导通信号的同时，向所述晶闸管SCR3发出导通信号，所述储能电容C2通过所述晶闸管SCR3对所述合闸线圈放电，在5ms内控制所述快速旁路开关K合闸导通，所述快速旁路开关K合闸后，所述真空触发开关TVS自动息弧关断。

8.如权利要求7所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述触发控制器还检测流经电抗器L和电容器组C的电流，当检测的电流值恢复正常时，所述触发控制器向所述晶闸管SCR4发出导通信号，使所述储能电容C2通过所述晶闸管SCR4对分闸线圈放电，控制所述快速旁路开关K分闸关断。

9.如权利要求2所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述真空触发开关TVS包括玻璃外壳、所述玻璃外壳内的屏蔽罩、所述屏蔽罩内的阴极、阳极、以及所述阴极和所述阳极之间的触发极。

10.如权利要求5所述的一种串联谐振型故障电流限制器，其特征在于：

所述快速旁路开关K包括竖直方向依次设置的真空灭弧室、绝缘拉杆、碟簧、分闸线圈、金属盘和合闸线圈。