CN1756021A

CN1756021A - 一种短路故障限流器

Info

Publication number: CN1756021A
Application number: CNA2005100075371A
Authority: CN
Inventors: 赵彩宏; 张志丰; 惠东; 郭文勇; 黄小华; 刘尚; 刘昕; 高强; 肖立业
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2004-09-28
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-04-05

Abstract

一种短路故障限流器，涉及输配电网故障限流器。其特征是在已有的桥路型短路故障限流器的限流电感(一般电感或超导电感均可)上串联一个限流电阻和一个固态开关的并联回路，给限流电感并联一个二极管(反并联)和电阻串联的续流回路，构成了一种短路故障限流器。加入续流回路既可以减小限流电感的交流损耗，又可以降低限流电感的反压。采用滞回比较控制策略实现限流电阻投切。提出了两种开关管和限流电阻的串并联结构满足电网高电压的需要。本发明不但能限制故障电流的峰值，而且限制故障电流稳态值。该限流器限流能力强，对线路影响小，可提高电网电能质量及高压或超高压输电网***的稳定性，安全性和可靠性。

Description

一种短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种短路故障限流器，特别涉及输配电网的故障限流器。

背景技术

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***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***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***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。然而，大电网的暂态稳定性问题比较突出，其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前，世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断，由于短路电流水平与***的容量直接相关，在断路器的额定开断电流水平一定的情况下，采用全额开断短路电流将会限制电力***的容量的增长，并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大，这一问题将变得更为严重。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如，固态短路故障限流器它在检测到短路故障时，通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，可以将故障电流限制在较低的水平，以保护电力设备，并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US 4490769和中国发明专利ZL 96123001.0都提出了短路故障限流器结构，其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时，限流器对电网无压降、几乎无功耗；一旦***发生短路故障，当电网电流达到直流电抗器的电流时，电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制，从而使故障电流限制在一定的水平，以保证断路器及时切断故障电流。这样，可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时，该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US 4490769的技术方案如图1(a)所示，其主电路由晶闸管TH 1、TH2、TH3、TH4、直流电感L和偏压电源Vb组成。其改进的技术方案如图1(b)和1(c)所示，在发生短路故障时，均可以无延时地自动投入线路，对故障电流及其上升率进行限制，而且，图1(a)和1(b)可以通过控制晶闸管的导通角，实现更有效的故障电流控制。

但是，固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处，其限流电感(L0)只是在电网电流达到电感电流时，才会自动串入电网实现限流，它只能限制短路瞬间的故障电流峰值，无法限制故障稳态电流，限流过程的电流波形畸变较大；为了补偿桥臂上的开关器件的压降造成的电网稳态电流波形畸变，一般采用给限流电感串联偏压电源的方法。但是，流过偏压电源的电流往往是电网电流的2～3倍，而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求，因此，偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本；采用晶闸管组成的桥路，需要增加控制器，从而提高了***成本，降低了***的可靠性。

发明内容

为了克服已有技术的不足，本发明提出了一种用于输配电网的短路故障限流器，它既可限制故障电流峰值又可限制故障电流稳态值，而且结构简单、成本低。

本发明采用的技术方案：

本发明包括现有故障限流器的由二极管D1、D2、D3、D4组成的单相整流桥及限流电感，本发明给限流电感L(一般电感或超导电感均可)串联一个限流电阻R串联和一个固态开关(GTO、IGBT、SCR等)的并联回路，给限流电感L并联一个二极管Ds(反并联)和电阻Rs串联续流回路，构成了一种短路故障限流器，其中桥路由二极管组成，同时取消偏压电源。

在本发明的短路故障限流器中，与限流电阻并联的固态开关(GTO、IGBT、SCR等)由多个固态开关串联组成，从而满足限流器高压工作的需要。本发明提出了GTO、IGBT等直接串联和GTO、IGBT等与SCR直接串联的开关结构来满足高电压的需要，并设计了超导限流电感的续流回路，从而形成了多种结构的短路故障限流器拓扑。

本发明的主要优点：

1、本发明不但可以限制故障电流峰值，而且可以限制故障电流稳态值。已有限流电感只是在线路故障电流达到限流电感电流值时，限流电感才自动串入电路限制故障电流，因此，只能限制故障电流峰值。而改进后的短路故障限流器，采用电感和电阻共同限流的方式，不仅在限流中，加入了电阻限流，而且，提高了电感限流的能力，从而获得比已有短路故障限流器更好的限流效果。

2、本发明中采用了限流电感加续流回路方案，既可以减小限流电感电流波动，减小限流电感的交流损耗，又可以降低限流过程中加在限流电感上的反向电压，因而，减小了故障电流对超导电感的冲击。同时也改善了故障电流对限流电阻的投切开关管的冲击。因此，该方案有利于提高***的可靠性，延长***的使用寿命。

3、本发明在取消偏压电源的前提下，可消除线路稳态电流波形畸变。采用二极管组成桥路，适当选择限流电感值，有利于降低稳态电流波形畸变，减小限流器对稳态线网电流的影响，从而更好地保证了线路的电能质量。

4、发明中限流器的控制方法简单，但可以达到已有限流器的限流效果。已有限流器采用固态开关组成桥路，需要周期性控制，算法复杂。而本发明采用了二极管桥路，只需在检测到故障时关断限流电阻的并联固态开关即可。同时，所采用的滞回比较控制策略可防止误操作，提高***的可靠性。

5、本发明的短路故障限流器，重合闸能力强。在故障消失后，限流电阻提供的续流回路，可以使限流电感的电流迅速降低到正常态电流峰值，从而达到迅速重合闸的目的。本发明的限流电感若采用超导电感，不需要超导电感失超来限制故障电流，而通过串联限流电阻来限流，同样，也非常适合重合闸的需要。

6、本发明中，采用电感和电阻共同限流方式，大大地减小了桥路中二极管的应力，从而延长了它们的使用寿命、提高了限流器的可靠性。

7、本发明省去了偏压电源，形成了无源短路故障限流器，同时保证了稳态时限流器不造成线路电流波形畸变。本发明电路中的电感若采用超导电感，可以降低热损耗，进一步减小限流器对电路的影响。同时，偏压电源的取消降低了限流器成本，提高了限流器的可靠性。

附图说明

图1(a)、图1(b)、图1(c)为已有的短路故障限流器的电路原理示意图；

图2为本发明具体实施例1电路原理示意图；

图3为本发明具体实施例1的控制原理图；

图4为本发明具体实施例2电路原理示意图；

图5为本发明具体实施例3电路原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图2所示，本发明的具体实施例1为单相的短路故障限流器。本发明限流器包括四个二极管D1、D2、D3、D4组成的单相整流桥、限流电感L、限流电阻R与固态开关K。限流电感L和限流电阻R串联，并且限流电阻R与固态开关K并联。限流电感L并联一个二极管Ds和电阻Rs串联组成的续流回路，二极管Ds和限流电感L反并联。SW为断路器，Vac为线路交流电源，Rload为负载等效电阻。本发明的限流器与交流电源Vac、断路器SW、负载Rload串联构成单相的短路故障限流器。线路无故障，即正常态，电路稳态时，二极管D1、D4和D2、D3分别交替处于正偏导通或续流状态，电网不断给限流电感L充电使其等效为一恒流源，可以保证限流器被短路，限流器两端的压降近似等于桥臂上二极管的通态压降，对线路不造成影响，同时，固态开关K导通使得限流电阻R被屏蔽，从而防止限流电阻R消耗线路能量，当桥路续流回路导通，即电网电流小于限流电感L电流时，限流电感L的电压等于半桥桥臂上二极管的通态压降，而且处于反偏状态，与限流电感L反并联的二极管Ds和电阻Rs导通，形成了L-Ds-Rs-L的电流回路，实现了二极管Ds和电阻Rs对限流电感L的续流，减小了限流电感L的电流波动，从而减小了限流电感L的交流损耗。在电网发生短路故障时，若故障电流正向流过限流器，即故障电流的瞬时值等于限流电感L的电流值，故障电流将通过D1-L-K-D4，限流电感L自动串入电路限流，D2和D3由于反偏而处于截止状态。当线路电流的负值等于限流电感L的电流时，D1和D4由于反偏而处于截止状态，同时D2和D3自动导通，故障电流将通过D2-L-K-D3，使限流电感L自动串入电路。D1和D4由于反偏而处于截止状态。这时，控制固态开关K使其关断，即解除限流电阻R的屏蔽，迫使正向(或反向)故障电流通过D1(或D2)-L-R-D4(或D3)，从而限流电感L和限流电阻R串联投入故障电路，大大地增加了限流器的限流能力。和线路无故障时一样，当电网电流小于限流电感L电流时，限流电感L的电压等于半桥桥臂上二极管的通态压降，而且处于反偏状态，因此，与限流电感L反并联的二极管Ds和电阻Rs导通，形成了L-Ds-Rs-L的电流回路，实现了二极管Ds和电阻Rs对限流电感L的续流，减小了限流电感L的电流波动，从而减小了限流电感L的交流损耗，同时，也限制了由于限流电感L上可能的较高的反向电压。电感和电阻共同限流，既限制了故障电流的峰值，又限制了故障电流的稳态值。一旦短路故障消失，控制固态开关K使其关断，***又工作在稳态。因此，此电路可实现自动重合闸。

如图3(a)、(b)所示，为本发明的具体实施例1中的固态开关K的控制逻辑和滞回比较控制逻辑。I1为限流电感L电流，Iref为给定的故障电流限，S为固态开关K的控制信号。滞回比较控制原理是：给定故障电流限Iref的上限ITH和下限ITL，当限流电感电流I1大于上限ITH时，控制信号转变为高电平IOH；当限流电感电流I1小于上限ITL时，控制信号转变为低电平IOL。本发明的短路故障限流器中固态开关K的控制逻辑，即短路故障判断和限流电阻投切方法的工作原理：稳态时，控制信号一直为高电平IOH，限流电阻R被旁路；故障时，当故障电流峰值，即限流电感电流I1超越给定故障电流限Iref的上限ITH时，控制信号S由高电平IOH变为低电平IOL，控制信号S加到固态开关K的驱动电路，实现固态开关K关断，限流磁体电流I1流过限流电阻R，从而实现了限流磁体L和限流电阻R共同限流。一旦故障电流跌落而穿越故障电流限Iref的下限ITL时，控制信号S由低电平IOL变为高电平IOH，控制信号S加到固态开关K的驱动电路，实现固态开关K导通，限流电阻R被旁路，这时***恢复了稳态。通常Iref的取值为限流电感L电流I1的120％左右，而其上限ITH和下限ITL的取值分别为限流电感L电流I1的2～5％。通过滞回比较控制可以避免干扰信号造成的误操作，提高***的可靠性。

如图4所示，本发明的具体实施例2为一种短路故障限流器的拓扑，其特点是采用了固态开关(IGBT或GTO等)直接串联结构。由n个阻值相同的电阻R1、R2、……、Rn分别与n个相同型号的固态开关(IGBT或GTO等)K1、K2、……、Kn并联，再串联构成限流电阻和控制限流电阻投切的开关，其中电阻R1、R2、……、Rn等效为一个限流电阻，固态开关(IGBT或GTO等)K1、K2、……、Kn串联等效为一个开关，可保证***承受较高的电压。二极管D1、D2、D3、D4组成整流桥，SW为断路器，Vac为交流电源，Rload为负载等效电阻。本发明的这种限流器与交流电源Vac、断路器SW和负载Rload串联组成***。其限流工作原理和控制逻辑与实例1相同，限流电感L的续流回路的工作原理也和实例1相同。同时，固态开关K1、K2、……、Kn采用基极或栅极均压控制，防止固态开关受高压而击穿。在此电路拓扑中，由于限流电感L对通过限流电感的电流变化率di/dt的限制作用和电阻R1、R2、……、Rn的缓冲作用，固态开关K1、K2、……、Kn不需要专门的缓冲电路，采用直接串联。从而简化了电路结构，也降低了***的成本，提高了***的可靠性。这种电路适合于大中容量电网故障限流。

如图5所示，本发明的具体实施例3为一种短路故障限流器的拓扑，其特点是采用了固态开关(IGBT或GTO等)和晶闸管SCR的混合串联结构组成开关。首先，一个固态开关IGBT或GTO等)和一个晶闸管SCR串联，并且与一个电阻Ri(i＝1……n)并联。然后，它们的并联电路再串联，构成了限流电阻和控制限流电阻投切的开关。n个电阻R1、R2、……、Rn阻值相同，它们等效为一个限流电阻。n个相同型号的固态开关(IGBT或GTO等)K11、K21、……、Kn1与n个相同型号的晶闸管K10、K20、……、Kn0串联构成了等效为一个开关，可保证***承受较高的电压。二极管D1、D2、D3、D4组成整流桥，SW为断路器，Vac为交流电源，Rload为负载等效电阻。限流器与交流电源Vac、断路器SW和负载Rload串联组成限流器***。其限流工作原理和控制逻辑与实例1相同，限流电感L的续流回路的工作原理也和实例1相同。同时，固态开关K11、K21、……、Kn1和晶闸管K10、K20、……、Kn0采用基极或栅极均压控制，防止固态开关受高压而击穿。在此电路拓扑中，由于限流电感L对通过限流电感的电流变化率di/dt的限制作用和电阻R1、R2、……、Rn的缓冲作用，固态开关K11、K21、……、Kn1和晶闸管K10、K20、……、Kn0不需要专门的缓冲电路，采用直接串联。这种电路适合于大中容量电网故障限流。由于晶闸管的耐压比固态开关(IGBT或GTO等)较高，而固态开关(IGBT或GTO等)的开关速度快，所以，本实施例所采用的固态开关和晶闸管混合串联的方法，更好地保证了限流电阻的迅速投入，提高了固态开关的耐压水平，减少了串联固态开关的个数。从而简化了电路结构，也降低了***的成本，提高了***的可靠性。

本发明故障限流器提高了限流器的限流能力，既可限制故障电流峰值，又可限制故障电流稳态值。并且，在无需偏压电源的前提下，保证稳态时故障限流器不会引起线路电流畸变。因此，这种限流器不但有较强的限流能力，而且对线路的影响较小，大大地提高了线路的稳定性。

在一220V的单相***试验中，限流电感值为原有限流电感的10％左右，原有限流电感的取值为***阻抗的2倍，限流电阻为***阻抗的20％左右，可保证故障电流可以限制在原来故障电流峰值的40％左右，稳态值在35％左右。

Claims

1、一种短路故障限流器，包括二极管(D1)、(D2)、(D3)、(D4)组成的单相整流桥，限流电感(L)(超导电感或一般电感均可)，其特征是：在整流桥上的限流电感(L)与串联限流电阻(R)和开关管(K)并联回路串联。

2、按照权利要求1所述的短路故障限流器，其特征是：所述的限流电感(L)的续流回路由一个二极管(Ds)和电阻(Rs)串联组成，其中，二极管(Ds)和限流电感(L)反并联。

3、按照权利要求1或2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电源(Vac)和负载(Rload)之间，构成单相的短路故障限流器。

4、按照权利要求1或2所述的短路故障限流器，其特征是：由(n)个阻值相同的电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)分别与(n)个相同型号的固态开关(K1)、(K2)、……、(Kn)并联，再串联构成限流电阻及其控制限流电阻投切的开关；电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)的等效为限流电阻，固态开关(K1)、(K2)、……、(Kn)采用基极或栅极均压控制，等效为控制限流电阻投切的开关。

5、按照权利要求3所述的短路故障限流器，其特征是：由(n)个阻值相同的电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)分别与(n)个相同型号的固态开关(K1)、(K2)、……、(Kn)并联，再串联构成限流电阻及其控制限流电阻投切的开关；电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)的等效为限流电阻，固态开关(K1)、(K2)、……、(Kn)采用基极或栅极均压控制，等效为控制限流电阻投切的开关。

6、按照权利要求1或2的任何一项所述的短路故障限流器，其特征是：采用了IGBT、GTO等固态开关和SCR的直接混合串联结构，首先，一个固态开关和一个晶闸管SCR串联，并且与一个电阻(Ri(i＝1……n))并联；然后，它们的并联电路再串联，构成了限流电阻及其控制限流电阻投切的开关；(n)个电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)等效为一个限流电阻；(n)个相同型号的开关管(K11)、(K21)、……、(Kn1)与(n)个相同型号的晶闸管(K10)、(K20)、……、(Kn0)串联构成了固态开关(K)；固态开关(K11)、(K21)、……、(Kn1)和晶闸管(K10)、(K20)、……、(Kn0)采用基极或栅极均压控制，它们等效为一个控制限流电阻投切的开关。

7、按照权利要求3的任何一项所述的短路故障限流器，其特征是：采用了IGBT、GTO等固态开关和SCR的直接混合串联结构，首先，一个固态开关和一个晶闸管SCR串联，并且与一个电阻(Ri(i＝1……n))并联；然后，它们的并联电路再串联，构成了限流电阻及其控制限流电阻投切的开关；(n)个电阻(R1)、(R2)、……、(Rn)等效为一个限流电阻；(n)个相同型号的开关管(K11)、(K21)、……、(Kn1)与(n)个相同型号的晶闸管(K10)、(K20)、……、(Kn0)串联构成了固态开关(K)；固态开关(K11)、(K21)、……、(Kn1)和晶闸管(K10)、(K20)、……、(Kn0)采用基极或栅极均压控制，它们等效为一个控制限流电阻投切的开关。