一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器的製作方法
2023-04-27 23:13:46
專利名稱：一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種故障電流限制器。
背景技術：
隨著國民經濟的快速發展，社會對電力的需求不斷增加，帶動了電力系統的不斷發展，單機和發電廠容量、變電所容量、城市和工業中心負荷不斷增加，就使得電力系統之間互聯，各級電網中的短路電流水平不斷提高，短路故障對電力系統及其相連的電氣設備的破壞性也越來越大。而且，在對電能的需求量日益增長的同時，人們對電能質量、供電可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而，大電網的暫態穩定性問題比較突出，其中最重要的原因之一是由於常規電力技術缺乏行之有效的短路故障電流限制技術。目前，世界上廣泛採用斷路器對短路電流全額開斷，由於短路電流水平與系統的容量直接相關，在斷路器的額定開斷電流水平一定的情況下，採用全額開斷短路電流將會限制電力系統的容量的增長，並且斷路器價格昂貴且其價格隨其額定開斷電流的增加而迅速上升。隨著電網容量和規模的擴大，斷路器的開斷能力已經越來越難以適應電網運行的需要。短路故障限流器為這一問題的解決提供了新思路。當前比較成熟的故障限流器技術主要有串聯限流電抗器、串聯諧振型故障電流限制器、可控串補故障電流限制器等，而處於研究階段的故障限流器技術主要是應用新材料實現的限流技術，包括超導限流器、PTC熱敏電阻限流器和固態限流器。在當前的限流器技術中，以串聯限流電抗器和串聯諧振型限流器的技術最為成熟，可靠性也最高。串聯諧振型限流器沒有無功功率損耗，具有很大的應用前景。對於串聯諧振型限流器而言，電容器旁通電路是一個關鍵技術，主要有以下幾種旁通電路基於飽和電抗器的旁通電路(兩種經濟型故障限流器的工作特性比較，電力系統及其自動化學報，2005，17 (4) :71-75)、基於避雷器的旁通電路(氧化鋅避雷器式故障限流器對電力系統暫態穩定性的影響，電力自動化設備，2007，27 (8):51-54)和基於電力電子和快速開關的旁通電路(基於快速開關的串聯諧振型故障限流器的仿真，高電壓技術，2006，32
(5):80-83)。但是上述所有的電容器旁通電路都需通過接近於全部的短路電流，因此，電容器旁通電路部件需要根據耐受全部短路電流來設計，造價很高。
發明內容
本發明的目的在於克服常規串聯諧振型故障電流限制器的缺點，提出一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器。該組合式快速合閘開關採用同名端相反的緊耦合雙繞組電抗器的一個支路與快速合閘開關串聯的方式，可將快速合閘開關的短路衝擊電流降低；也可採用二級級聯結構緊耦合雙繞組電抗器中二級雙繞組電抗器的一個支路與快速合閘開關串聯的方式，可將快速合閘開關的短路衝擊電流降至更低；也可採用兩組串聯結構同名端相反緊耦合雙繞組電抗器中每組電抗器的一個支路和一組快速合閘開關串聯的方式，可將快速合閘開關的短路衝擊電流和過電壓均降低。本發明提出的基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器，靈活、易實施，可應用於各種不同電壓等級、不同容量的電網系統中。為了實現上述目的，本發明採用的技術方案如下本發明基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器由常規電抗器或同名端相同緊耦合電抗器、電容器和組合式快速合閘開關構成。所述的組合式快速合閘開關與電容器先並聯再與常規電抗器串聯，或者同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的一個支路與組合式快速合閘開關串聯，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的另一個支路與電容器串聯。所述的組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組成。所述的同名端相同緊耦合雙繞組電抗器由第一繞組、第二繞組和矩形的空芯、閉合或半閉合鐵芯組成，所述的第一繞組和第二繞組的匝數相同，以並聯方式繞制在芯柱上。組成組合式快速合閘開關的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器由第一繞組、第二繞組和矩形的空芯、閉合或半閉合鐵芯組成，所述的第一繞組和第二繞組的匝數相同，以反並聯方式繞制在芯柱上。所述的故障電流限制器串聯在電網系統中。本發明可以採用以下兩種技術方案第一種故障電流限制器採用組合式快速合閘開關與電容器先並聯之後，再與常規電抗器串聯。在正常工作時，組合式快速合閘開關呈大阻抗狀態，電流主要從常規電抗器和電容器串聯組成的電路中流過，常規電抗器和電容器組成串聯諧振電路，呈低阻抗狀態，對電網系統影響很小。在電網系統發生故障短路時，組合式快速合閘開關快速反應呈小阻抗狀態，短路電流從電容器支路轉移到快速合閘開關支路，整個電網系統的阻抗增加，短路電流下降。第二種故障電流限制器採用同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的一個支路與組合式快速合閘開關串聯，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的另一個支路與電容器串聯；在正常工作時，組合式快速合閘開關呈大阻抗狀態，電流主要從同名端相同緊耦合雙繞組電抗器和電容器串聯組成的電路中流過，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器和電容器組成串聯諧振電路呈低阻抗狀態，對電網系統影響很小。在電網系統發生故障短路時，組合式快速合閘開關快速反應呈小阻抗狀態，短路電流從電容器支路轉移到快速合閘開關支路，整個電網系統的阻抗增加，短路電流下降；所述的組合式快速合閘開關也可採用以下三種技術方案第一種組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合而成。所述同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組先和快速合閘開關串聯，然後和所述同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組並聯。所述的快速合閘開關由機械開關、晶閘管、可控觸發間隙和避雷器幾種開關設備中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，可選用耐受短路電流較低的快速合閘開關實現對所述同名端相反緊耦合雙繞組電抗器第一繞組的合閘。在所述同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組接通後，所述同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組和第二繞組產生的電抗互相抵消，總電抗減小。第二種組合式快速合閘開關採用二級級聯的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合而成。所述的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器採用二級級聯方式連接，第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組和快速合閘開關先串聯，然後所述的第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組和第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組並聯；所述的第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器與第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組串聯，然後和第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組並聯。所述的快速合閘開關由機械開關、晶閘管、可控觸發間隙和避雷器中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，可選用耐受短路電流更低的快速合閘開關實現對二級緊耦合雙繞組電抗器第一繞組的合閘。在二級緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組導通後，一級緊耦合雙繞組電抗器和二級緊耦合雙繞組電抗器各支路繞組產生的電抗可以互相抵消，總電抗減小。第三種組合式快速合閘開關採用串聯連接的兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合構成。兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器串聯連接，第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組和第一組快速合閘開關先串聯，然後和第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組並聯；第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組和第二組快速合閘開關先串聯，然後和第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組並聯；第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器最後串聯。所述的快速合閘開關由機械開關、晶閘管、可控觸發間隙和避雷器幾種開關設備中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，可選用耐受短路電流和電壓都較低的快速合閘開關實現對兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器第一繞組的合閘。在兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組都導通後，兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器各支路繞組產生的電抗可以互相抵消，總電抗減小。本發明故障電流限制器在正常運行時表現為低阻抗，而在短路故障時表現為大阻抗。本發明故障電流限制器中的緊耦合雙繞組電抗器可以採用空芯、鐵芯或半鐵芯結構；緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關均可以採用三相獨立結構或三相組合結構。本發明具有以下主要優點I)本發明故障電流限制器對電網的穩態影響小。在正常運行時，故障電流器的穩態阻抗很小，不會增加電力系統無功。2)本發明通過組合式快速合閘開關中緊耦合雙繞組電抗器自身的阻抗變化來抑制故障電流的峰值，然後通過快速合閘開關的閉合來抑制故障電流的穩態值，因此，該故障電流限制器對故障電流響應快，且結構簡單、可靠性高。3)本發明可用於構造大容量的故障電流限制器。採用緊耦合雙繞組電抗器單個支路與快速合閘開關串聯的方式降低快速合閘開關的短路容量，降低了大型快速合閘開關製作的技術難度和成本，更有市場競爭力。
圖1為組合式快速合閘開關在穩態運行時的電路和磁路示意圖；圖2為組合式快速合閘開關在短路時的電路和磁路示意圖；圖3為組合式快速合閘開關的等效電路圖；圖4為二級級聯結構組合式快速合閘開關的等效電路圖；圖5為兩組串聯結構組合式快速合閘開關的等效電路圖；圖6為本發明具體實施例1基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖；圖7為本發明具體實施例2另一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖；圖8為本發明具體實施例3基於二級級聯結構組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖；圖9為本發明具體實施例4另一種基於二級級聯結構組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖。圖10為本發明具體實施例5 —種基於兩組串聯結構組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖。圖11為本發明具體實施例6另一種基於兩組串聯結構組合式快速合閘開關的故障電流限制器等效電路圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步說明。本發明基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器由常規電抗器或同名端相同緊耦合雙繞組電抗器、電容器和組合式快速合閘開關構成。所述的組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關K構成。圖1所示為組合式快速合閘開關在穩態運行時的電路和磁路示意圖。如圖1所示，所述的組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器，以及快速合閘開關K組合而成，同名端相反緊耦合雙繞組電抗器由第一繞組L1、第二繞組L2和矩形的空芯、閉合或半閉合的鐵芯組成。所述的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器中，所述的第一繞組LI和第二繞組L2的匝數相同，以反並聯方式繞制在芯柱上。同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組LI先和快速合閘開關K串聯，然後再和所述的第二繞組L2並聯。在穩態工作時，快速合閘開關K處於開斷狀態，快速合閘開關的阻抗值為L2,呈大阻抗。圖2所示為組合式快速合閘開關在電網系統發生短路故障時的電路和磁路示意圖。在發生故障短路時，快速合閘開關K閉合，同名端相反緊耦合雙繞組電抗器第一繞組LI和第二繞組L2通過的電流相同，產生的磁通大小相等，方向相反。由於該同名端相反緊耦合雙繞組電抗器產生的磁通主要為漏磁通，漏感相對很小，因此呈小阻抗狀態。另外，所述的第一繞組LI和第二繞組L2的短路電流為系統總短路電流的一半，因此，快速合閘開關K可以選擇耐受短路電流更低的快速合閘開關，快速合閘開關的可靠性提高，造價降低。圖3所示為組合式快速合閘開關的等效電路圖。組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關K組合而成。同名端相反緊耦合雙繞組電抗器兩個繞組LI和L2的自感分別為L1和L2，互感為M。由於雙繞組匝數相同，同名端相反，因此L1=L2，互感M與L1和L2非常接近。同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組LI先和快速合閘開關K串聯，然後再和同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L2並聯。圖4所示為二級級聯結構的組合式快速合閘開關的等效電路圖。二級級聯結構組合式快速合閘開關由第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器、第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合而成。第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器兩個繞組LI和L2的自感分別為L1和L2，互感為M，L1 = L2 ;第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的結構與第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器類似，第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組Lll和第二繞組L12的互感為M1,自感L11 = L12 ;第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組Lll先和快速合閘開關K串聯，然後再和第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L12並聯；第二級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和第一級緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組LI串聯，然後和第一級同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L2並聯。圖5所示為兩組串聯結構的組合式快速合閘開關的等效電路圖。兩組串聯結構的組合式快速合閘開關由第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器、第一組快速合閘開關、第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和第二組快速合閘開關組合而成。第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器兩個繞組LI和L2的自感分別為L1和L2，互感為MA1 = L2 ;第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的結構與第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器類似，第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組Lll和第二繞組L12的互感為M1,自感L11 =L12 ;第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組LI先和快速合閘開關Kl串聯，然後再和所述的第一組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L2並聯；第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組Lll先和快速合閘開關K2串聯，然後再和第二組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L12並聯；兩組同名端相反緊耦合雙繞組電抗器最後串聯。圖6所示為實施例1基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器拓撲電路圖。本發明實施例1由常規電抗器L、電容器C和組合式快速合閘開關構成，所述的組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組成。組合式快速合閘開關中的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器兩個繞組LI和L2的自感分別為L1和L2,互感為M。由於雙繞組匝數相同，同名端相反，因此L1 = L2，互感M與L1和L2非常接近。同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組LI先和快速合閘開關串聯，然後再和同名端相反緊耦合雙繞組電抗器的第二繞組L2並聯；電容器C和組合式快速合閘開關並聯後再和常規電抗器L串聯。在電網系統正常運行時，快速合閘開關的電抗值L' =L2，通過合理設計可使L'為一非常大的值，這樣電流主要從L和C組成的串聯諧振電路中流過，對電網系統影響很小；在電網
系統發生故障短路時，組合式快速合閘開關的電抗變為
權利要求
1.一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器，其特徵在於，所述的故障電流限制器由常規電抗器或同名端相同緊耦合電抗器、電容器(C)和組合式快速合閘開關構成；所述的組合式快速合閘開關與電容器(C)先並聯再與常規電抗器(L)串聯，或者同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的一個支路(L21)與組合式快速合閘開關串聯，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的另一個支路(L22)與電容器(C)串聯。
2.按照權利要求1所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述的組合式快速合閘開關由同名端相反緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組成；所述的同名端相同緊耦合雙繞組電抗器由第一繞組、第二繞組和矩形的空芯、閉合或半閉合鐵芯組成，所述的第一繞組和第二繞組的匝數相同，以並聯方式繞制在芯柱上；組成所述的組合式快速合閘開關的同名端相反緊耦合雙繞組電抗器由第一繞組、第二繞組和矩形的空芯、閉合或半閉合鐵芯組成，所述的第一繞組和第二繞組的匝數相同，以反並聯方式繞制在芯柱上；所述的故障電流限制器串聯在電網系統中。
3.按照權利要求1所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述的組合式快速合閘開關與電容器(C)先並聯再與常規電抗器(L)串聯；在正常工作時，組合式快速合閘開關呈大阻抗狀態，電流主要從常規電抗器(L)和電容器(C)串聯組成的電路中流過，常規電抗器(L)和電容器(C)組成串聯諧振電路呈低阻抗狀態，對電網系統影響很小；在電網系統發生故障短路時，組合式快速合閘開關呈小阻抗狀態，短路電流從電容器(C)支路轉移到快速合閘開關支路，整個電網系統的阻抗增加，短路電流下降。
4.按照權利要求1所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述的故障電流限制器中，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的一個支路(L21)與組合式快速合閘開關串聯，同名端相同緊耦合雙繞組電抗器的另一個支路(L22)與電容器(C)串聯；在正常工作時，組合式快速合閘開關呈大阻抗狀態，電流從電抗器支路(L22)和電容器(C)串聯組成的電路中流過，電抗器支路(L22)和電容器(C)組成串聯諧振電路，呈低阻抗狀態，對電網系統影響很小；在電網系統發生故障短路時，組合式快速合閘開關呈小阻抗狀態，短路電流從電容器(C)支路轉移到快速合閘開關支路，整個電網系統的阻抗增加，短路電流下降。
5.根據權利要求1或2所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述的組合式快速合閘開關由同名端相反的緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合而成，所述緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(LI)先和快速合閘開關串聯，然後和第二繞組(L2)並聯；所述的快速合閘開關由機械開關(K)、晶閘管(T)、可控觸發間隙(G)和避雷器(MOV)中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，所述的快速合閘開關實現對緊耦合雙繞組電抗器第一繞組(LI)的合閘；在第一繞組(LI)接通後，緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(LI)和第二繞組(L2)產生的電抗互相抵消，總電抗減小。
6.根據權利要求1或2所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述組合式快速合閘開關中，同名端相反的緊耦合雙繞組電抗器採用二級級聯方式連接，二級緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(Lll)和快速合閘開關先串聯，然後所述的第一繞組(Lll)和第二繞組(L12)並聯；所述的二級緊耦合雙繞組電抗器與一級緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(LI)串聯，然後和第二繞組(L2)進行並聯；所述的快速合閘開關由機械開關(K)、晶閘管(T)、可控觸發間隙(G)和避雷器(MOV)中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，快速合閘開關實現對二級緊耦合雙繞組電抗器第一繞組(Lll)的合閘；在二級緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(Lll)導通後，一級緊耦合雙繞組和二級緊耦合雙繞組電抗器各支路繞組產生的電抗互相抵消，總電抗減小。
7.根據權利要求1或2所述的故障電流限制器，其特徵在於，所述組合式快速合閘開關中，同名端相反的緊耦合雙繞組電抗器採用兩組串聯結構；第一組緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(LI)先和第一快速合閘開關串聯，然後再和第二繞組(L2)並聯；第二組緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(Lll)先和第二快速合閘開關串聯，然後再和第二繞組(L12)並聯；所述的第一快速合閘開關由機械開關(K1)、晶閘管(Tl)、可控觸發間隙(Gl)和避雷器(MOVl)中的一組或多組並聯組成，第二快速合閘開關由機械開關(K2)、晶閘管(T2)、可控觸發間隙(G2)和避雷器(M0V2)中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，快速合閘開關實現對第一組緊耦合雙繞組電抗器第一繞組(LI)和第二組緊耦合雙繞組電抗器第一繞組(Lll)的合閘；在兩組緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組(LI)和(Lll)均導通後，兩組電抗器各支路繞組產生的電抗互相抵消，總電抗減小。
全文摘要
一種基於組合式快速合閘開關的故障電流限制器，採用組合式快速合閘開關與電容器C先並聯之後，再與常規電抗器L串聯；所述的組合式快速合閘開關由同名端相反的緊耦合雙繞組電抗器和快速合閘開關組合而成，所述緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組L1先和快速合閘開關串聯，然後和第二繞組L2並聯，所述的快速合閘開關由機械開關K、晶閘管T、可控觸發間隙G和避雷器MOV中的一組或多組並聯組成；在短路故障時，可選用耐受短路電流較低的快速合閘開關實現對緊耦合雙繞組電抗器第一繞組L1的合閘。在第一繞組L導通後，緊耦合雙繞組電抗器的第一繞組L1和第二繞組L2產生的電抗互相抵消而使電抗減小。
文檔編號H02H9/04GK103078306SQ20131000702
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月9日 優先權日2013年1月9日
發明者肖立業, 邱清泉, 張志豐, 林良真, 戴少濤, 嚴萍, 王珏, 夏東, 李耀華 申請人:中國科學院電工研究所