專利名稱：一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種用于對電力系統短路電流進行限制的故障限流器，特別涉及一
種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，屬于柔性交流輸電技術領域。
背景技術：
隨著電力系統容量和規模的擴大，電力系統短路故障電流的數值也不斷提高，大的短路電流已成為制約電網運行和發展的重要因素之一，限制電力系統短路電流已成為重要的問題。為此各種類型的故障限流器開始出現。 目前故障限流器主要分為二大類第一類是采用功率電子器件控制線路阻抗的限流器；第二類是采用具有特殊性質的材料作為限流器的基本限流部件，例如超導材料和具有正溫度系數(PTC)的聚合材料等。 第一類故障限流器保護電路的基本思想是在正常負載情況下所呈現的是低阻抗，但是在故障發生時，動作保護就會呈現出大的阻抗值以限制故障電流，將故障電流限制在斷路器正常工作范圍內。主要缺點是由于電力系統電壓高電流大，所以控制元件(比如整流管、可控硅、GT0等)需要多個串并聯，導致造價高、控制復雜、體積與重量大以及運行損耗大等等。 第二類故障限流器分超導材料類和具有正溫度系數(PTC)材料類。超導故障限流器保護電路的基本思想是當電力系統正常運行時，傳輸電流在超導體臨界電流以下，超導體的電阻幾乎為零，對電力系統運行不產生影響。 一旦電網發生短路，短路電流大于臨界電流時，超導體瞬時失超產生非線性高電阻，從而有效地限制短路電流。主要缺點是造價高、冷卻導致運行費用高以及與電力系統現有的斷路器和繼電保護配合復雜等等。正溫度系數(PTC)的聚合材料作為故障限流器保護電路的基本思想是當故障電流流過時，正溫度系數(PTC)的聚合材料能快速增大自身阻值，限制和切斷故障電流，通常其阻值可以提高8到IO個數量級的正常運行時的阻值。正溫度系數(PTC)的聚合材料具有隨溫度升高其阻值會增加的能力，溫度的升高是由于電流在PTC電阻上的功率損耗所引起的。在正常運行狀態下，PTC呈現低阻值，額定電流全部通過PTC電阻，此時PTC電阻上的功率損耗很低。當故障出現時，電流大于臨界電流值而急劇上升，則功率也相應急劇上升，引起溫度升高，從而PTC的阻值隨溫度的升高而迅速上升，以限制和切斷故障電流。主要缺點是PTC電阻比較容易受外界因素的影響；限流時過電壓問題比較嚴重；由于單個PTC電阻元件的額定電壓和額定電流不大，所以在電力系統中要由多個元件串并聯組合而成，造成造價高、控制復雜以及體積與重量較大等等。 根據電力系統繼電保護的需要，在發生短路故障之后，要求對短路電流有所限制，但短路電流必須保持在一個較大的數值(如6倍、10倍左右的正常工作電流)上一段時間，以滿足電力系統繼電保護動作的需要。為此，目前的故障限流器普遍為了和現有線路繼電保護配合而在故障限流器旁再并聯一個旁路電抗，造成整個設備體積與重量較大，造價較高。
發明內容為了克服現有故障限流器技術上的不足，本實用新型提供了一種新的故障限流器，這就是具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器。為了敘述方便，下面文章中簡稱為本實用新型限流器。 —種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，含有補償電容器、變壓器、限流電阻、固態控制開關；變壓器的一次側與電容器并聯，變壓器的二次側與限流電阻和固態開關組成的串聯電路并聯。 本實用新型限流器通過M、 N端口串接在電力系統的線路中。 本實用新型限流器的最大優點在于在電力系統正常運行時，本實用新型相當于串聯電容對線路電抗起串聯補償作用。借串聯補償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網中產生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，同時又提高了系統運行的穩定性。在電力系統故障時，通過固態開關的閉合，本實用新型故障限流器發生并聯諧振，從而限制了短路電流。
圖1為本實用新型限流器電路示意圖； 圖2為本實用新型限流器在電力系統中接線示意圖； 圖3為本實用新型限流器等值電路圖； 圖4為本實用新型限流器在電力系統正常運行時的等值電路圖； 圖5為本實用新型限流器在電力系統短路故障時的等值電路圖； 圖6為本實用新型限流器在電力系統短路故障時的簡化等值電路示意圖。
以下結合附圖和實施例對本實用新型限流器作進一步說明。
具體實施方式
[0018] 實施例1 : 本實用新型限流器電路如圖1所示。其中1為補償電容器C，2為變壓器T，3為固態控制開關V，4為限流電阻R。變壓器2的一次側與電容器l并聯，變壓器2的二次側與限流電阻4和固態開關3組成的串聯電路并聯。本實用新型限流器通過M、N端口串接在電力系統的線路中。 本實用新型限流器在電力系統中接線示意圖如圖2所示。其中電力系統等值電源為G、電源等值內阻抗為rs+jxs、DL為斷路器、輸電線路的等值阻抗為lY+jx。負荷等值阻抗
為zLD。 本實用新型限流器等值電路圖如圖3所示。變壓器2的等值電路采用T型等值電路，由一次側繞組電阻巧和漏抗Xl，勵磁繞組阻抗rm+jXm以及二次側繞組歸算到一次側后的繞組電阻r2和漏抗x2組成。勵磁繞組阻抗rm+jXm在數值上一般遠遠大于一次側繞組阻抗r,jXl以及二次側繞組歸算后的阻抗r2+jx2。 r為R歸算到一次側的阻值。[0022] 本實用新型限流器的工作原理如下 電力系統正常運行時，如圖2所示，固態開關V關斷，變壓器T的二次側相當于開路。本實用新型限流器等值電路如圖4所示。由于補償電容器C和變壓器T的一次側并聯，而變壓器的勵磁阻抗rm+jxm與一次側阻抗ri+jXl的總和一般遠遠的大于補償電容器C的容抗，所以這時補償電容器C和變壓器T的一次側并聯電路為容性。 這時在圖2中，本實用新型限流器相當于串聯電容對線路電抗起串聯補償作用。在電力系統中線路上串聯電容的優點是借串聯補償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網中產生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，同時又提高了系統運行的穩定性。此外，在正常運行時固態開關V關斷，所以固態開關V的功率消耗不大。[0025] 當電力系統發生短路故障時，在圖2中，比如輸電線路某處發生短路故障，檢測電路控制固態開關V閉合，限流電阻R經固態開關V與變壓器T的二次側并聯，本實用新型限流器等值電路如圖5所示(圖中忽略固態開關V的壓降)。在設計本實用新型限流器時，選擇合適的補償電容器C和變壓器T參數與限流電阻R，使補償電容器C和變壓器T與限流電阻R組成的系統在額定工頻頻率50Hz附近(一般電力系統頻率容許變化范圍為49. 5-50. 5Hz)發生并聯諧振，這時諧振阻抗較大，對短路故障電流起到了限流作用。[0026] 本實用新型限流器的最大優點在于在電力系統正常運行時，電力系統的工作電流主要流過電容器C，這樣可以起到借串聯補償電容抵償部分或是全部線路電感的作用；而在電力系統短路故障時，并聯諧振又可以產生較大阻抗以限制短路電流，通過調節并聯諧振阻抗數值還可以使現有電力系統繼電保護正常工作。 圖6為圖5等值電路的簡化等值電路。 一般而言，由于勵磁繞組阻抗rm+jXm在數
值上遠遠大于r+r^jX2，所以可以忽略rm+jxm的影響。這樣
<formula>formula see original document page 5</formula> 在圖6中，電流滿足
<formula>formula see original document page 5</formula>其中，y為N端與M端間的電壓。
并聯諧振的條件是上式虛部為O，所以當發生并聯諧振時
<formula>formula see original document page 5</formula>
由于并聯諧振的頻率為50Hz<formula>formula see original document page 5</formula>推出并聯諧振的參數關系式:<formula>formula see original document page 6</formula> 這時，N端與M端間的阻抗達到最大，為[0042]
<formula>formula see original document page 6</formula> 為純阻性。根據電力系統繼電保護正常運行對短路電流值的要求，可以計算出所要求的故障限流器的ZCT。[0044] 當發生諧振時，電流為
<formula>formula see original document page 6</formula>此時盡可能降低II
的數值，這樣可使變壓器T容量下降，既降低了造價，又使變壓
器體積與重量大為縮小。 以上公式中，參數下腳標的0代表并聯諧振時的數值。[0050] 實施例2 : 如圖1所示。本實用新型限流器中固態開關V可以選擇可控硅、GTO等大功率可
控器件。檢測與判定電力系統發生短路故障和檢測與判定電力系統短路故障消失以及控制
固態開關器件的裝置，由于公知的這類成熟的裝置非常多，所以本實用新型限流器對此不
做詳細說明。由于變壓器T的變比對等值電路(如圖3、圖5)中的r、A、 j、影響較大，所
以設計選取變壓器T時必須考慮變比。合適的變比也能降低電力系統故障時變壓器T二次
側電壓，也就降低了固態開關V的成本。 實施例3 : 如圖2所示，本實用新型限流器連接于需要限流的輸電線路首端，線路首端的斷路器DL后面。 對于單相電力系統，本實用新型限流器中變壓器T為單相雙繞組變壓器。[0055] 對于三相電力系統，本實用新型限流器的變壓器T為三相雙繞組變壓器，電容C為3個，分別并接于變壓器T的一次側A、B、C相上；限流電阻R和固態開關V組成的串聯電路也為3個，分別并接于變壓器T的二次側a、 b、 c相上。[0056] 實施例4 : 參數C、 R、變壓器的參數巧、Xl、 r2、 x2選擇 在圖2中，根據電力系統繼電保護正常運行對短路電流值的要求，可以計算出所要求的故障限流器的ZCT。[0059] 根據輸電線路調壓的要求，選擇合適的C ; 當C選定以后，選擇合適的變壓器T，既要滿足正常運行時rm+jxm遠遠大于C的容抗，又要滿足在電力系統短路故障時，二次側的電壓不是特別高(選擇合適的變壓器變比)，這樣有利于降低對固態開關V的參數要求，降低成本和提高可靠性。變壓器的參數巧、
r2、 x2隨著變壓器T的選定而確定。[0061] 最后，在選定C和T后，根據公式(1)和公式(2)，計算R。 總之，按照公式(1) 、 (2) 、 (3) 、 (4)來選擇參數C、R和變壓器，首先要保證電力系統短路時候能使短路電流限制在合適的范圍內，同時又能滿足既有電力系統繼電保護正常運行對短路電流值的要求；其次是要滿足對固態開關V的參數要求不能太高以降低成本和提高可靠性；再次就是盡可能降低變壓器的容量，以減少變壓器的體積與重量，降低造價。最后盡可能使電力系統正常運行時，能給線路最大的補償。
權利要求一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，其特征是由補償電容器，變壓器，限流電阻，固態控制開關組成；變壓器的一次側與電容器并聯，變壓器的二次側與限流電阻和固態開關組成的串聯電路并聯。
2. 根據權利要求1所述的一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，其特征在于所述故障限流器是通過M、 N端口串接在電力系統的線路中。
3. 根據權利要求1所述的一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，其特征在于所述固態控制開關是可控硅、GT0大功率可控器件，在正常運行時固態開關V關斷。
4. 根據權利要求1所述的一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，對于單相電力系統，其特征在于變壓器T為單相雙繞組變壓器。
5. 根據權利要求1所述的一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，對于三相電力系統，其特征在于變壓器T為三相雙繞組變壓器，電容C為3個，分別并接于變壓器T的一次側A、 B、 C相上；限流電阻R和固態開關V組成的串聯電路也為3個，分別并接于變壓器 T的二次側a、b、 c相上。
專利摘要一種具有串聯補償功能的并聯諧振式短路故障限流器，屬于柔性交流輸電技術領域。電力系統短路故障電流的數值不斷提高，短路故障對電力系統及與其相連的電氣設備的破壞性越來越大。目前大的短路電流已成為制約電網運行和發展的重要因素之一，限制電力系統短路電流已成為重要的問題。由補償電容器C，變壓器T，限流電阻R，固態控制開關V組成。在電力系統正常運行時，本實用新型相當于串聯電容對線路電抗起串聯補償作用。借串聯補償電容抵償部分或是全部線路電感，從而減少無功潮流在電網中產生的電壓損耗，提高了線路末端電壓，又提高了系統運行的穩定性。在電力系統故障時，通過固態開關V的閉合，故障限流器發生并聯諧振，從而限制了短路電流。
文檔編號H02H9/02GK201466702SQ20092011034
公開日2010年5月12日 申請日期2009年7月27日 優先權日2009年7月27日
發明者劉平竹 申請人:北京交通大學