申请/专利权人：华中科技大学;广州供电局有限公司

申请日：2017-10-30

公开（公告）日：2024-03-19

公开（公告）号：CN107645156B

主分类号：H02H9/02

分类号：H02H9/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.19#授权;2018.03.06#实质审查的生效;2018.01.30#公开

摘要：本发明公开了一种短路故障限流器，包括耦合电抗器，第一快速开关和第二快速开关，第一快速开关、耦合电抗器的一臂电感和第二快速开关依次串联连接；耦合电抗器的另一臂电感并联在第一快速开关的输入端和第二快速开关的输出端之间；当系统发生故障时，第一快速开关和第二快速开关同时断开，耦合电抗器的一臂电感从系统中切除，耦合电抗器的另一臂电感接入电网中限制故障电流。本发明中，当发生短路故障时，快速开关不需要开断满容量的短路电流，开断的电流与耦合电抗器参数有关；当耦合电抗器两臂电感相等时，快速开关仅需要开断一半故障电流；减小了故障电流对系统的影响，增加断路器开断的可靠性。

主权项：1.一种短路故障限流器，其特征在于，包括：耦合电抗器，第一快速开关CB1和第二快速开关CB2；所述第一快速开关CB1、所述耦合电抗器的一臂电感L1和所述第二快速开关CB2依次串联连接；所述耦合电抗器的另一臂电感L2并联在所述第一快速开关CB1的输入端和所述第二快速开关CB2的输出端之间；当系统发生故障时，所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2同时断开，所述耦合电抗器的一臂电感L1从系统中切除，所述耦合电抗器的另一臂电感L2接入电网中限制故障电流；所述耦合电抗器为两反向高度耦合电抗器，电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第一快速开关CB1的输出端连接，所述耦合电抗器的一臂电感L1的同名端与所述第二快速开关CB2的输入端连接；所述耦合电抗器的另一臂电感L2的同名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接；或者，电抗器的一臂电感L1的同名端与所述第一快速开关CB1的输出端连接，所述耦合电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第二快速开关CB2的输入端连接；所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的同名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接；所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2结构相同。

全文数据：一种短路故障限流器技术领域[0001]本发明属于限流器领域，更具体地，涉及一种基于親合电抗器的短路故障限流器。背景技术[0002]近年来，随着电力系统的快速发展，系统容量不断增大，短路电流水平急剧增加，对电网安全和稳定运行带来了严重的威胁，制约了电力系统的发展。另外，由于材料、工艺等方面的诸多限制，直接提高现有单体断路器的开断容量十分困难。因此，必须采取有效的措施来限制短路故障电流。[0003]故障限流器作为一种限制短路故障电流的技术方案，能够有效的限制电网中的短路电流水平。故障限流器具有以下优点：一方面，可以显著降低对断路器开断容量的要求，保证断路器能够正常开断大的故障电流；另一方面，能够减轻电网中各种高压电器设备的动、热稳定负担，保证电网的安全与稳定运行。因此研宄性能优良、经济合理的新型故障限流器具有重要的现实意义和应用价值。[0004]目前已有的故障限流器主要有以下几种：（1超导限流器，然而该类型限流器成本高，体积大，在技术、经济性和便利性等方面有许多问题需要解决。（2固态限流器:然而该方案成本较高，受到大功率电力电子器件发展水平的限制。（3谐振型限流器，然而该方案引入了电感、电容元件，增加了系统产生振荡和过电压的可能性，对电容元件的要求高。以上限流方案由于种种缺陷而限制了其在实际系统中的应用。发明内容[0005]针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种短路故障限流器，其目的在于当系统发生故障时能有效限制故障电流，减小故障电流对系统的影响，增加断路器开断的可靠性。[0006]本发明提供了一种短路故障限流器，包括:耦合电抗器，第一快速开关CB1和第二快速开关CB2,所述第一快速开关CB1、所述耦合电抗器的一臂电感L1和所述第二快速开关CB2依次串联连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2并联在所述第一快速开关CB1的输入端和所述第二快速开关CB2的输出端之间；当系统发生故障时，所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2同时断开，所述耦合电抗器的一臂电感L1从系统中切除，所述耦合电抗器的另一臂电感L2接入电网中限制故障电流。[0007]更进一步地，还包括:第一均压电容C1和第二均压电容C2;所述第一均压电容C1与所述第一快速开关CB1并联，所述第二均压电容C2与所述第二快速开关CB2并联。[0008]更进一步地，親合电抗器两臂电感反向稱合，親合电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第一快速开关CB1的输出端连接，所述親合电抗器的一臂电感11的同名端与所述第二快速开关CB2的输入端连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2的同名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接;或者，耦合电抗器的一臂电感L1的同名端与所述第一快速开关™1的输出端连接，所述稱合电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第一快速开关CB2的输入端连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的通同名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接。[0009]更进一步地，第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2结构相同，且所述第一快速开关CB1需要开断的电流为所述耦合电抗器两臂电感分担的故障电流，所述第一快速开关CB1断口的电压等级根据系统电压及限流工况下的感应电压确定。[0010]更进一步地，第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2均为满足快速开断与同步开断要求的断路器，具体可以为真空断路器。[0011]本发明具有以下优点：[0012]1在正常工况下，耦合电抗器对外表现为很小的漏抗，限流器对系统基本无影响。[0013]2发生短路故障时，快速开关不需要开断满容量的短路电流，开断的电流与耦合电抗器参数有关;当耦合电抗器两臂电感相等时，快速开关仅需要开断一半故障电流。[0014]3合理设置耦合电抗器进出线方式后，耦合电抗器两臂绕组间基本等电位，两臂绕组间需要耐受的电压非常小，对耦合电抗器的绝缘设计要求低，应用于高电压等级系统时优势明显。[0015]4两个快速开关经耦合电抗器一臂绕组串联并且同时断开，因此每个开关断开过程中的恢复电压降低，对每个开关的要求降低。附图说明[0016]图1为本发明实施例提供的短路故障限流器的原理框图。[0017]图2为本发明实施例提供的短路故障限流器的电路图。[0018]图3为本发明实施例提供的短路故障限流器在限制故障电流时耦合电抗器两臂绕组之间的电位示意图。[0019]图4为本发明实施例提供的短路故障限流器应用在电力系统中的原理图。具体实施方式[0020]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0021]本发明提出的基于耦合电抗器的短路故障限流器，在正常工况下对系统的影响很小，在系统发生故障时能有效限制故障电流，减小故障电流对系统的影响，增加断路器开断的可靠性。[0022]本发明提供了一种短路故障限流器，包括:耦合电抗器和快速开关;快速开关分别与耦合电抗器一臂电感两端串联连接，然后一起与耦合电抗器另一臂并联后接入电力系统线路中。系统正常运行时，耦合电抗器对外表现为很小的漏感，对系统的影响可以忽略不计;系统故障时，两个快速开关同时断开，耦合电抗器一臂电感从系统中切除，另外一臂电感接入电网中限制故障电流。[0023]在本发明实施例中，限流器拓扑可采用以下方案:耦合电抗器，两个快速开关CB1、CB2,且开关两端分别并联均压电容C1、C2。所述耦合电抗器的两臂反向紧耦合，其中一臂绕组即为限流电感，另一臂绕组两端分别与两个快速开关串联，然后与限流电感并联连接。[0024]其中，当系统正常运行时，由于耦合电抗器是反向紧耦合，对外呈现为很小的漏感，对系统的影响很小；发生短路故障时，快速开关同步断开，耦合电抗器限流电感接入电路起到限流作用。[0025]本发明实施例中，根据系统短路故障电流合理匹配方案中耦合电抗器的参数，主要包括耦合电抗器单臂电感及耦合系数等参数，并且合理选择快速开关和均压电容。[0026]本发明在正常工况下，耦合电抗器对外表现为很小的漏抗，限流器对系统基本无影响。发生短路故障时，快速开关不需要开断满容量的短路电流，开断的电流与耦合电抗器参数有关；当耦合电抗器两臂电感相等时，快速开关仅需要开断一半故障电流。通过合理设置耦合电抗器进出线方式后，耦合电抗器两臂绕组间基本等电位，两臂绕组间需要耐受的电压非常小，对耦合电抗器的绝缘设计要求低，应用于高电压等级系统时优势明显。两个快速开关经耦合电抗器一臂绕组串联并且同时断开，因此每个开关断开过程中的恢复电压降低，对每个开关的要求降低。[0027]在本发明实施例中，由于考虑到系统电压等级较高时，一般快速开关将难以满足恢复电压要求，因此快速开关可以由多个单断口断路器串联而成，串联个数和电压等级可以根据整个系统的电压等级和限流工况下的感应电压确定。[0028]同时，由于考虑到系统电压等级较高时，耦合电抗器绝缘设计难以满足要求，因此可以将此限流器模块化处理，采用多模块串联运行的方式，可以有效降低对耦合电抗器绝缘以及快速开关的恢复电压要求。[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明如下：[0030]图1为一种短路故障限流器的原理框图；其中快速开关1和快速开关2与耦合电抗器一臂电感串联，分别接在单臂绕组两端，耦合电抗器另一臂绕组即为限流电感。耦合电抗器一臂绕组作为限流电感，另一臂绕组两端分别串联连接快速开关，在开关动作前与限流电感共同承担故障电流。系统发生短路故障时，快速开关同时断开，耦合电抗器一臂绕组从系统中切除，另一臂绕组作为限流电感限制故障电流。[0031]由于耦合电抗器在限流状态时断开的绕组上存在感应电压，对电抗器的绕组间绝缘有一定影响，提高了耦合电抗器的设计难度;然后本发明通过两个快速开关完全切除耦合电抗器一臂绕组，在合理设置绕组进出线方式后，两臂绕组间的电压非常低，显著降低了耦合电抗器两臂绕组间的绝缘要求，应用于高电压等级系统时优势明显。[0032]同时由于两个快速开关与耦合电抗器一臂电感串联连接，不需要开断满容量故障电流，并且两个开关同时断开，共同承担切除耦合电抗器一臂绕组后的恢复电压，因此降低了对每个开关的要求。[0033]图2为一种短路故障限流器的电路图;CB1、CB2为快速开关，C1、C2分别为快速开关两端并联的均压电容，L1、L2为耦合电抗器两臂电感，其中L2在快速开关断开后起到限流的作用。该方案由耦合电抗器、快速开关CB1、CB2以及开关两端并联的均压电容C1、C2组成，两均压电容可保证两快速开关两端电压相等，达到同时开断的目的。耦合电抗器两臂电感分别为L1、L2,其中L1两端分别连接快速开关CB1和CB2，L2为限流电感。[0034]图3为本发明的一种短路故障限流器应用在电力系统中的原理图，G为无穷大系统，T为变压器;若耦合电抗器两臂电感相等，按照图3所示的进出线方式接线，快速开关CB1、CB2断开后耦合电抗器两臂绕组之间为等电位，绕组间电压基本为0。[0035]本发明提出的故障限流器安装位置需综合考虑限流器的限流效果与限流范围，具体可应用于发电厂出口短路保护，发电厂分支母线和厂高变的短路保护，配电网母线连接处等。[0036]系统正常运行时，流过耦合电抗器两臂的电流与两臂电感L1、L2和耦合系数有关，当L1等于L^2时，流过耦合电抗器两臂的电流基本相同。由于耦合电抗器两臂反向耦合，且耦合系数很高，实际工程中一般可达到0•9以上，电抗器两臂同时通流时对外呈现为很小的漏感，小于5%的单臂电感，对系统的影响可以忽略。[0037]系统发生短路故障时，故障电流由耦合电抗器两臂电感共同承担。快速开关CB1、CB2与耦合电抗器一臂电感串联连接，因此不需要开断满容量的故障电流。均压电容C1和C2大小相等，因此CB1和CB2同时断开后，两个开关断口耐受的恢复电压相等。耦合电抗器的一臂电感从系统中完全断开，另一臂电感限制故障电流。根据系统电压等级和短路故障电流的大小，可以合理匹配耦合电抗器两臂电感大小和耦合系数。耦合电抗器的耦合系数一般取〇_9以上，耦合系数越大，耦合电抗器的漏感越小，正常工况下对系统的影响越小。耦合电抗器的两臂电感参数可以根据系统对故障限流器的要求确定，其中起限流作用的2臂电感L2必须保证将故障电流限制到要求的范围内，而L1和L2的大小决定了耦合电抗器两臂电感分担的电流大小，因此可以结合快速开关的开断能力确定L1的值，一般取L1和L2相等，即耦合电抗器两臂电感均分总的系统电流。[0038]在本发明实施例中，快速开关CB1和CB2的选取需综合考虑系统电压、故障电流和开关的开断容量，在可靠性的基础上综合考虑经济效益。快速开关需要开断的电流为耦合电抗器两臂电感分担的故障电流，断口的电压等级可以根据系统电压及限流工况下的感应电压确定。为了减小故障电流持续时间，一般采用开断速度快的真空断路器。[0039]图3为耦合电抗器两臂电感相等时绕组之间的电位示意图。快速开关CB1和CB2断开后，耦合电抗器限流电感会在断开的一臂绕组上产生一个感应电压。按照图3调整耦合电抗器两臂绕组的进出线方式后，两臂绕组之间基本为等电位，绕组间电压为0,因此耦合电抗器绕组间的绝缘要求很低，显著降低了耦合电抗器的设计难度。[0040]图4为短路故障限流器应用在电力系统中的原理图。由于限流器中的耦合电抗器绝缘要求低，限流器可以应用在高压母线上，如限制500kV母线的短路电流。当母线出现短路故障时，短路故障限流器迅速动作将故障电流限制到断路器开断能力范围内，可以解决母线短路电流超标问题，有利于电力系统的安全稳定运行。[0041]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种短路故障限流器，其特征在于，包括:耦合电抗器，第一快速开关CB1和第二快速开关CB2;所述第一快速开关CB1、所述耦合电抗器的一臂电感L1和所述第二快速开关CB2依次串联连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2并联在所述第一快速开关CB1的输入端和所述第二快速开关CB2的输出端之间；当系统发生故障时，所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2同时断开，所述耦合电抗器的一臂电感L1从系统中切除，所述耦合电抗器的另一臂电感L2接入电网中限制故障电流。2.如权利要求1所述的短路故障限流器，其特征在于，还包括:第一均压电容C1和第二均压电容C2;所述第一均压电容C1与所述第一快速开关CB1并联，所述第二均压电容C2与所述第二快速开关CB2并联。3.如权利要求1或2所述的短路故障限流器，其特征在于，所述耦合电抗器为两反向高度耦合电抗器，电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第一快速开关CB1的输出端连接，所述耦合电抗器的一臂电感L1的同名端与所述第二快速开关CB2的输入端连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2的同名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接；或者，电抗器的一臂电感L1的同名端与所述第一快速开关CB1的输出端连接，所述耦合电抗器的一臂电感L1的异名端与所述第二快速开关CB2的输入端连接;所述耦合电抗器的另一臂电感L2的异名端与所述第一快速开关CB1的输入端连接，所述耦合电抗器的另一臂电感L2的同名端与所述第二快速开关CB2的输出端连接。4.如权利要求1-3任一项所述的短路故障限流器，其特征在于，所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2结构相同，且所述第一快速开关CB1需要开断的电流为所述耦合电抗器两臂电感分担的故障电流，所述第一快速开关CB1断口的电压等级根据系统电压及限流工况下的感应电压确定。5.如权利要求4所述的短路故障限流器，其特征在于，所述第一快速开关CB1和所述第二快速开关CB2均为满足快速开断与同步开断要求的断路器。

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