专利名称：自触发式直流电抗器型限流器及其应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电力系统限流装置，特别是一种用于输配电网中限制短路故障电
流的电抗器型限流器。
背景技术：
随着我国工业现代化程度的快速提升，对其有重要保障作用的电力系统规模也随 之不断扩大，电力系统中短路电流逐年攀升。短路电流超标已成为电力系统规划、设计、运 行面临的重大问题。 常用限制短路电流的措施是要么改变电网系统的运行方式，要么在系统中接入限 流装置。前者为电网分层分区运行，优化电源接入。但合理的分层分区实施方案需要有合 适的网络结构作为支撑，供电紧张的情况下，分层分区运行往往难以实现。同时也应看到， 分层分区伴随着局部电网供电可靠性及稳定性下降等一些负面影响；后者包括采用普通串 联电抗器、大容量高速开关与电抗器并联装置、新型短路电流限制器。 其中，普通串联电抗器是将固定阻抗的电抗器串联入电网，是一种传统的限流技 术，运行方式简单、安全可靠，但影响电力系统的潮流分布且增加了无功损耗和电压降，对 系统的稳定性也有一定影响。目前在国内普通串联电抗器较多应用于中低压电网，超高压 电网中尚无应用于限制短路电流的实例。 采用大容量高速开关与电抗器并联方式，例如FSR装置可以与普通电抗器并联。 正常运行时将电抗器短接，系统短路时FSR快速断开，将电抗器串入电网以限制短路电流， 从而实现正常方式下零阻抗，发生短路故障在极短时间内投入电抗器呈现高阻抗的特性。 但该装置也存在着先天不足，FSR装置中载流桥体断开是依靠炸药爆破完成的，炸药是一次 性的，无法进行检测，长时间运行后存在因炸药受潮变质不能及时爆破的后果，而且不可重 复使用，并且只能用于35kV以下电压等级。 应用新型短路电流限制器，可实现正常方式下装置呈现零阻抗或低阻抗，发生短 路故障在极短时间内呈现高阻抗的特性，但现有新型短路故障限流器仍存在一些不足l、 超导型故障限流(SFCL):分为电阻型和电感超导型。电阻型在电流正常时，超导体处在超 导状态没有电阻。假使电流增加超过了临界电流，则超导体退出超导状态，具有高值电阻与 电网串联，从而限制短路电流。电感型在电流正常时，超导体环的电流去磁或者使铁芯处于 磁饱和状态，使此FCL的运行方式呈低阻抗(近乎漏磁电抗)。当电流增加超过临界电流 时，此超导体环进入高阻抗状态，从而起到限制短路电流的作用。超导限流器存在超导物 理材料和机械性能受局限，制造成本高，运行费用高等问题。2、PTC热敏电阻短路电流限制 器利用PTC热敏电阻非线性电阻在正常电流时，电阻温度较低具有阻抗小的特性，当短路 电流超过临界值后温度上升，电阻值增大从而达到限流目的。但存在恢复时间长，稳定性差 等缺点。3、现有的固态型故障限流器主要有磁饱和型短路限流器、直流电抗器型短路电流 限制器。固态型故障限流器具有动作快、恢复时间短的优点。但现有的直流电抗器型短路 电流限制器存在结构复杂、控制不合理、谐波含量大、可靠性差等缺点。磁饱和型短路限流器一般需要直流偏磁电源，同样存在着成本高，可靠性能差等问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是为克服现有短路故障限流器的不足，提供一种结构简单，能够实现自动控制，并能快速有效地限制故障电流，减小稳态电流畸变，且可应用于高压、超高压电网中的大功率限流器。 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是 —种自触发式直流电抗器型限流器，包括由二极管构成的整流桥电路、并联在整流桥电路直流输出二端口之间的限流电抗器，所述限流电抗器主要包括主绕组、偏磁绕组和铁芯，偏磁绕组与主绕组串联，偏磁绕组的两端并联一个由控制方式为自触发方式的固态开关和触发装置构成的开关控制回路。自触发式直流电抗器型限流器串接于系统的某一相电源与负载之间，构成单相自触发式直流电抗器型限流器。 本发明的一种具体结构为所述整流桥电路为由四只二极管组成的单相整流桥电路，构成单相自触发式直流电抗器型限流器。 本发明的上述结构应用于单相电源时，是直接将单相自触发式直流电抗器型限流器串联在单相电源和负载之间；自触发式直流电抗器型限流器应用于三相系统中，是由三
个自触发式直流电抗器型限流器分别串接于三相系统的每一相电源和负载之间，构成三相自触发式直流电抗器型限流器。 本发明的上述结构的另一种应用是自触发式直流电抗器型限流器应用于高压或超高压电网系统中，是并联在耦合变压器的副边，串接于单相电源和负载之间，构成单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器；所述单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器，应用于三相系统中，由三个单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器分别串接于三相系统每一相电源和负载之间，构成三相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器。 本发明另一种具体结构为所述整流桥电路为由八只二极管组成的三相全桥整流电路，三相全桥整流电路的直流输出二端口之间并联限流电抗器，三相全桥整流电路的直流输出二端口与限流电抗器并联，限流电抗器包括主绕组、偏磁绕组和铁芯，电抗器的偏磁绕组与主绕组串联，偏磁绕组的两端并联一个包括固态开关和触发装置的开关控制回路。三相全桥整流电路串接在三相电源和负载之间，构成三相自触发式直流电抗器型限流器。
上述具体结构的另一种应用在于所述自触发式直流电抗器型限流器与第一耦合变压器、第二耦合变压器、第三耦合变压器的副边连接，构成带耦合变压器的三相自触发式直流电抗器型限流器。 本发明的固态开关进一步限定为固态开关为固态继电器、晶闸管或可控硅元件的其中一种。
本发明所述偏磁绕组的改进在于所述偏磁绕组为一个或一个以上。
本发明的工作原理如下 本发明采用由功率二极管组成的整流桥电路，对进入装置的负荷电流进行整流。将电抗器偏磁绕组L。与电抗器的主绕组串联后，并联到整流桥电路的直流输出二端口 。系统正常运行时，系统交变电压使得二极管轮流导通，使得负荷电流在装置内体现直流，直流电流流过偏磁绕组和主绕组，磁场方向不发生变化，所以无需增加直流励磁电源，亦能使得电抗器铁芯处于饱和状态，从而使得电抗器在正常运行时，呈现低阻抗，几乎不增加电网无功损耗、电压损失，而对于系统负载，负荷电流则仍体现为交变的电流。当系统发生短路故障时，短路电流迅速上升，触发装置根据故障电流的变化自动触发固态开关使之导通，将电抗器的偏磁绕组短路，偏磁绕组产生的磁通减小，并通过短接回路消磁，电抗器铁芯立即退出饱和状态，使电抗器的阻抗增大，从而实现对暂态故障电流以及稳态故障电流的抑制作用。
由于采用了上述技术方案，本发明所取得技术进步在于 本发明偏磁限流电抗器的设计，使得系统在正常运行时，无需直流电源而使电抗器铁芯处于深度饱和状态，减小了对线路的影响，同时也大大降低了系统无功功率和线路电压的损耗；固态开关控制方式为自触发方式，无需另外提供电源和控制引线，从而使其运行更为可靠、安全；固态开关的设计，使得本发明能够自动快速响应系统短路故障电流的增大，使限流 电抗器在短时间内迅速退出饱和状态，改变线路的阻抗参数，从而有效抑制短路电流的增长，其限流能力显著增强，减小短路时对系统的冲击；装置可靠性增强，降低成本。固态开关可以为晶闸管或其他固态继电器，触发装置触发导通后，可以立即短接偏磁绕组；固态开关为可控硅时，还可以实现短路故障消除后可控硅的自动关断，使限流电抗器以及电网系统迅速恢复正常工作状态，限流电抗器与固态开关串联，可以使线路电流谐波含量降低，进而减少畸变，还可以配合线路开关的动作，实现自动重合闸功能。本发明使得拓扑结构得到简化，且回路中无需另加直流励磁电源，降低了限流器的成本，提高了电网运行的可靠性。 本发明不仅可以应用在中、低压电网中，还可以应用在高压电网，甚至超高压电网系统中，进一步提高电网运行的安全可靠性。本发明可以设置一个或者多个偏磁绕组，从而实现对故障电流的精确限制，减小稳态电流畸变。
图1 图2 图3 图4 图5 图6
:本发明实施例:本发明实施例:本发明实施例:本发明实施例:本发明实施例:本发明实施例
1电原理图;2电原理图;3电原理图;4电原理图;5电原理图;6电原理图。
具体实施方式
实施例1 图1所示为一种自触发式直流电抗器型限流器的电原理图，包括由四只功率二极管Dp D2、 D3、 D4组成的整流桥电路，整流桥电路的直流输出二端口与限流电抗器并联，限流电抗器由主绕组k、偏磁绕组L。和铁芯构成，电抗器的偏磁绕组L。与主绕组k串联，偏磁绕组^的两端并联一个由固态开关Kp和触发装置CF构成的开关控制回路。AC为系统电源，SW为线路出线开关，RL为系统负载。
当系统正常运行时，回路中的负荷电流L不大于线路最大负荷电流Ie。在负荷电流的正半周，电流上升阶段功率二极管D^W正向导通，功率二极管02、03承受反压关断；电流下降阶段功率二极管承受反压关断，功率二极管D2、D3导通续流；固态开关KP处于关断状态，电流流过限流电抗器的主绕组和偏磁绕组L。，感生磁通使铁芯进入饱和状态，铁芯磁导率处于较低的水平，使得电抗器主绕组^有较小的感抗，以减小系统在正常运行时无功损耗和线路末端电压降低；同理，在负荷电流负半周时，电抗器铁芯仍处于饱和区，感抗依然较小，同样可以达到减小无功损耗和线路末端电压降低的目的。
当系统发生短路故障时，负荷电流^大于线路最大负荷电流Ie，触发装置CF自动触发固态开关Kp导通，偏磁线圈L。被短路，电流通过固态开关Kp流过主绕组Lp并通过偏磁绕组L。消磁，铁芯迅速退出饱和状态，限流电抗器主绕组1^的感抗迅速增大，使得电网阻抗参数发生改变，将短路电流限制在较小值。 当系统故障消除后，系统的负荷电流^不大于最大负荷电流Ie，固态开关Kp在触发装置CF的作用下自动关断，偏磁绕组L。投入回路中，系统恢复正常运行状态。
实施例2 图2为本发明实施例2 —种应用于三相系统中的自触发式直流电抗器型限流器的电原理图。该实施例是由三个单相自触发式直流电抗器型限流器，分别串接在三相系统的各相电源与负载之间构成。其每一相的工作原理如图所示，与实施例1相同。
实施例3 图3为本发明实施例3 —种单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器的
电原理图。其中TR为耦合变压器，单相自触发式直流电抗器型限流器并联在耦合变压器的
副边，构成单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器，单相带耦合变压器的自触
发式直流电抗器的工作原理与实施例l相同。主要应用于高压或超高压系统中，将高电压
耦合到低电压等级，从而降低了线路中各器件的额定电压和绝缘级别的要求，达到节约成
本的目的。 实施例4 图4为本发明实施例4 一种三相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器的电原理图。由三个单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器应用于三相系统中，分别串接在三相系统的各相电源与负载之间。其工作原理与实施例3相同。
实施例5 图5为另一种自触发式直流电抗器型限流器的电原理图。包括由八只二极管D^HHDe、D7、D8组成的三相全桥整流电路，三相全桥整流电路的直流输出二端口与限流电抗器连接，限流电抗器由主绕组k、偏磁绕组L。和铁芯构成，偏磁绕组L。与电抗器的主绕组串联，偏磁绕组L。的两端并联一个由固态开关Kp和触发装置CF构成的开关控制回路，三相全桥整流电路串接在三相电源和负载之间，构成三相自触发式直流电抗器型限流器。 在系统正常运行时，二极管D^D^D^W和二极管D2、D4、D6、D8处于交替导通状态，负荷电流L不大于最大负荷电流Ie，固态开关Kp处于关断状态，偏磁绕组L。串联在主绕组k回路中，其感生的磁通使限流电抗器运行在饱和状态，对线路无限流作用。当系统发生故障时，故障短路电流迅速增大超过线路最大负荷电流Ie，此时其中一相的二极管D"Ds正向导通，而二极管D2、D7反向截止；或者二极管D2、D7正向导通，二极管D^Ds反向截止，触发装置CF触发固态开关Kp导通，从而短接偏磁绕组L。，使限流电抗器退出饱和状态，感抗自动迅速增大，进而有效抑制故障短路电流。其他两相工作原理相同。
实施例6 图6为本发明实施例6 —种三相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器的电原理图。三相自触发式直流电抗器型限流器与三个耦合变压器的副边并联。其工作原理与实施例5相同。
权利要求
一种自触发式直流电抗器型限流器，包括由二极管构成的整流桥电路、并联在整流桥电路直流输出二端口之间的限流电抗器，其特征在于所述限流电抗器主要包括主绕组(L1)、偏磁绕组(L0)和铁芯，偏磁绕组(L0)与主绕组(L1)串联，偏磁绕组(L0)的两端并联一个由控制方式为自触发方式的固态开关(Kp)和触发装置(CF)构成的开关控制回路。
2. 根据权利要求1所述的自触发式直流电抗器型限流器，其特征在于所述整流桥电路为由四只二极管组成的单相整流桥电路，构成单相自触发式直流电抗器型限流器。
3. 根据权利要求1所述的自触发式直流电抗器型限流器，其特征在于所述整流桥电路为由八只二极管组成的三相全桥整流电路，三相全桥整流电路的直流输出二端口之间并联限流电抗器，限流电抗器包括主绕组(L》、偏磁绕组(L。)和铁芯，偏磁绕组(L。)与主绕组(L》串联，偏磁绕组(L。)的两端并联一个包括固态开关(Kp)和触发装置(CF)的开关控制回路。
4. 根据权利要求1至3任一项所述的自触发式直流电抗器型限流器，其特征在于所述固态开关为固态继电器、晶闸管或可控硅元件的其中一种。
5. 根据权利要求1至3任一项所述的自触发式直流电抗器型限流器，其特征在于所述偏磁绕组为一个或一个以上。
6. 根据权利要求2所述的自触发式直流电抗器型限流器的应用，其特征在于自触发式直流电抗器型限流器应用于三相系统中，是由三个自触发式直流电抗器型限流器分别串接于三相系统的每一相电源和负载之间，构成三相自触发式直流电抗器型限流器。
7. 根据权利要求2所述的自触发式直流电抗器型限流器的应用，其特征在于自触发式直流电抗器型限流器应用于高压或超高压电网系统中，并联在耦合变压器(TR)的副边，串接于单相电源和负载之间，构成单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器；所述单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器，应用于三相系统中，由三个单相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器分别串接于三相系统每一相电源和负载之间，构成三相带耦合变压器的自触发式直流电抗器型限流器。
8. 根据权利要求3所述的自触发式直流电抗器型限流器的应用，其特征在于所述自触发式直流电抗器型限流器与第一耦合变压器、第二耦合变压器、第三耦合变压器的副边连接，构成带耦合变压器的三相自触发式直流电抗器型限流器。
全文摘要
本发明公开了一种自触发式直流电抗器型限流器及其应用，该装置包括由二极管构成的整流桥电路，整流桥电路的直流输出二端口与限流电抗器并联，所述限流电抗器主要由主绕组、偏磁绕组和铁芯构成，偏磁绕组与电抗器的主绕组串联，偏磁绕组的两端并联一个由固态开关和触发装置构成的控制开关回路，固态开关的控制方式为自触发方式，无需另外提供电源和控制引线，从而使其运行更为可靠、安全。本发明串接在单相或三相回路的电源与负载之间，能够实现自动控制，开关动作迅速，延时短、恢复速度快，并能快速有效地限制故障短路电流，减小稳态电流畸变，提高电网安全运行的可靠性。
文档编号H02H9/02GK101707364SQ20091017529
公开日2010年5月12日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者于云霞, 张旭辉, 王苏 申请人:河北旭辉电气股份有限公司