专利名称：一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种串联谐振型限流器。
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，带动了电力系统的不断发展，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，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统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系统的容量直接相关，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系统的容量的增长，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，断路器的开断能力已经越来越难以适应电网运行的需要。短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。当前比较成熟的故障限流器技术主要有串联限流电抗器、串联谐振型限流器、可控串补限流器等，而处于研究阶段的故障限流器技术主要是应用新材料实现的限流技术，包括超导限流器、PTC热敏电阻限流器。PTC 热敏电阻限流器(Repetitive current limiter basedon polymeter PTCresistor.1EEE Transon Power Delivery, 1998, 13(2):489-494.)是一种基于绝缘体-金属相变材料的电阻型限流器，目前采用的绝缘体-金属相变材料主要有BaTi03和有机高分子聚合物等热敏材料。中国专利200710036527 “基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法”还提出了一种基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法。另外，超导电阻型限流器也是一种基于相变材料的限流器。PTC绝缘体-金属相变材料制作的热敏电阻，在温度作用下能够发生相变，从而引起其电阻性能产生巨大的变化，在低于相变温度时处于低阻态，在高于相变温度时处于高阻态，两种状态下的电阻相差可达五个数量级以上。基于PTC材料和超导材料的限流器，在发生短路故障时，由于电阻的阻值增加，同时又承受大电流，因此电阻的发热量和损耗非常大，这对制作电阻提出了很高的要求，制约了其大规模的发展。在当前的限流器技术中，串联谐振型限流器的技术较为成熟，可靠性也较高。串联谐振型限流器没有无功功率损耗，具有很大的应用前景。对于串联谐振型限流器而言，电容器旁通电路是一个关键技术，主要有以下几种旁通电路:基于饱和电抗器的旁通电路(两种经济型故障限流器的工作特性比较，电力系统及其自动化学报，2005，17 (4):71-75)、基于避雷器的旁通电路(氧化锌避雷器式故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响，电力自动化设备，2007，27 (8):51-54)。采用避雷器作为旁通电路，尽管响应速度快，但是避雷器有一定残压，通过短路电流时损耗很大。
发明内容
为了克服常规串联谐振型限流器的缺点，本发明提出一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器。本发明基于绝缘体-金属相变电阻的限流器采用V02、V203等负温度系数相变材料的片、块或薄膜制成的电阻模块串联和并联组合而成。将绝缘体-金属相变电阻作为电容器的旁通电路，或者采用绝缘体-金属相变电阻与避雷器配合使用，可进一步加快电容器旁通电路的响应速度，并有效保护避雷器。本发明提出的基于绝缘体-金属相变电阻的限流器，灵活、易实施，可应用于各种不同电压等级、不同容量的电网系统中。以VO2绝缘体-金属相变材料为例，随着温度的升高，在68°C附近会发生单斜结构和金红石结构的晶型转变，与此同时由半导体态转变为金属态，此转变在纳秒级时间范围内发生，随之伴随着电阻率、磁化率、光的透过率和反射率的可逆突变。应用VO2绝缘体-金属相变材料可比较方便制作出绝缘体-金属相变电阻单元模块，由于相变材料的高、低阻两种状态之间是可逆变化的，这种新型限流器可重复使用，在电力系统和电气电子线路领域具有非常广泛的应用前景。为了实现上述目的，本发明可以采用以下两种技术方案:第一种基于相变材料的限流器，采用绝缘体-金属相变电阻与电容器先并联之后，再与电抗器串联。在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻呈大电阻状态，电流主要从电抗器和电容器串联组成的电路中流过，电抗器和电容器组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小。在电网系统发生故障短路时，绝缘体-金属相变电阻快速反应呈小电阻状态，短路电流从电容器支路转移到绝缘体-金属相变电阻支路，整个电网系统的阻抗增加，短路电流下降；第二种基于相变材料的限流器，采用绝缘体-金属相变电阻、避雷器与电容器先并联之后，再与电抗器串联。在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻呈大电阻状态，电流主要从电抗器和电容器串联组成的电路中流过，电抗器和电容器组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小。在电网系统发生故障短路时，避雷器快速响应，短路电流从电容器支路转移到避雷器支路，整个电网系统的阻抗增加，短路电流下降；接下来，绝缘体-金属相变电阻温升增加，呈小电阻状态，短路电流从电容器支路和避雷器支路转移到绝缘体-金属相变电阻支路，电网系统的阻抗进一步增加，短路电流进一步下降；该限流器在正常运行时表现为低阻抗，对电网系统影响很小；而在短路故障时表现为大阻抗，可有效限制短路电流。本发明具有以下主要优点:I)本发明限流器对电网的稳态影响小。在正常运行时，故障电流器的稳态阻抗很小，不会增加系统无功。2)本发明应用绝缘体-金属相变电阻的电阻变化来抑制故障电流，能够实现自动响应且响应速度快，且结构简单、可靠性高。3)本发明可用于构造大容量的限流器。采用多个相变电阻串并联作为电容器的旁通电路，在正常工作时损耗很低，在通过短路电流时发热量也不大，可有效降低电阻制作的技术难度。
图1为VO2材料电阻率随温度的变化曲线图；图2为本发明实施例1基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器电路图；图3为本发明实施例2基于绝缘体-金属相变电阻和避雷器的谐振型限流器电路图。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。本发明采用V02、V2O3等负温度系数相变材料的片、块或薄膜制成的电阻模块串并联组合形成绝缘体-金属相变电阻Rpc，应用于串联谐振型故障限流器，可提高响应的快速性、可靠性。图1所示为VO2材料电阻率随温度的变化曲线，可以看出，VO2的相变温度在320K-340K之间，在高于相变温度时，VO2的电阻率可下降4_5个数量级，由半导体变为良导体。图2为本发明实施例1基于绝缘体-金属相变材料的谐振型限流器。所述限流器采用绝缘体-金属相变电阻Rpc与电容器C先并联之后，再与电抗器L串联。在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻Rpc呈大电阻状态，电流主要从电抗器L和电容器C串联组成的电路中流过，电抗器L和电容器C组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小。在电网系统发生故障短路时，绝缘体-金属相变电阻Rpc上的电压增加，温升也增加，绝缘体-金属相变电阻Rpc产生相变呈小电阻状态，短路电流从电容器C支路转移到绝缘体-金属相变电阻Rpc支路，整个电网系统的阻抗增加，短路电流下降；绝缘体-金属相变电阻既可以单独使用，也可以与其他配合开关元件配合使用。图3所示为实施例2基于绝缘体-金属相变电阻Rpc和避雷器MOV的串联谐振型限流器。所述的限流器采用绝缘体-金属相变电阻Rpc、避雷器MOV与电容器C先并联，之后再与电抗器L串联。在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻Rpc和避雷器MOV均呈大电阻状态，电流主要从电抗器L和电容器C串联组成的电路中流过，电抗器L和电容器C组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小；在突发短路故障时，电容器两端容易产生过电压，为了保护电容器并降低电容器的成本，采用避雷器MOV与绝缘体-金属相变电阻Rpc配合使用，可有效控制电容器的压降。由于避雷器MOV具有残压，在短路冲击电流流过时会产生很多热量，这是制约大容量避雷器发展的因素之一。采用绝缘体-金属相变电阻Rpc和避雷器MOV并联，可有效解决避雷器无法长时间通过短路电流的问题，绝缘体-金属相变电阻在流过短路电流时，由于温升增加，电阻产生相变成为良导体，在短路电流通过时产生的热量比较少，并可以有效保护避雷器MOV免受长时间过电流的冲击。
权利要求
1.一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器，其特征在于，所述的限流器采用绝缘体-金属相变电阻(Rpc)与电容器(C)先并联，之后再与电抗器(L)串联；在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻(Rpc)呈大电阻状态，电流主要从电抗器(L)和电容器(C)串联组成的电路中流过，电抗器(L)和电容器(C)组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小；在电网系统发生故障短路时，绝缘体-金属相变电阻(Rpc)快速反应呈小电阻状态，短路电流从电容器(C)支路转移到绝缘体-金属相变电阻(Rpc)支路，整个电网系统的阻抗增加，短路电流下降。
2.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述的限流器采用绝缘体-金属相变电阻(Rpc)、避雷器(MOV)与电容器(C)先并联，之后再与电抗器(L)串联；在电网系统正常工作时，绝缘体-金属相变电阻(Rpc)和避雷器(MOV)呈大电阻状态，电流主要从电抗器(L)和电容器(C)串联组成的电路中流过，电抗器(L)和电容器(C)组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小；在电网系统发生故障短路时，避雷器(MOV)快速响应，短路电流从电容器(C)支路转移到避雷器(MOV)支路，整个系统的阻抗增加，短路电流下降；然后，绝缘体-金属相变电阻(Rpc)温升增加，呈小电阻状态，短路电流从电容器(C)支路和避雷器(MOV)支路转移到绝缘体-金属相变电阻(Rpc)支路，电网系统的阻抗进一步增加，短路电流进一步下降。
3.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述的绝缘体-金属相变电阻(Rpc)由绝缘体-金属相变材料制成的电阻模块串联和并联组合而成；在通过小电流时，所述的绝缘体-金属相变电阻(Rpc)的温度低于相变温度，所述的绝缘体-金属相变材料为半导体态，电阻率很大；在通过大电流时，所述的绝缘体-金属相变电阻(Rpc)的温度高于相变温度，所述的相变材料为金属态，电阻率降低三个数量级以上。
4.根据权利要求3所述的限流器，其特征在于，所述的绝缘体-金属相变材料为V02、V2O3负温度系数相变材料制成的片状或块状或薄膜。
全文摘要
一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器，由绝缘体-金属相变材料制作的电阻(Rpc)与电容器(C)并联，再与电抗器(L)串联；正常工作时，相变电阻(Rpc)呈大电阻状态，通过电流较小，温升较低，电流主要从电抗器(L)和电容器(C)串联组成的电路中流过，电抗器(L)和电容器(C)组成串联谐振电路，呈低阻抗状态，对电网系统影响很小。在电网系统发生故障短路时，相变电阻(Rpc)中流过的电流增加，温度迅速升高，绝缘体-金属相变材料发生相变，呈小电阻状态。短路电流从电容器(C)支路转移到相变电阻(Rpc)支路，电网系统的阻抗增加，短路电流下降。所述的绝缘体-金属相变材料为VO2、V2O3等负温度系数绝缘体-金属相变材料。
文档编号H02H9/02GK103117538SQ20131004760
公开日2013年5月22日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者肖立业, 邱清泉, 张志丰, 戴少涛, 林良真, 屈飞 申请人:中国科学院电工研究所