一种基于igct半导体开关器件的短路电流限制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，包括步骤有：(1)短路电流发生的环境分类；(2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比；(3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；(4)限流过程的具体确定：(5)在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后进行故障抢修。本发明方法提供比机械开关更快的保护，并能提供更快的再次启动、工作可靠性高，使用寿命长，有效限制短路电流不仅仅可以解决电力系统短路容量超标问题,而且还可以降低电网中各种电气设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准,从而带来更大的经济效益。
【专利说明】-种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力系统自动化【技术领域】，尤其是一种基于IGCT半导体开关器件的 短路电流限制方法。
【背景技术】
[0002] 目前，电力系统广泛采用断路器对短路电流全额分断以保护系统的安全运行，但 是现有断路器的分断能力已越来越不能满足系统短路电流增长的需要。为此，现已采用的 方法是：在可能出现巨大短路电流的线路上安装快速熔断器，但却破坏了保护的选择性，降 低了系统运行的自动化水平。此问题一直没有得到有效解决，因而亟待研制一种既能对短 路电流进行抑制，又不破坏系统原有保护选择性的电网限流装置，以对短路电流峰值加以 限制，使得现有断路器能够正常分断，达到有效保护各种电气以及电子设备的安全，尽可能 地缩小故障范围，保证电力系统的不间断供电的目的。寻找有效的短路限流措施，以限制 电力系统的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担，提高其工作可靠性 和使用寿命，提高电力系统的运行可靠性，已成为目前电力系统安全稳定运行的迫切问 题。
[0003] IGCT(Intergrated Gate Commutated Thyristors)是在 GTO(gate turn-off thyristor)的基础上发展起来的新器件，兼有IGBT(insulated-gate bipolar transistor)和GTO的优点，又克服了二者的不足，具有如下优点：
[0004] ①通态压降小，耐压高，电流密度大；
[0005] ②易于触发和开关特性好；
[0006] ③易于实现触发、状态监视电路和IGCT管芯的一体化集成，通过2根光纤输入触 发信号和输出工作状态信号，从而简化了电路设计，大大提高了装置的可靠性。
[0007] IGCT是一种较为理想的兆瓦级、中高压开关器件，非常适合在限流器等FACTS装 置中应用，已在中高压系统中得到了广泛的商业推广。
[0008] 现代故障限流技术包括超导限流技术、PTC材料限流技术、磁元件限流技术和固态 限流技术等，因此，研制出一种新型的IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)故 障电流限流技术将会为故障限流技术提供一种全新的解决问题的方法。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于IGCT半导体开关器件 的短路电流限制方法。
[0010] 本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
[0011] 一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，包括步骤如下：
[0012] (1)短路电流发生的环境分类，即将电网分为无穷大电源系统和有限电源系统；
[0013] (2)无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比，得出结论为：有限电源系统 的短路电流偏移更加明显，短路电流幅值也较无穷大电源系统增大；
[0014] (3)搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；该电路包括一组并联电路及与并联电 路串接的电感L2,其中，并联电路包括并联的ZnO避雷器、固定电容器C0、由开关Sn串联电 容Cn构成的多路电容器组、及一对轮流半周导通的晶闸管IGCT1和IGCT2再串联旁路电感 L1，其中，并联的多路电容器组的等效电容用C表示；
[0015] (4)限流过程的具体确定：
[0016] ①正常情况下两个晶闸管IGCT器件处于截止状态，IGCT所在回路无电流流过，电 流经无功补偿电容器组C和串联电感L2流过；
[0017] ②当系统发生短路故障，两个IGCT器件轮流导通半周电流；
[0018] ③IGCT器件导通后，电感L1与电容器组C并联运行，由于L1电感量与电容器组 C的电容量同步改变，电感L1与电容器组C形成并联谐振电抗；
[0019] ④电感L1与电容器组C形成的大电抗电路使发生短路故障线路中的电抗值由发 生短路后的接近零值，重新恢复到未发生短路故障之前的水平，以确保短路电流下降到接 近正常运行的水平；
[0020] ⑤为达到良好的限流效果，对两个晶闸管IGCT导通角〇，以及投入的电感L1进行 参数选择；
[0021] ⑥利用仿真手段，模拟出使用此限流方法后的短路电流情况，以验证其限流效 果；
[0022] (5)在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后 进行故障抢修。
[0023] 而且，所述步骤（3)中多路电容器组的路数η，是根据系统容量确定的无功补偿需 求具体确定。
[0024] 而且，所述步骤（4)中第⑤步对两个晶闸管IGCT导通角〇，以及投入的电感L1进 行参数选择的具体方法为；
[0025] a)首先确定限流电抗：
【权利要求】
1. 一种基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在于包括步骤如下： (1) 短路电流发生的环境分类，即将电网分为无穷大电源系统和有限电源系统； (2) 无穷大电源系统和有限电源系统短路电流对比，得出结论为：有限电源系统的短 路电流偏移更加明显，短路电流幅值也较无穷大电源系统增大； (3) 搭建基于IGCT短路电流限流拓扑电路；该电路包括一组并联电路及与并联电路串 接的电感L2,其中，并联电路包括并联的ZnO避雷器、固定电容器C0、由开关Sn串联电容Cn 构成的多路电容器组、及一对轮流半周导通的晶闸管IGCT1和IGCT2再串联旁路电感L1，其 中，并联的多路电容器组的等效电容用C表示； (4) 限流过程的具体确定： ① 正常情况下两个晶闸管IGCT器件处于截止状态，IGCT所在回路无电流流过，电流经 无功补偿电容器组C和串联电感L2流过； ② 当系统发生短路故障，两个IGCT器件轮流导通半周电流； ③ IGCT器件导通后，电感L1与电容器组C并联运行，由于L1电感量与电容器组C的 电容量同步改变，电感L1与电容器组C形成并联谐振电抗； ④ 电感L1与电容器组C形成的大电抗电路使发生短路故障线路中的电抗值由发生短 路后的接近零值，重新恢复到未发生短路故障之前的水平，以确保短路电流下降到接近正 常运行的水平； ⑤ 为达到良好的限流效果，对两个晶闸管IGCT导通角〇，以及投入的电感L1进行参数 选择； ⑥ 利用仿真手段，模拟出使用此限流方法后的短路电流情况，以验证其限流效果； (5) 在短路电流得到限流之后，使用断路器将发生短路故障的线路彻底断开，然后进行 故障抢修。
2. 根据权利要求1所述的基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在 于：所述步骤（3)中多路电容器组的路数n，是根据系统容量确定的无功补偿需求具体确 定。
3. 根据权利要求1所述的基于IGCT半导体开关器件的短路电流限制方法，其特征在 于：所述步骤（4)中第⑤步对两个晶闸管IGCT导通角 〇，以及投入的电感L1进行参数选 择的具体方法为； a) 首先确定限流电抗 其中
b) 确定限流率α : 限流率α (〇〈α〈1):是用系统短路电流乙与限流后的电流込或系统阻抗X与限流阻 抗\按如下定义的：
c) 通过以上a)，b)两个环节，通过仿真计算出短路电流的大小，从而确定限流率的大 小，确定限流率之后，再得到限流阻抗\，从而确定导通角σ和电感LI。
【文档编号】H02H9/02GK104124674SQ201410352791
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】陈彬, 卢欣, 刘小琛, 曹颉 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司