专利名称：一种利用固态开关的短路故障限流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力系统自动化领域，属于柔性交流输电技术，特别是一种利用固态开关对电力系统的短路故障电流及其上升率进行控制的短路故障限流器。
背景技术：
电力电子技术的发展使得柔性输电技术(FACTS)在电力系统自动控制中得到广泛重视，过去长期以来认为不可改变的系统参数(例如电压、相位、阻抗等)，采用FACTS技术后都有希望实现灵活的控制。在相当多的FACTS控制器件中，其核心部件就是工作在高电压、大电流工况下的可调电抗器。例如，电力系统故障电流限制器就是FACTS控制器件之一。归纳起来，当前正在研究、试验的故障电流限制器可以分为以下两类1、用快速动作的可关断晶体管(GTO)开关与一个阻抗并联而构成的故障电流限制器。正常运行时，GTO完全导通，当故障电流达到设定值时，GTO关断，阻抗被串入电网母线而起限流作用。这种限流器的缺点是GTO长期运行在高压大电流工况，可靠性差、器件损耗大、散热问题难以解决，控制系统复杂、价格昂贵。此类技术的参考文献有T Ueda，Solid-state current limiter for powerdistrbution system，IEEE Transaction on Power delivery.Vol.4，pp.1796，Oct.1993。
2、超导限流器。超导限流器国内外专家进行了大量研究工作，国内外专家发表的具有代表性的文章有“超导故障限流器的电力应用研究进展”，叶林，电力系统自动化，Vol.23，NO.7，1999.4。由于超导系统技术复杂，整流元件长期工作在高压大电流工况，故可靠性差，装置附加的损耗也大，价格昂贵。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的问题及不足，提供一种响应速度快、运行可靠、结构简单、损耗低、制作容易、成本低廉的利用固态开关的短路故障限流器。
本发明的技术方案是这样实现的一种利用固态开关的短路故障限流器，其特点是包括一磁路呈线性、铁芯在电网系统正常运行期间及短路故障时间均处于不饱和状态的具有合适变比的变压器、该变压器的一次侧串入电网母线中；一并联谐振电路，包括一具有合适容量的电容C、一具有合适感抗的电感L、晶闸管K，其中电感L和晶闸管K串联后与电容C并联，且电容C的两端并联在变压器的二次侧；一用于检测变压器二次侧电压并根据该电压控制驱动触发电路的电压检测电路及一根据电压检测电路的控制驱动信号以产生脉冲电压触发晶闸管K导通与否的触发电路。
其中电压检测电路包括一并联在电容C两端的电压互感器和一电压比较器，其中电压互感器的输出端接电压比较器的其中一输入端，电压比较器的另一输入端接参考电压，其输出端接触发电路输入端。
其基本工作原理及过程是当电力系统工作正常时，串联在电网母线中的变压器一次侧的电压小于一个不大的电压，如50V(针对10KV线路而言)，相对应地该变压器二次侧的电压也比较低，如低于500V，亦即电压互感器检测到的电压低，低于电压比较器的参考电压，则认为系统处于正常状态。当系统发生短路时，变压器二次侧电压轻易达到正常运行时电压的几十倍，若参考电压选为正常电压的5～10倍，发生短路后，二次侧电压上升到参考电压，只需很短的时间，此时让晶闸管闭合，使线路呈现大阻抗，进而抑制故障电流。
当系统正常运行时，电压比较器输出一低电平给触发电路，触发电路没受到激励，其不产生触发脉冲给晶闸管K，使晶闸管K处于断开状态，从而使变压器一次侧的阻抗很小，对电网运行几乎不产影响。当电力系统发生短路故障时，电网母线上的电压几乎全部加在变压器的一次侧，此时其二次侧的电压也随即快速升高，电压互感器检测到一个较高的电压，如大于2500V，超过正常工作电压的5～10倍以上，高于电压比较器的参考电压，此时电压比较器输出一个高电平给触发电路，激励触发电路工作，使触发电路发出触发脉冲给晶闸管K，瞬时导通晶闸管K，从而使电感L和电容C产生并联谐振，这样变压器即刻呈现出大阻抗，有效限制电网母线中的短路电流，当晶闸管K闭合一段时间后如100～200ms，线路中的断路器动作，使故障线路断开，变压器一次侧没有电流流过，致使晶闸管K(固态开关)自然关断，等待电网系统下次短路时再工作，它使得电网系统的短路电流的波峰被削去，并对整个短路电流起到了很好的抑制作用，避免了电器设备承受大电流的冲击，故障限流器的使用也可相应的减少了断路器的遮断容量，带来了经济效益。这种结构的限流器结构简单、晶闸管K只需闭合而无需关断，且闭合时间小于200ms，从而可有效提高晶闸管的使用寿命及可靠性，达到本发明的目的。
以下结合附图详细描述本发明的基本结构及工作过程与原理
图1是本发明装置在电力系统中的结构示意图；其中Rs、Ls为电力系统电源侧等效电阻电感，RL、LL为电力系统中的等效线路电阻电感，us为系统的等效电源。
图2是电力系统正常运行时的变压器电路图；图3是电力系统短路时的变压器电路图；图4是串联变压器的等效电路图；图5是电力系统正常运行时串联变压器的T型等效电路图；图6是电力系统短路时串联变压器的T型等效电路图。
具体实施例方式
如图1～图6所示，本发明包括一磁路呈线性、铁芯在电网系统正常运行期间及短路故障时间均处于不饱和状态的具有合适变比的变压器、该变压器的一次侧串入电网母线中；一并联谐振电路，包括一具有合适容量的电容C、一具有合适感抗的电感L、晶闸管K，其中电感L和晶闸管K串联后与电容C并联，且电容C的两端并联在变压器的二次侧；在设计本实施例的串联变压器及电容和电感时，首先应使变压器满足下述条件变压器铁心在系统正常运行期间及短路故障时均处于不饱和状态下；磁路呈线性。为此设计变压器时最好采用好的磁性材料，使其rm可以忽略，励磁电抗为xm。从而使其在上述两种情况下，保证其励磁阻抗Zm和变压器漏阻抗均是常数，保证其与变压器二次侧注入电流大小无关。如图1及图4所示，这样当将变压器一次侧绕组AX串联在线路中时，变比k~=W2/W1,]]>k=(k~)-1,]]>(k＜1)。由变压器结构得U·1=I·1Z·1-E·=I·1Z·1+I·mZ·m=I·1Z·1+(I·1+I·2′),]]>其中Z1＝r1+jx1σ，Zm＝Xm分别是变压器的一次侧漏阻抗和励磁阻抗；I·m=I·1+I·2′;]]>I·2′=I2/k]]>是变压器二次侧电流 的折算值。因此当电网正常运行时，固态开关K不导通，此时串联变压电路及其T型等效电路如图2和图5所示所示设计电容C，使xc′与x2σ′相当，即要求电容C与变压器二次侧漏电抗L2σ接近串联谐振状态。二次侧等效阻抗Zeq′＝r2′+j(x2σ′-xc′)，|Zeq′|＜＜|Xm|，所以此时整个变压器的等效阻抗ZZ1+Zea′，由于|Z|很小，对电网运行几乎不产生影响。当系统出现短路故障时，发触发脉冲给固态开关K，若设计电感L，使得电感L与r、C并联谐振(即满足ω02L2C+R2C＝L)，则此时变压器二次回路与激磁回路阻抗相当，此时，串联变压器的等效电路图及其T型等效电路图如图3和图6所示，整个变压器的等效阻抗为Z＝Z1+Zeq′∥Zm，由于|Zeq′|与|Zm|为同一数量级，从而变压器呈现大阻抗，大大降低短路电流。
在这一设计中，包含有用于检测变压器二次侧电压的检测电路，并由该电压控制驱动触发电路，以控制晶闸管的导通。由于固态开关只需开通而无需带电关断，因此用可控硅作为开关器件即可以，控制了限流器的成本。这里电压检测电路和触发电路均已有成熟的电路，普通技术人员不加创造性劳动即可以获得多种结构组成，本文不再详述其结构组成。本实施例中，电压检测电路包括一并联在电容C两端的电压互感器和一电压比较器，其中电压互感器的输出端接电压比较器的其中一输入端，电压比较器的另一输入端接参考电压，其输出端接触发电路输入端，触发电路采用光耦触发。
权利要求
1.一种利用固态开关的短路故障限流器，其特征在于包括一磁路呈线性、铁芯在电网系统正常运行期间及短路故障时间均处于不饱和状态的具有合适变比的变压器、该变压器的一次侧串入电网母线中；一并联谐振电路，包括一具有合适容量的电容C、一具有合适感抗的电感L、晶闸管K，其中电感L和晶闸管K串联后与电容C并联，且电容C的两端并联在变压器的二次侧；一用于检测变压器二次侧电压并根据该电压控制驱动触发电路的电压检测电路及一根据电压检测电路的控制驱动信号以产生脉冲电压触发晶闸管K导通与否的触发电路。
2.根据权利要求1所述的利用固态开关的短路故障限流器，其特征在于上述电压检测电路包括一并联在电容C两端的电压互感器和一电压比较器，其中电压互感器的输出端接电压比较器的其中一输入端，电压比较器的另一输入端接参考电压，其输出端接触发电路输入端。
全文摘要
一种利用固态开关的短路故障限流器，其特点是包括变压器、该变压器的一次侧串入电网母线中；一并联谐振电路，包括电容C、电感L、晶闸管K，其中电感L和晶闸管K串联后与电容C并联，且电容C的两端并联在变压器的二次侧；电压检测及触发电路。这种结构的限流器使得电网系统的短路电流的波峰被削去，并对整个短路电流起到了很好的抑制作用，避免了电器设备承受大电流的冲击，故障限流器的使用也可相应的减少了断路器的遮断容量，带来了经济效益。同时本发明结构简单、其晶闸管K只需闭合而无需关断，且闭合时间小于200ms，从而可有效提高晶闸管的使用寿命及可靠性。
文档编号H02H9/02GK1529394SQ200310111789
公开日2004年9月15日 申请日期2003年10月16日 优先权日2003年10月16日
发明者刘永强 申请人:华南理工大学