一种四绕组磁通约束型故障电流限制器的制作方法

本发明涉及一种四绕组磁通约束型故障电流限制器，属于电力系统短路保护技术领域。

背景技术：

随着电力系统的输送容量不断提升，电力系统的网络架构愈加复杂，电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加。部分地区的短路容量已经达到甚至超过断路器的遮断容量，而大容量断路器受限于制造水平和高造价，故障电流过大已严重威胁到电力系统的安全稳定性。

故障电流限制器(faultcurrentlimitation，fcl)，可以有效限制电网在故障状态下的暂态故障电流，在不改变电网架构的前提下，保持电网继电保护的可靠性和现有配置，提高电网的稳态安全性和暂态稳定性，是当前超高压电网建设中重要的电力装备之一。

故障电流限制器的工作机理为：在系统正常时呈现低阻抗，减小系统压降，降低对电网正常运行的影响到最小程度；在接地故障等异常发生时，呈现高阻抗，从而限制电网短路电流水平。故障电流限制器的主要优势有：1、减轻断路器的开断压力；2、减少线路损耗，改善系统功角稳定性；3、避免电力设备达到选型时的热稳定极限，提高利用率。

故障电流限制器当前比较成熟的类别有：谐振型故障电流限制器、超导故障电流限制器(中科院电工所)、磁控开关型故障电流限制器(上海交大)、新型固态限流器(浙江大学)。超导故障电流限制器反应速度快，损耗低，缺点是冷却系统昂贵、材料不稳定；固态限制器基于全控器件，具有快速限制和分段能力，但造价高、损耗大；谐振型故障限制器可实现自触发，但体积大、造价高。

公开号为：cn103825262a，专利名称为：一种双回线用的故障电流限制器，采用了装于铁心柱的两耦合线圈的结构，可以一定程度实现故障电流的限制。但是，该技术方案也存在一些问题，主要在于：1)这种故障电流限制器只能是用于双回线(每一回线均为三相线路)，因此对于普通单回输电线路或电缆线路无法使用，且双回线路主要侧重于220kv或500kv的输电系统，应用范围较为局限；2)故障电流限制器仅可应对三相接地故障，对电网尤其是配电网中常见的单相接地故障难以起到效果；3)成本较高，双回线路的各自相均需要一个铁芯组成限制回路，因而三相共需3个铁芯，从而大大增加了成本。公开号为：cn104332977a，专利名称为：磁通约束型故障电流限制器，它采用装于铁心柱的三耦合线圈的结构，可以在发生短路故障时自动限制故障电流。但是该限流器的铁芯磁通不可控，在精确设计电抗器的阻抗百分数时比较困难。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种可应对单相接地故障且其铁芯磁通量可控的故障电流限制器，它适用于单回路的0～500kv输配电线路。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的一种四绕组磁通约束型故障电流限制器，包括作为故障电流限制器本体的变压器铁芯、三个交流绕组和一个直流励磁绕组；三个交流绕组分别以相同的方向卷绕在变压器铁芯上，且每个绕组各自接入电网的三相线路中的其中一相线路；所述直流励磁绕组也按相同方向均匀绕在变压器铁芯上，且由直流线路供电，用以控制变压器铁芯内磁通量(通过对直流绕组电流的控制使铁芯内磁通量可控)；当电网发生单向线路接地故障时，非故障相电流所产生的磁通量矢量和可以对故障相电流进行限制，从而确保故障相电流在断路器开断电流范围内，实现故障电流限制。通过控制直流绕组的电流量可有效控制铁芯内磁通量大小，从而改变故障电流限制器的对外电抗值。直流绕组的增加，降低了四绕组磁通约束型故障电流限制器的设计难度，并使铁芯内磁通量大小可控。

各相交流绕组的进线点和出线点还分别并联有旁路开关。旁路开关的作用有二：1)在故障电流限制器发生故障时，可以利用旁路开关将故障电流限制器切除；2)在发生单向线路接地故障后继电保护会将故障相线路切除，此时可以利用旁路开关将其余非故障相线路与故障电流限制器旁路，保证非故障相线路的功率平衡，从而维持非故障相线路的运行。

故障电流限制器安装于三相平衡的电缆线路或架空线路的首端、中部或末端。

各相交流绕组的变比为1：1：1。这可保证电网在正常运行时的电压和潮流平衡，以及铁芯柱内磁通和磁势的平衡。

上述直流励磁绕组均匀分布在铁芯上。

上述变压器铁芯为单相双柱式铁芯。

本发明的有益效果如下：本发明能够适用于单回输配电线路、涵盖0～500kv高压输电线路。在系统正常状态下，本发明对系统传输功率及线路电流几乎无影响，电压损失小。在发生单相接地故障时，则能快速有效抑制故障相电流。本发明的四线圈磁通约束性故障电流限制器的整机损耗较低，损耗主要为铜损。相比常规故障电流限制器，本发明能够在故障发生时刻基于磁通约束机理，实现故障电流的及时响应，响应时间短，应对故障电流反应迅速。相比普通的磁约束型故障电流限制器，本发明在结构上增加直流绕组，从而使铁芯内磁通量受控。本发明的三相交流绕组以及直流励磁绕组共用一个铁芯，成本较低。

附图说明

图1为实施例1中四绕组磁通约束型故障电流限制器结构原理图；

图2为实施例2中四绕组磁通约束型故障电流限制器带旁路开关的结构原理图；

图3为实施1中四绕组磁通约束型故障电流限制器的系统接入图；

图4为不接入故障电流限制器情况下系统正常工作时a、b、c三相线路的仿真电流图；

图5为接入故障电流限制器情况下系统正常工作时a、b、c三相线路的仿真电流图；

图6为不接入故障电流限制器情况下系统发生单相接地故障时a、b、c三相线路的仿真电流图；

图7为接入故障电流限制器情况下系统发生接地故障时a、b、c三相线路的仿真电流图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

实施例1：

图1和图3为本发明的一个实施例。如图1所示，该实施例的四绕组磁通约束型故障电流限制器，由一个变压器铁芯作为故障电流限制器本体，该变压器铁芯为单相双柱式铁芯。变压器铁芯上安装有三相交流绕组a、b和c用于与电网的三相线路连接，其中a相绕组接入电网的a相线路，b相绕组接入电网的b相线路，c相绕组接入电网的c相线路，各相绕组以相同的方向卷绕在变压器铁芯上。

如图3所示，当电网发生单向线路接地故障如c相线路发生接地故障时，则可通过a相电流ia和b相电流ib经a相绕组、b相绕组所产生磁通对c相电流ic进行限制，从而确保ic在断路器开断电流范围内，实现对故障相电流的限制。

各相绕组的变比为1：1：1，保证电网在正常运行时的电压和潮流平衡，以及铁芯柱内磁通和磁势的平衡。故障电流限制器安装于三相平衡的电缆线路或架空线路的首端、中部或末端。

实施例2：

图2给出了本发明的第二个实施例。该实施例与第一个实施例的区别在于各相绕组的进线点和出线点还分别并联有旁路开关ka、kb和kc。旁路开关的作用有二：1)在故障电流限制器发生故障时，可以利用旁路开关将故障电流限制器切除；2)在发生单向线路接地故障后继电保护会将故障相线路切除，此时可以利用旁路开关将其余非故障相线路与故障电流限制器旁路，保证非故障相线路的功率平衡，从而维持非故障相线路的运行。

图4至图7给出了本发明的实施效果的仿真电流图。图4表明在不接入本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器时电网正常运行时的三相电流瞬时值，其幅值设定为148a。图5表明在接入本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器时电网正常运行时的三相电流瞬时值，幅值设定为147a。可见，在电网正常工作时，本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器的接入对系统电流及输送功率基本无影响

图6表明不接入本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器时电网发生单相接地故障运行时的三相电流瞬时值，其中a相电流为3482a，b、c相电流为148a，可看出故障电流较大。图7表明接入本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器时电网发生单相接地故障运行时的三相电流瞬时值，其中a相电流为423a，b、c相电流为148a。因此，本发明的四绕组磁通约束型故障电流限制器确实对单相接地故障的故障电流起到较大的抑制作用。

相比于常规故障电流限制器在成本、体积、系统复杂度、触发速度等性能指标难以兼顾，本发明依据磁通平衡原理，提出在某一相线路发生接地故障时，另外两相电流产生的磁通对故障相的短路电流实现限制。本发明的四绕组磁通约束型的故障电流限制器设备结构简单，易于设计实现，可兼顾成本、体积、系统复杂度、触发速度等性能指标。

本发明能够在系统正常状态下，对系统传输功率及线路电流基本无影响，在发生单相接地故障时，能快速并有效抑制故障相电流。本发明中磁通约束性故障电流限制器的整机损耗较低，损耗主要为铜损。相比常规故障电流限制器，本发明中故障电流限制器在故障发生时刻，可实现故障电流的及时响应，其响应时间短，应对故障电流反应迅速。相比普通的磁约束型故障电流限制器，本发明在结构上增加直流绕组，从而使铁芯内磁通量受控。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。