一种基于改进型桥路型高温超导限流器的发电厂变电所

1.本实用新型应用于电力系统高温超导限流器，特别是将改进型桥路型高温超导限流器应用于发电厂变电所。


背景技术：

2.随着经济的迅猛增长与社会的不断进步，用户对电力方面的需求以及变电所自身的容量也不断提高，可能引发系统故障的短路电流水平也随即提高。这就使得电力系统中各种设备可能面临的故障电流冲击也越来越大，为了保障系统、设备及人身安全，此时需要不断提高系统中各种设备的故障电流抗冲击能力，同时高压断路器的开断容量也要随之提高，这就使变电所和电力系统面临困境。如果通过更换更高容量的断路器来提高断路能力，会大大增加成本；而更加棘手的问题在于如今断路器可提供的最高断流能力根本不能满足实际需求。如果此时故障电流高出开断能力，将会给系统带来巨大危害，所以对短路故障电流进行限制有极大的实际意义和价值。通过在变电所中装配故障电流限制器，是限制短路大电流、减小断路器开断容量的理想举措，还能延缓低端断路器亟待更新的急迫要求。
3.超导限流器是利用超导材料的超导态/正常态转变特性和无阻高密度载流特性及一些辅助部件来实现限流的系统设备。限流器在正常运行时表现为零阻抗或极小阻抗，几乎无损耗地通过额定电流；故障时可在几毫秒内作出反应，产生一个适当的阻抗，把短路电流限制在允许范围之内。超导限流器的分类方式很多，从其组成结构和工作原理来分，可分为电阻型、磁屏蔽型、桥路型、饱和铁芯电抗器型、三相电抗器型等。


技术实现要素：

4.本实用新型提出将一种将改进型桥路型高温超导限流器应用于发电厂变电所技术方案。具体如下：
5.一种基于改进型桥路型高温超导限流器的发电厂变电所，它的组成：发电机组11、12，隔离开关21、22、23、24、25、26、27和28，双母线四分段31、32、33和34，母联断路器 41、42，三绕组变压器51、52，改进型桥路型高温超导限流器61、62。在双母线四分段31， 33和32，34之间分别加装改进型桥路型高温超导限流器61、62。改进型桥路型高温超导限流器61、62的组成：电力电子模块、超导磁体与低温模块、检测模块和控制器。
6.所述的电力电子模块的组成：整流桥、限流电阻和故障触发装置。
7.所述的限流电阻起辅助限流作用，在变电所稳态时，被旁路开关管短路而不消耗电能，故障发生后，通过控制信号，控制投入整流桥直流端，与超导磁体串联限流，限流电阻与超导磁体串联，保护超导磁体并为超导磁体提供去磁回路。
8.所述的超导磁体l的续流回路由二极管d
s
和电阻r
s
的串联回路组成，二极管和超导磁体反并联，可以防止超导磁体因去磁而产生过高的反向电压。
9.所述的控制器的硬件：模拟量输入接口部件、数据处理单元、开关量输入和输出部件、人机对话系统。
10.所述的故障触发装置由三个独立的固态继电器及其控制、驱动电路组成。
11.本实用新型的技术效果：在分段母线结构电路中，改进型桥路型高温超导限流器对母线的限流保护作用能够较好地限制母线联络线的电流，减少故障对其它母线的影响。在双回路多供电系统中，改进型桥路型高温超导限流器与继电保护装置配合实现限流保护作用。实现发电厂变电所限流和保护，必须考虑继电保护装置和改进型桥路型高温超导限流器相互配合，有效地利用二者的优点，从而提高发电厂变电所的功效性和可靠性。
附图说明
12.图1是发电厂变电所基本双母线四分段主接线图。
13.图2是改进型桥路型高温超导限流器系统结构图。
14.图3是改进型桥路型高温超导限流器电路原理图。
15.图4是故障触发装置原理图。
16.图5是改进型桥路型高温超导限流器三相原理图。
17.图中：11、12为发电机组，21、22、23、24、25、26、27和28为隔离开关，31、32、 33和34为双母线四分段，41、42为母联断路器，51、52为三绕组变压器，61、62为改进型桥路型高温超导限流器。
具体实施方式
18.下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
19.1.整体技术方案
20.一种基于改进型桥路型高温超导限流器的发电厂变电所，它的组成：发电机组11、12，隔离开关21、22、23、24、25、26、27和28，双母线四分段31、32、33和34，母联断路器 41、42，三绕组变压器51、52，改进型桥路型高温超导限流器61、62。在双母线四分段31， 33和32，34之间分别加装改进型桥路型高温超导限流器61、62。改进型桥路型高温超导限流器61、62的组成：电力电子模块、超导磁体与低温模块、检测模块和控制器。如图1、图2所示。
21.所述的电力电子模块的组成：整流桥、限流电阻和故障触发装置。如图2所示。
22.所述的限流电阻起辅助限流作用，在变电所稳态时，被旁路开关管短路而不消耗电能，故障发生后，通过控制信号，控制投入整流桥直流端，与超导磁体串联限流，限流电阻与超导磁体串联，保护超导磁体并为超导磁体提供去磁回路。如图2、图3所示。
23.所述的超导磁体l的续流回路由二极管d
s
和电阻r
s
的串联回路组成，二极管和超导磁体反并联，可以防止超导磁体因去磁而产生过高的反向电压。如图3所示。
24.所述的控制器的硬件：模拟量输入接口部件、数据处理单元、开关量输入和输出部件、人机对话系统。
25.所述的故障触发装置由三个独立的固态继电器及其控制、驱动电路组成。如图4所示。
26.2.双母线四分段
27.双母线同时运行时，采用两台完全相同的改进型桥路型高温超导限流器，改进型桥路型高温超导限流器将母线各分为两段，两台完全相同的改进型桥路型高温超导限流器互相联动。
28.在发电厂和变电所的各级电压配电装置中，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线，将发动机、变压器与各种电器连接的导线，统称为母线；母线的作用是汇集、分配和传送电能。由于母线在运行中，有巨大的电能通过，短路时，承受着很大的发热和电动力效应，因此，必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。
29.母线按结构分为硬母线和软母线。
30.硬母线(低压的户内外配电装置)又分为矩形母线和管形母线。
31.矩形母线一般使用于主变压器至配电室内，其优点是施工安装方便，运行中变化小，载流量大，但造价较高。
32.母联开关：一个开关在两排并列的母线上都有隔离开关的，则这两排母线的连接开关，就是母联开关。比如东西母或南北母的连接开关。
33.双母线的时候，叫母联，单母线的时候，叫分段。
34.优点：供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于设计。
35.缺点：增加了一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，增加了投资，操作复杂，占地面积增加。
36.双母线四分段是电厂、变电站中广泛采用的一种母线方式，这种主接线方式通常是将母联断路器合上使双母线并列运行，这样当一组母线发生短路故障时，母差保护只需要将连接在该组母线上各元件的断路器和母联断路器跳开，而另一段母线仍继续工作。
37.在220kv及以上电压等级重要电厂、枢纽变电站双母线保护使用两套rcs
‑
915ab，两套 rcs
‑
916d，母差保护双重化、断路器失灵的双重化配置。
38.3.三绕组变压器
39.三绕组变压器的每相有3个绕组，当1个绕组接到交流电源后，另外2个绕组就感应出不同的电势，这种变压器用于需要2种不同电压等级的负载。发电厂和变电所通常出现3种不同等级的电压，所以三绕组变压器在电力系统中应用比较广泛。
40.用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。三相三绕组变压器通常采用y
‑
y
‑
δ接法，即原、副绕组均为y接法，第三绕组接成δ。δ接法本身是一个闭合回路，许可通过同相位的三次谐波电流，从而使y接法的原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中，第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。
41.当变电站需要连接几级不同电压的电力系统时，通常采用三绕组变压器。三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，每相的三个绕组套在一个铁芯柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间，这样布置的目的是使漏磁场分布均匀，漏抗分布合理，不会因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加，从而保证有较好的电压调整率和运行性能。降压变压器主要从便于绝缘考虑，将中压绕组放在高压、低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点，三相三绕组变压器的标准连接组标号有yn，yn0，d11和yn，yn0，y0两种。
42.容量配置和电压比：三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量。并以此作为100％，则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。
43.三绕组变压器的空载运行原理与双绕组变压器基本相同，但有三个电压比，即高
压与中压、高压与低压、中压与低压三个。
44.4.断路器
45.断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kv以上的称为高压断路器。
46.断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载、短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。
47.断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
48.当短路时，大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大，动作时间越短)。
49.有电子型的断路器，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。
50.断路器的特性主要有：额定电压u
e
；额定电流i
n
；过载保护(i
r
或i
rth
)和短路保护(i
m
) 的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器i
cu
；家用断路器i
cn
)等。
51.额定工作电压(u
e
)：这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。
52.额定电流(i
n
)：这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。
53.5.改进型桥路型高温超导限流器
54.5.1总体说明
55.改进型桥路型高温超导限流器可以采用直接串入变电所或变压器耦合串入变电所的方式与变电所进行连接。在三相改进型桥路型高温超导限流器的设计上，采用了三个单相改进型桥路型高温超导限流器直接串入三相变电所的连接方法，如图5所示。这种连接方式消除了各相电路之间的相互影响，避免了故障相对非故障相产生大电流冲击和谐波干扰，消除了多相同时故障对限流能力要求过高的矛盾，提高了可靠性，更适合高压大电流变电所使用。
56.三相改进型桥路型高温超导限流器采用了三个单相改进型桥路型高温超导限流器分别限制三相故障电流，其故障判定、限流动作分别产生，因此，是三个独立的限流系统，分别作为三相变电所的主保护，而与之相连的断路器等继电保护装置作为后备保护。同时，根据输变电所的要求，可能会在单相发生短路故障时，该相及时投入限流，并利用断路器同时切断三相变电所。所以，三相仍然需要相互配合操作。
57.由于三相改进型桥路型高温超导限流器存在一定的独立性，而且，三个单相结构相同，因此，用单相改进型桥路型高温超导限流器来说明三相的结构设计，如图2、图5所示。改进型桥路型高温超导限流器主要包括电力电子模块、检测模块、控制器、超导磁体与低温模块等四部分。电力电子模块包括由电力二极管组成的整流桥、限流电阻及其旁路开关装置、超导磁体的续流回路，还包括故障触发单元。检测模块包括整流桥、变电所和超导磁体的电流、电压检测装置及其信号预处理电路。超导磁体与低温模块包括超导磁体及其高温
超导杜瓦等装置。控制器是以数字控制为核心的智能控制系统，除具有故障触发、故障判定、系统保护等基本功能外，还具有基于液晶屏和键盘的人机交互功能、数据处理和状态监视等功能。
58.发生故障时，单相自动投入变电所限流，而控制器则对限流电阻的旁路开关管发出信号，打开开关管，把限流电阻投入变电所和超导电感共同限流。故障结束后，控制器控制限流电阻的旁路开关管，使限流电阻被旁路，退出限流状态。
59.5.2电力电子模块
60.电力电子模块包括由电力二极管组成的整流桥、限流电阻及其旁路开关装置、超导磁体的续流回路，以及故障触发单元。整流桥由电力二极管组成，是实现电能变换的主要部分，实现交流变电所和直流限流器件的有机连接。在变电所稳态时，由于续流回路导通，整流桥自行短路，对变电所不产生影响。当变电所电流上升，特别是短路故障发生后，变电所电流迅速上升时，整流桥提供了超导电感串入变电所限流的物质条件。
61.限流电阻起辅助限流作用，在变电所稳态时，被旁路开关管短路而不消耗电能。故障发生后，通过控制信号，控制投入整流桥直流端，与超导磁体串联限流。另外，限流电阻与超导磁体串联，保护超导磁体并为超导磁体提供去磁回路。超导磁体的续流回路由二极管和电阻的串联回路组成，二极管和超导磁体反并联。可以防止超导磁体因去磁而产生过高的反向电压。因此，超导磁体受到限流电阻及其续流回路的双重保护。
62.故障触发单元主要由三个独立的固态继电器及其控制、驱动电路组成，如图4所示。非故障时，触发信号为低电平，固态继电器关断。故障触发时，触发信号为高电平，固态继电器导通，实现负载对地短路或相间短路。并且，通过控制器，可以实现短路持续时间的控制，以适应不同的要求。
63.5.3控制器
64.控制器是改进型桥路型高温超导限流器的数字控制核心，除完成故障触发和限流功能外，还具有变电所状态监视、数据或波形显示、保护和报警以及人机交互功能。控制器的硬件主要包括数据采集单元即模拟量输入接口部件、数据处理单元、开关量输入和输出部件、人机对话系统等。
65.数据采集单元的功能是将模拟量转换成所需的数字量。主要包括模拟量采集和电压形成电路、多路转换开关、低通滤波器、前置放大器、模数转换器等。采集的模拟信号主要包括三相系统的电源电压、线路电流、超导磁体的电压、电流和限流电阻的电压、电流。这些模拟量通过电压和电流测量模块转换成统一的电压信号，作为控制器的输入模拟信号。模拟信号通过多路转换开关选通、低通滤波、前置放大后，进行a/d转换。