一种交流短路故障限流器

本发明涉及输配电网的短路故障限流器领域，特别涉及一种交流短路故障限流器。

背景技术：

随着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短路电流限制技术。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。目前，基于材料特性及其技术突破，提出并发展了多种限流器，包括ptc限流器、谐振限流器、固态限流器、超导限流器等。由于ptc限流器的限流容量太小，因此不具备在实际电网中的应用前景。固态限流器由于在高电压大容量系统中应用时，需要大量固态开关管(igbt、gto等)串并联来实现，导致结构复杂、价格昂贵、稳态损耗大、可靠性低，因此其实际应用也具有很大局限性。文献“330kv开关型零损耗故障限流装置的研制及人工短路试验”(智能电网2015年第3卷第4期)一文中介绍了一种开关型零损耗故障限流装置，通过智能快速开关投切限流电抗器来实现电网限流。虽然采用了智能快速开关，但是，在故障后第一个过零点之后才能投入限流电抗器，无法限制短路电流第一波峰。文献“500kv限流电抗器接入90ka短路电流系统时瞬态恢复电压抑制分析”(南方电网技术2020年第13卷第12期)一文中介绍了一种包含真空快速开关和分裂电抗器的限流器。仍然是在故障后第一个过零点之后才能投入限流电抗器，无法限制短路电流第一波峰。短路电流第一波峰冲击电流大，对变压器等电网设备产生很大的冲击力，造成变压器变形甚至损坏。

技术实现要素：

为了克服已有技术的不足，本发明提出一种交流短路故障限流器，它结构简单、成本低，能够有效限制交流电网短路电流。

本发明采用的技术方案：一种交流短路故障限流器，该限流器包括快速开关k、分裂电抗器m、电抗器l1和电容器c1；其中，分裂电抗器m包括第一绕组l01和第二绕组l02；

所述分裂电抗器m的第一绕组l01与快速开关k、电抗器l1和电容器c1依次串联后，再与第二绕组l02并联；

其中，分裂电抗器m的第一绕组l01一端和第二绕组l02一端与第一连接点p1相连，分裂电抗器m的第一绕组l01另一端和快速开关k一端通过第二连接点p2相连，快速开关k另一端和电抗器l1一端通过第三连接点p3相连，电抗器l1另一端和电容器c1一端通过第四连接点p4相连，电容器c1另一端与第五连接点p5相连，第二绕组l02另一端与第六连接点p6相连，第五连接点p5和第六连接点p6直接相连。交流电源uac连接在第一连接点p1与地之间，断路器sw和负载rl串联后连接在第五连接点p5与地之间构成交流短路故障限流器。

进一步的，所述的分裂电抗器m或是一种铁芯耦合结构、或是一种上下耦合结构、或是一种内外耦合结构；如果分裂电抗器m为铁芯耦合结构，分裂电抗器m包括第一绕组l01、第二绕组l02和铁芯core；其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反，并通过闭合铁芯形成闭合磁路，提高其磁场耦合能力；如果分裂电抗器m为上下耦合结构，分裂电抗器m包括第一绕组l01和第二绕组l02，其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反；如果分裂电抗器m为内外耦合结构，分裂电抗器m包括第一绕组l01和第二绕组l02，其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反。

进一步的，所述的快速开关k是快速真空断路器，或是快速机械断路器，快速开关k的动作时间，即从接收动作指令到完成分闸动作的时间小于20ms。

进一步的，所述的电抗器l1和电容器c1组成串联谐振电路，谐振频率f为工频，即：

ω²l1c1＝1(1)

其中，l1为电抗器l1的电感，c1为电容器c1的电容，角频率ω＝2πf，f为谐振频率。

进一步的，电网稳态运行，即无短路故障时，快速开关k处于闭合状态，电抗器l1和电容器c1谐振于工频；电抗器l1和电容器c1组成的谐振电路不产生阻抗，第一绕组l01和第二绕组l02均分线路电流，限流器呈现低阻抗或零阻抗，对电网不产生影响。

在发生短路故障时，即负载rl发生对地短路，系统检测到短路故障后，快速开关k快速动作实现分闸，电流由第一绕组l01所在支路转移到第二绕组l02所在支路，然后由第二绕组l02单独实现限流，以快速开关k动作完成灭弧为界，交流短路故障限流器的限流过程分为两个阶段：

第一阶段：即在快速开关k灭弧之前，第一绕组l01和第二绕组l02所在支路电流都导通；同时，由于不断变化的短路电流存在多次谐波分量，电抗器l1和电容器c1组成的串联电路呈现的阻抗不为零，导致第一绕组l01和第二绕组l02所在支路的电流不相等，从而导致第一绕组l01和第二绕组l02的磁通不相等，磁通的差异导致分裂电抗器m的阻抗增大，限流器就产生了限流阻抗，实行了对短路电流的限制；

第二阶段：即在快速开关k灭弧之后，第一绕组l01支路的电流全部转移到第二绕组l02所在的支路，由第二绕组l02单独限流；

最后，由线路断路器sw分断短路电流，完成交流短路故障限流器对短路电流限流和切除故障。

进一步的，所述分裂电抗器m的第一绕组l01与快速开关k串联，第二绕组l02与电抗器l1和电容器c1依次串联，然后两条支路并联；其中，分裂电抗器m的第一绕组l01一端和第二绕组l02一端与第一连接点p1相连，第一绕组l01另一端和快速开关k一端通过第二连接点p2相连，快速开关k另一端与第五连接点p5相连，第二绕组l02另一端与电抗器l1一端通过第三连接点p3相连，电抗器l1另一端和电容器c1一端通过第四连接点p4相连，电容器c1另一端与第五连接点p5相连。

进一步的，在第二绕组l02支路串入电阻r0，电阻r0连接在第五连接点p5和第六连接点p6之间；

电抗器l1的电阻阻值为r0，考虑其可能对第一绕组l01支路和第二绕组l02支路电流分配所造成的影响时，电抗器l1和电容器c1串联电路的阻抗z表示为：

其中，l1为电抗器l1的电感，r0为电抗器l1的电阻值，c1为电容器c1的电容，角频率ω＝2πf，f为谐振频率，j为虚数单位。由公式(1)简化可得：

z＝r0(3)

因此，在第二绕组l02支路串入电阻r0，阻值为r0，从而保证电网稳态时第一绕组l01支路和第二绕组l02支路阻抗相等，电流均分，从而保证第一绕组l01支路和第二绕组l02支路的磁通相互抵消，限流器对线路呈现的阻抗最小。

进一步的，在第一绕组l01支路串入电阻r0，电阻r0连接在第五连接点p5和第六连接点p6之间。

本发明的主要优点：

1.本发明的交流短路故障限流器，通过分裂电抗器与快速开关、电容器和电感器等的配合，有效限制短路电流峰值和有效值，提高了限流器的限流能力，从而达到了比已有限流器更好的限流效果。

2.本发明的电抗器和电容器在电网稳态时，处于谐振状态无损耗，并且，分裂电抗器磁通反向耦合，对电网稳态运行不造成影响。

3.本发明的交流短路故障限流器能够自动响应故障，自动限制短路电流，故障响应速度快。

4.本发明的交流短路故障限流器的主要部件，技术比较成熟，易于实现，有利于实现限流器的产业化。

附图说明

图1为本发明具体实施例1的电路原理图；

图2(a)为本发明具体实施例1的一种铁芯耦合结构分裂电抗器原理图；

图2(b)为本发明具体实施例1的一种上下耦合结构分裂电抗器原理图；

图2(c)为本发明具体实施例1的一种内外耦合结构分裂电抗器原理图；

图3为典型的电网短路电流波形；

图4为本发明具体实施例2的电路原理图；

图5为本发明具体实施例3的电路原理图；

图6为本发明具体实施例4的电路原理图；

图7为本发明的交流短路故障限流器接入电网前后的电网电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明的具体实施例1为一种交流短路故障限流器。该限流器包括快速开关k、分裂电抗器m、电抗器l1和电容器c1。其中，分裂电抗器m由第一绕组l01和第二绕组l02组成。

分裂电抗器m的第一绕组l01与快速开关k、电抗器l1和电容器c1依次串联后，再与第二绕组l02并联。其中，分裂电抗器m的第一绕组l01一端和第二绕组l02一端与第一连接点p1相连，分裂电抗器m的第一绕组l01另一端和快速开关k一端通过第二连接点p2相连，快速开关k另一端和电抗器l1一端通过第三连接点p3相连，电抗器l1另一端和电容器c1一端通过第四连接点p4相连，电容器c1另一端与第五连接点p5相连，第二绕组l02另一端与第六连接点p6相连，第五连接点p5和第六连接点p6直接相连。交流电源uac连接在第一连接点p1与地之间，断路器sw和负载rl串联后连接在第五连接点p5与地之间构成交流短路故障限流器。

本发明具体实施例1的分裂电抗器m或是一种铁芯耦合结构、或是一种上下耦合结构、或是一种内外耦合结构。图2(a)所示为分裂电抗器m一种铁芯耦合结构，分裂电抗器m由第一绕组l01、第二绕组l02和铁芯core组成。其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反，并通过闭合铁芯形成闭合磁路，提高其磁场耦合能力。图2(b)所示为分裂电抗器m一种上下耦合结构，分裂电抗器m由第一绕组l01和第二绕组l02组成，其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反。图2(c)所示为分裂电抗器m一种内外耦合结构，分裂电抗器m由第一绕组l01和第二绕组l02组成，其中，b1和b2分别表示第一绕组l01和第二绕组l02的磁通方向，第一绕组l01和第二绕组l02自感相等、磁通方向相反。

本发明的具体实施例1的快速开关k是快速真空断路器，或是快速机械断路器。快速开关k的动作时间，即从接收动作指令到完成分闸动作的时间小于20ms。

本发明的具体实施例1的电抗器l1和电容器c1组成串联谐振电路，谐振频率f为工频(f＝50hz)，即

ω²l1c1＝1(1)

其中，l1为电抗器l1的电感，c1为电容器c1的电容，角频率ω＝2πf，f为谐振频率。

电网稳态运行，即无短路故障时，快速开关k处于闭合状态，电抗器l1和电容器c1谐振于工频。通常，电抗器l1的电阻很小，可以忽略不计。电抗器l1和电容器c1组成的谐振电路不产生阻抗，第一绕组l01和第二绕组l02均分线路电流。限流器呈现低阻抗或零阻抗，对电网不产生影响。

一旦发生短路故障，即负载rl发生对地短路，线路电流迅速增加。通过第一绕组l01和第二绕组l02所在支路的电流快速增加。系统检测到短路故障后，快速开关k快速动作实现分闸，电流由第一绕组l01所在支路转移到第二绕组l02所在支路，然后由第二绕组l02单独实现限流。由于快速开关k从开始动作、电流转移和灭弧到限流要经历一段时间。因此，以快速开关k动作完成灭弧为界，交流短路故障限流器的限流过程分为两个阶段。

第一阶段：即在快速开关k灭弧之前，第一绕组l01和第二绕组l02所在支路电流都导通。同时，由于不断变化的短路电流存在多次谐波分量，电抗器l1和电容器c1组成的串联电路呈现的阻抗不为零，导致第一绕组l01和第二绕组l02所在支路的电流不相等，从而导致第一绕组l01和第二绕组l02的磁通不相等，磁通的差异导致分裂电抗器m的阻抗增大。因此，限流器就产生了限流阻抗，实行了对短路电流的限制。

图3所示为典型的电网短路电流波形。不断变化的短路电流存在多次谐波分量，使得线路电流的频率特性发生变化，电抗器l1和电容器c1组成的串联电路对外呈现一定阻抗。

第二阶段：即在快速开关k灭弧之后，第一绕组l01支路的电流全部转移到第二绕组l02所在的支路，由第二绕组l02单独限流。

最后，由线路断路器sw分断短路电流，完成交流短路故障限流器对短路电流限流和切除故障。因此，通过在分裂电抗器的支路中接入快速开关、电容器和电抗器的串联谐振电路，形成了一种交流短路故障限流器方案，达到了即限制短路电流峰值又限制短路电流稳态值的目的。同时，在快速开关动作之前，电容器和电抗器的谐振电路就产生阻抗，实现短路电流限制，故障响应速度快，提高了限流器的限流能力。

图4所示为本发明的具体实施例2的一种交流短路故障限流器。该限流器包括快速开关k、分裂电抗器m、电抗器l1和电容器c1。其中，分裂电抗器m由第一绕组l01和第二绕组l02组成。

分裂电抗器m的第一绕组l01与快速开关k串联，第二绕组l02与电抗器l1和电容器c1依次串联，然后两条支路并联。其中，分裂电抗器m的第一绕组l01一端和第二绕组l02一端与第一连接点p1相连，第一绕组l01另一端和快速开关k一端通过第二连接点p2相连，快速开关k另一端与第五连接点p5相连，第二绕组l02另一端与电抗器l1一端通过第三连接点p3相连，电抗器l1另一端和电容器c1一端通过第四连接点p4相连，电容器c1另一端与第五连接点p5相连。交流电源uac连接在第一连接点p1与地之间，断路器sw和负载rl串联后连接在第五连接点p5与地之间构成交流短路故障限流器。

本发明具体实施例2的分裂电抗器m具有和具体实施例1的分裂电抗器m相同的组成、结构和工作原理。

本发明具体实施例2的快速开关k具有和具体实施例1的快速开关k相同的组成、结构和工作原理。

本发明的具体实施例2的电抗器l1和电容器c1及其串联电路具有和具体实施例1的电抗器l1和电容器c1及其串联电路相同的组成、结构和工作原理。

电网稳态运行，即无短路故障时，快速开关k处于闭合状态，电抗器l1和电容器c1谐振于工频。通常，电抗器l1的电阻很小，可以忽略不计。电抗器l1和电容器c1组成的谐振电路不产生阻抗，第一绕组l01和第二绕组l02均分线路电流。限流器呈现低阻抗或零阻抗，对电网不产生影响。

一旦发生短路故障，即负载rl发生对地短路，线路电流迅速增加。通过第一绕组l01和第二绕组l02所在支路的电流快速增加。系统检测到短路故障后，快速开关k快速动作实现分闸，电流由第一绕组l01所在支路转移到第二绕组l02所在支路，然后由第二绕组l02、电抗器l1和电容器c1限流。由于快速开关k从开始动作、电流转移和灭弧到限流要经历一段时间。因此，以快速开关k动作完成灭弧为界，交流短路故障限流器的限流过程分为两个阶段。

第一阶段：即在快速开关k灭弧之前，第一绕组l01和第二绕组l02所在支路电流都导通。同时，由于不断变化的短路电流存在多次谐波分量，电抗器l1和电容器c1组成的串联电路呈现的阻抗不为零，导致第一绕组l01和第二绕组l02所在支路的电流不相等，从而导致第一绕组l01和第二绕组l02的磁通不相等，磁通的差异导致分裂电抗器m的阻抗增大。因此，限流器就产生了限流阻抗，实行了对短路电流的限制。

第二阶段：即在快速开关k灭弧之后，第一绕组l01支路的电流全部转移到第二绕组l02所在的支路，由第二绕组l02、电抗器l1和电容器c1共同限流。

最后，由线路断路器sw分断短路电流，完成交流短路故障限流器对短路电流限流和切除故障。因此，通过在分裂电抗器的支路中接入快速开关、电容器和电抗器的谐振电路，形成了一种交流短路故障限流器方案，达到了即限制短路电流峰值又限制短路电流稳态值的目的。同时，在快速开关动作之前，电容器和电抗器的谐振电路就产生阻抗，实现短路电流限制，故障响应速度快，提高了限流器的限流能力。

图5所示为本发明的具体实施例3的一种交流短路故障限流器。本发明是在图1所示的具体实施例1的基础上，在第二绕组l02支路串入电阻r0而构成的。具体实施例3中的快速开关k、分裂电抗器m、电抗器l1和电容器c1和图1中一一对应。电阻r0连接在第五连接点p5和第六连接点p6之间。其余部分的电路结构均与图1相同。

通常，电抗器l1的电阻很小(阻值为r0)，但是，考虑其可能对第一绕组l01支路和第二绕组l02支路电流分配所造成的影响时，电抗器l1和电容器c1串联电路的阻抗z表示为：

其中，l1为电抗器l1的电感，r0为电抗器l1的电阻值，c1为电容器c1的电容，角频率ω＝2πf，f为谐振频率，j为虚数单位。由公式(1)简化可得：

z＝r0(3)

因此，在第二绕组l02支路串入电阻r0，阻值为r0。从而保证电网稳态时第一绕组l01支路和第二绕组l02支路阻抗相等，电流均分，从而保证第一绕组l01支路和第二绕组l02支路的磁通相互抵消，限流器对线路呈现的阻抗最小。

本发明的具体实施例3的工作原理和具体实施例1相同。

图6所示为本发明的具体实施例4的一种交流短路故障限流器。本发明是在图4所示的具体实施例2的基础上，在第一绕组l01支路串入电阻r0而构成的。具体实施例4中的快速开关k、分裂电抗器m、电抗器l1和电容器c1和图4中一一对应。电阻r0连接在第五连接点p5和第六连接点p6之间。其余部分的电路结构均与图4相同。

通常，电抗器l1的电阻很小(阻值为r0)，考虑其可能对第一绕组l01支路和第二绕组l02支路电流分配所造成的影响时，在第二绕组l02支路串入电阻r0，阻值为r0。所述的电阻r0和具体实施例3的电阻r0特征、取值和作用相同。

本发明的具体实施例4的工作原理和具体实施例2相同。

图7为本发明的交流短路故障限流器接入电网前后的电网电流波形图，对比说明了本发明的限流器能够有效限制短路电流的峰值和有效值。在配电网和220～500kv的输电网中，本发明均能较好地实现短路故障限流。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。