本发明涉及一种短路故障限流器,特别涉及输� �电网的故障限流 器。 背景技术

随着国民经济的快速发展， 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故障电流限制技术。 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 ( Positive

Temperature Coefficient, 正温度系数） 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， 谐振限流器在 限流过程伴有高电压产生从而存在极大安全隐 患， 因此均不具备在实 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。 超导限流器在正常运行时可通过大电流而只呈 现很小的阻抗甚至 零阻抗， 只在短路故障时呈现一个大阻抗， 因而其限流效果非常明显， 但造价极其昂贵。 发明内容

为了克服已有技术的不足， 本发明提出了一种用于输配电网的短 路故障限流器， 它不但能够自动串入电网限制故障电流， 而且结构简 单、 成本低， 能够有效限制电网故障电流。 本发明采用的技术方案为：

本发明包括第一电抗器、 第二电抗器、 开关、 电容器、 第一避雷 器、 第二避雷器和第三避雷器。 所述的第一电抗器由第一绕组和第二 绕组通过磁路相互耦合构成。 其中， 第一绕组的一端与第二绕组的一 端并联连接在第一连接点， 第一绕组的另一端与开关串联后， 再与第 二绕组的另一端并联连接在第二连接点， 并联后的两个绕组与电容器 串联后接入第三连接点。 第二电抗器与第三避雷器并联后接入第一连 接点和第三连接点之间， 第一避雷器接入第一连接点和第二连接点之 间， 第二避雷器接入第二连接点和第三连接点之间 ， 组成短路故障限 流器。 该限流器通过第一连接点和第三连接点串联接 入电源、 负载和 断路器之间， 构成单相短路故障限流器。 电网稳态时， 本发明限流器工作在串联谐振或串补状态， 呈现低 阻抗； 电网发生短路故障后， 第一和第二电抗器的绕组过流饱和， 或 者同时通过开关闭合来控制电抗器的电抗变化 ， 使本发明限流器产生 高阻抗来实现故障限流。 本发明的主要优点：

1. 本发明通过调节电抗器的互感， 达到限制故障电流的作用， 提高了限流器的限流能力， 从而获得比已有短路故障限流器更好的限 流效果。

2. 本发明中通过断路器闭合来控制电抗器的磁通 ， 达到改变回 路的限流阻抗和电路谐振的关系。 该故障限流器结构简单、 易实现， 且可靠性高。

3. 本发明中通过合理设计限流器参数， 可以大幅度降低了系统 的制造成本和体积。

4. 本发明的限流器通过电抗器过流饱和， 实现电感量减小， 从 而达到自动响应故障的目的。 附图说明

图 1为本发明具体实施例 1电路原理图；

图 2为本发明具体实施例 1的电抗器结构原理图；

图 3为本发明具体实施例 2的电抗器结构原理图；

图 4为本发明具体实施例 3的电路原理图；

图 5为本发明具体实施例 4的电路原理图。 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为一种单相短路故障限流器。 包括第一电抗器 Ll、 第二电抗器 L2、 开关 Kl、 电容器 Cl、 第一避雷 器 Hl、 第二避雷器 H2和第三避雷器 H3。 所述的第一电抗器由第一绕 组 L11和第二绕组 L12通过磁路相互耦合构成。 其中， 第一绕组 L11 的一端与第二绕组 L12的一端并联连接在第一连接点 a， 第一绕组 L11 的另一端与开关 K1串联后，再与第二绕组 L12的另一端并联连接在第 二连接点 b， 并联后的两个绕组与电容器 C1串联后接入第三连接点 0。 第二电抗器 L2与第三避雷器 H3并联后接入所述的第一连接点 a和第 二连接点 c之间， 第一避雷器 HI接入第一连接点 a和第二连接点 b之 间， 第二避雷器 H2接入第二连接点 b和第三连接点 c之间， 组成短路 故障限流器。该限流器通过第一连接点 a和第三连接点 c串联接入电源 UAC、 负载 RL和断路器 B1之间， 构成单相短路故障限流器。 如图 2所示， 本发明的具体实施例 1为本发明短路故障限流器的 第一电抗器 L1的结构图。构成第一电抗器的第一绕组 L1 1和第二绕组 L12匝数相同， 异名端相连， 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。 电网无短路故障时， 开关 K1断开， 限流器的阻抗 z _{11 :}

z = ;^ ₂ (1 - ^¾ ₂ ^) 其中， L ₁₂ 为第二绕组 L12 的电感， L ₂ 为第二电抗器的电感， d 为电容器 C1的电容， j为虚数单位。当第二绕组 L12和电容器 C1处于 串联谐振状态或谐振点附近， 满足：

其中， ω = 2π ， f为电网频率。 限流器呈现低阻抗或零阻抗， 电 网电流通过第二绕组 L12和电容器 C1而导通， 对电网不产生影响。 一旦发生短路故障， 电网电流迅速增加。 当通过第二绕组 L12的 电流快速增加时， 导致第二绕组 L12饱和而电感减小， 导致第二绕组 L12和电容器 C1的工作点远离串联谐振点。若 L12的电感减小为 L _12a ， 则限流器的阻抗2 _{12 :} 且^ ^ + ^)^ ^ 这时， 限流器呈现一个较高阻抗， 限制故障 电流。 同时， 开关 K1迅速闭合， 第一绕组 L1 1和第二绕组 L12反向相 互耦合、 磁通相互抵消， 使第二绕组 L12快速进入线性区， 导致电抗 器 L1的电抗减小而呈现低阻抗， 即漏抗 L _la 。 且！ !。《 ， 此时， 限流 器阻抗 Z _{13 :} 从而使限流器产生高阻抗， 实现对故障电流的限制。 上述式中： 其中， L ₁₂ 为第二绕组 L12的电感， L ₂ 为第二电抗器的电感， 为电容 器 C1的电容， j为虚数单位。 在故障限流过程中， 第一避雷器 Hl、 第二避雷器 H2和第三避雷 器 H3分别保护第一电抗器 Ll、 电容器 C1和第二电抗器 L2免受过压 冲击， 保证其安全运行。 本发明的限流器经历了从稳态运行的串联谐 振到电抗器饱和自触发产生限流阻抗、 进一步达到通过开关闭合控制 电抗使限流器产生高阻抗的限流过程， 有效地实现了故障限流。 本发明的具体实施例 1 所述的三个单相短路故障限流器应用于三 相系统组成的三相短路故障限流器。 组成三个单相短路故障限流器的 每个单相短路故障限流器的结构和具体实施例 1 相同。 三相短路故障 限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路 故障限流器的工作原理 相同。 图 3所示为本发明的具体实施例 2为优化的三相短路故障限流器。 其特点是在三相短路故障限流器的基础上， 把电抗器的铁芯优化为一 个一体化的三相铁芯。 一体化的三相铁芯由共同一边的三个矩形铁芯 PA、 PB和 PC组成， 各矩形铁芯间夹角为 120°， 铁芯 PA、 PB和 PC 上分别绕制了 A相、 B相和 C相的第一绕组 Ll l、 第二绕组 L12。 并 且， 同一矩形铁芯上的两个绕组的磁通方向相反。 本实施例其它部分 的电路结构和三相短路故障限流器相同。 优化的三相短路故障限流器 的工作原理和三相短路故障限流器相同。 通过优化更有利于磁路间耦 合， 减小电流波形畸变。 优化的铁芯有利于系统加工和安装， 降低了 系统的成本。 如图 4所示， 本发明的具体实施例 3为一种短路故障限流器。 包 括第一电抗器 Ll、 第二电抗器 L2、 开关 Kl、 电容器 Cl、 第一避雷器 Hl、 第二避雷器 H2和第三避雷器 H3。 所述的第一电抗器由第一绕组 L11和第二绕组 L12通过磁路相互耦合而构成。 其中， 第一绕组 L1和 第二绕组 L2匝数相同、 异名端相连、 磁通方向相反。 并通过闭合铁芯 形成闭合磁路。 第一绕组 L1 1 的一端与第二绕组 L12—端并联连接在 第一连接点 a， 第一绕组 L11的另一端与开关 K1串联后， 再与第二绕 组 L12的另一端并联连接在第二连接点 b，并联后的两个绕组与第二电 抗器 L2串联后接入第三连接点 c。 电容器 C1与第三避雷器 H3并联后 接入第一连接点 a和第二连接点 c之间、 第一避雷器 HI接入第一接点 a和第二连接点 b之间、 第二避雷器 H2接入第二连接点 b和第三连接 点 c之间组成短路故障限流器。该限流器通过第� �连接点 a和第三连接 点 c串联接入电源 UAC、 负载 RL和断路器 B l之间， 构成单相短路故 障限流器。 电网无短路故障时，开关 K1断开，此时， ^ ^ ^，且 !^》 电网电流主要通过电容器 C1而导通， 限流器工作容性状态， 对电网有 一定的无功补偿作用。 限流器阻抗 ζ _{31 :}

一旦发生短路故障， 电网电流迅速增加， 第二绕组 L12因过流而 饱和， 其电抗迅速减小到 L12b， 导致限流器的阻抗增加而实现限流。 这时 限流器的阻抗 Z _{32 :} 同时， 开关 Kl迅速闭合， 第一绕组 L11和第二绕组 L12反向相 互耦合、 磁通相互抵消， 使第二绕组 L12快速进入线性区， 导致电抗 器 L1 的电抗减小而呈现低阻抗， 即漏感 L _lb 。 从而使限流器进入并联 谐振状态而产生高阻抗， 实现对故障电流的限制。 限流器阻抗 Z _{33 :} 且满足

2 (L ₂ + L _lb )C _l < 1 其中， L ₂ 为第二电抗器的电感， L _lb 为漏感， （^为电容器 C1的 电容， j为虚数单位。 在故障限流过程中， 第一避雷器 Hl、 第二避雷器 H2和第三避雷 器 H3分别保护第一电抗器 Ll、 电容器 C1和第二电抗器 L2免受过压 冲击， 保证其安全运行。 本发明的具体实施例 4所述的三个单相短路故障限流器应用于三 相系统组成的三相短路故障限流器。 组成三个单相短路故障限流器的 每个单相短路故障限流器的结构和具体实施例 4 相同。 三相短路故障 限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路 故障限流器的工作原理 相同。 如图 5所示， 本发明的具体实施例 4为一种短路故障限流器。 包 括第一电抗器 Ll、 第二电抗器 L2、 电容器 Cl、 第一避雷器 Hl。 其中， 第一电抗器 L1作为铁芯电抗器与第二电抗器 L2串联后， 再与电容器 C 与第一避雷器 HI并联组成短路故障限流器。该限流器串联接� ��电 源 UAC、 负载 RL和断路器 B 1之间， 构成单相短路故障限流器。 电网无短路故障时， » 1^ ₂ ， 且 ΐ! » , 电网电流主要通过

电容器 C1而导通， 限流器工作容性状态， 对电网有一定的无功补偿作 用。 限流器阻抗 z _{41 :}

其中， ω = 2π ， f为电网频率。 一旦发生短路故障， 电网电流迅速增加， 第二绕组 L1因过流而饱 和， 其电抗迅速减小到 L _l£ ， 从而使限流器进入并联谐振状态而产生高 阻抗， 实现对故障电流的限制。 这时， 限流器的阻抗 Z _{42 :} 且满足

« ² ( ^ + ₂ )(^ < 1

其中， L _le 为第二绕组 LI 的电抗， L ₂ 为第二电抗器的电感， d 为电容器 C1的电容， j为虚数单位。 在故障限流过程中， 第一避雷器 HI保护第一电抗器 Ll、 第二电 抗器 L2与电容器 C1免受过压冲击， 保证其安全运行。 本发明的具体实施例 4所述的三个单相短路故障限流器应用于三 相系统组成的三相短路故障限流器。 组成三个单相短路故障限流器的 每个单相短路故障限流器的结构和具体实施例 4 相同。 三相短路故障 限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路 故障限流器的工作原理 相同。 在 220kV的输电系统中， 以本发明的具体实施例 1为例， 设计电 容器 0.2mF、 第一电抗器 L1 的各个绕组自感为 50mH、 第二电抗器的 电感为 20mH， 本发明的限流阻抗达到 10.4 Ω。 如果 220kV 电网的最 大短路电流为 63kA， 本发明的限流器接入电网， 可以把短路电流限制 到 11.5kA， 故障电流限制率达到 82%左右。 通过调整电抗器和电容器 的参数， 可以进一步提高限流器的限流能力。 本发明的限流器对保障 高电压大容量电网的安全运行有非常重要的意 义。