技术领域

本发明涉及电力系统送变电技术领域， 特别涉及一种三相电流限制装置及方法。

背景技术

随着电力系统的不断发展， 发电容量的不断上升， 电力系统发生短路引起的短路电流很 大。 电力系统发生短路引起的短路电流对电力系统 的危害是很大的。 继电保护装置在电力系 统发生短路时， 发出跳闸命令， 使断路器跳闸， 切断短路电流。 断路器切断短路电流的能力 有限制， 短路电流超过断路器最大切断电流值时， 断路器无法切断短路电流。 因此， 减小短 路电流， 使断路器能够切断短路电流， 可减小电力设备在短路时的损害程度， 提高电力系统 的稳定性。

近年来研究限制短路电流的方法与装置 （也称电流限制器） 成为热门课题。

发明专利号为： 2003101235398 的 "超导饱和铁心故障限流器"提出了一种利用磁� ��和 电抗器铁芯的饱和特性构成电流限制器， 这种故障限流器需要超导材料， 价格贵， 超导材料 性能不稳定， 维护设备复杂。 发明专利号为： 2004100802846 的 "一种故障电流限制器"也 提出了一种利用磁饱和电抗器铁芯的饱和特性 构成电流限制器， 这种电流限制器的缺点是： 给直流线圈提供直流电流的电路复杂； 限制短路电流的效果有限； 只有限制短路电流作用， 性价比不高， 等等。

发明专利号为： 2010105753926 的 "具有柔性开关特性的电流限制装置及方法"提� ��了 一种性价比较好的电流限制装置及方法， 这种装置是单相设置。 电力系统一般是 、 B、 （：三 相系统， 所以， 采用该装置需设置三套。 三套单相设置分别工作， 管理比较方便； 但是， 不 能发挥 A、 B、 C三相系统联合工作的综合优点， 一些 A、 B、 C三相系统相互支持的资源得不 到充分利用； 对短路电流的限制需要通过控制器的触发命令 执行， 可靠性不够好。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题， 提供一种能发挥八、 B、 C三相系统联合工作的综 合优势， A、 B、 C三相系统的资源可得到充分利用； 对短路电流有自动限制功能， 安全可靠， 性能更优的三相电流限制装置及方法。

为实现上述目的， 本发明采用如下技术方案：

一种三相电流限制装置， 它包括：

A相磁饱和电抗器、 B相磁饱和电抗器和 C相磁饱和电抗器； 各磁饱和电抗器分别有闭环 铁芯， 在各闭环铁芯上分别安装有各自的电抗线圈 Ll、 直流线圈 L2;

A相电流互感器、 B相电流互感器和 C相电流互感器； 各电流互感器分别有闭环铁芯， 在 各闭环铁芯上分别安装有各自的一次线圈 L3、 二次线圈 L4;

三对反向并联的晶闸管， 每对反向并联的晶闸管分别与三台电流互感器 中相应的二次线 圈 L4并联；

三台磁饱和电抗器的三个电抗线圈 L1则分别与三台电流互感器中对应的一次线圈 L3串 联， 三个电抗线圈 L1余下的端子分别作为装置 A、 B、 C三相输入端子， 三个电流互感器一次 线圈 L3余下的端子分别作为装置 A、 B、 C三相输出端子；

三个三相桥式全桥整流电路，三只电流互感器 二次线圈 L4分别作为该三相桥式全桥整流 电路输入， 三个三相桥式全桥整流电路的输出并联后与一 只正向二极管 D13串联， 再与三台 磁饱和电抗器的直流线圈依次串连， 形成直流闭合电路；

一个控制电路， 其输出分别控制三对反向并联的晶闸管的导通 或截断。

所述三个三相桥式全桥整流电路是由 12只二极管组成， 其中二极管 Dl、 二极管 D2、 二 极管 D3、 二极管 D4构成一个三相桥式全桥整流电路； 二极管 D5、 二极管 D6、 二极管 D7、 二 极管 D8构成一个三相桥式全桥整流电路； 二极管 D9、 二极管 D10、 二极管 Dl l、 二极管 D12 构成一个三相桥式全桥整流电路； 所述三个三相桥式全桥整流电路输出端并联， 同时输出端 还并联过电压保护器 II。

所述三台磁饱和电抗器的三个直流线圈 L2串接后，该串联电路两端还分别并联有串联� �� 电阻 R1和电容 Cl， 并联有串联的电阻 R2和二极管 D14, 还并联过电压保护器 I； 其中电阻 R1两端还并联一只二极管 D21， 二极管 D21的正极在直流回路的高电位， 负极在直流回路的 低电位。

所述三台电流互感器的一次线圈 L3 流过的电流大于设计值时， 电流互感器进入饱和状 态； 该设计值大于输电回路额定电流值。

一种三相电流限制装置的工作方法， 它的过程为- 三相电流限制装置接到导通命令时，控制模块 控制三对反向并联的晶闸管处于截止状态； 输入装置的三相交流电流分别经各相别的磁饱 和电抗器的电抗线圈 L1 和电流互感器一次线 圈 L3流通； 各三相电流互感器二次线圈 L4流出的电流都流入三相桥式全桥整流电路， 三相 桥式全桥整流电路把三相交流电变为直流电流 ， 三相直流电流相加后流入串行连接的三个磁 饱和电抗器直流线圈 L2， 三个直流线圈 L2中的直流电流在铁芯产生的磁通大于电抗线� ��中 交流电流所产生的磁通， 磁饱和电抗器铁芯深度饱和； 三个磁饱和电抗器的电抗线圈 L1对输 电回路的阻抗有最小值；

当三相电流限制装置接到限制电流命令时， 控制模块控制三对反向并联的晶闸管处于全 导通状态； 三个三相电流互感器二次线圈 L4的电流全部从反向并联的晶闸管流通， 不流入三 相桥式全桥整流电路，也不流入磁饱和电抗器 直流线圈 L2;磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态， 串联在输电回路中的磁饱和电抗器线圈 L1的电抗有最大值。

所述三个电流互感器设计有对应短路电流的电 流互感器饱和点， 使三个电流互感器通过 的短路电流大于该设计值时快速饱和， 自动减小磁饱和电抗器直流线圈的电流， 在控制电路 失去控制的情况下， 也能自动限制短路电流。

所述三个磁饱和电抗器直流线圈 L2的电流为八、 B、 C三相电流之和， 当电力系统发生不 对称短路， 在没有控制电路控制的情况下， 非故障相电流能自动减小磁饱和电抗器直流线 圈 的电流， 在控制电路失去控制的情况下， 也能自动限制短路电流。

所述过电压保护器 I、 II的放电设计值为短路电流流过直流线圈时过� ��压保护器两端的 最高电压值； 当流过三相电流限制装置的短路电流大于该设 计值时， 电压保护模块 I、 II放 电， 自动减小磁饱和电抗器直流线圈的电流， 在控制电路失去控制的情况下， 也能自动限制 短路电流。

本发明提供了一种能发挥 A、 B、 C三相系统联合工作的综合优势， A、 B、 C三相系统的 资源得到充分利用； 对短路电流有自动限制功能， 安全可靠， 性能更优的三相电流限制装置。

本发明的有益效果是： A、 B、 C三相系统的控制电路可以设置一个接地点， 使整个控制 电路对大地的电位为零， 控制电路更加安全。 可以通过改变电流互感器一次线圈与二次线圈 之间的变比， 来减小或增加磁饱和电抗器直流线圈的匝数， 使三相电流限制装置的参数指标 设计更加灵活和方便。 可以通过设计电流互感器的饱和点， 使电流互感器在短路电流时快速 饱和， 自动减小磁饱和电抗器直流线圈的电流， 在控制电路失去控制的情况下， 也能自动限 制短路电流， 并且保护了晶闸管和二极管。 磁饱和电抗器直流线圈的电流由 A、 B、 C三相提 供， 供给磁饱和电抗器直流线圈的电流 A、 B、 （：三相电流之和， 电力系统正常运行时， 供 给磁饱和电抗器直流线圈的电流比分相式电流 限制装置大， 可减少磁饱和电抗器直流线圈匝 数。 当电力系统发生不对称短路， 特别是发生故障概率最多的单相接地短路时， 只有故障相 有短路电流， 非故障相为负荷电流， 减小了磁饱和电抗器直流线圈的总电流， 在没有控制电 路控制的情况下， 也能自动限制短路电流， 该特点优于分相式电流限制装置。 过电压保护器 的放电设计值为短路电流流过直流线圈时过电 压保护器两端的最高电压值； 当流过三相电流 限制装置的短路电流大于该设计值时， 过电压保护器放电， 自动减小磁饱和电抗器直流线圈 的电流， 在控制电路失去控制的情况下， 也能自动限制短路电流。

附图说明

图 1表示一种三相电流限制装置结构与连接方式� �

其中， 1. A相输入端子， 2. B相输入端子， 3. C相输入端子， 4. A相输出端子， 5. B 相输出端子， 6. C相输出端子， 7. A相磁饱和电抗器， 8. B相磁饱和电抗器， 9. C相磁饱 和电抗器， 10. A相电流互感器， 11. B相电流互感器， 12. C相电流互感器， 13. 过电压保 护器 I, 14. 过电压保护器 II， 15. 控制模块。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明 。

一种三相电流限制装置结构与连接方式如图 1所示。 它包括：

A相磁饱和电抗器 7、 B相磁饱和电抗器 8和 C相磁饱和电抗器 9; 各磁饱和电抗器分别 有闭环铁芯， 在各闭环铁芯上分别安装有各自的电抗线圈 Ll、 直流线圈 L2;

A相电流互感器 10、 B相电流互感器 11和 C相电流互感器 12; 各电流互感器分别有闭环 铁芯， 在各闭环铁芯上分别安装有一次线圈 L3、 二次线圈 L4;

三对反向并联的晶闸管，三对反向并联的晶闸 管分别与三台电流互感器的二次线圈 L4并 联；

三台磁饱和电抗器的三个电抗线圈 L1分别与三台电流互感器一次线圈 L3串联， 三个电 抗线圈 L1余下的端子分别作为装置 A相输入端子 1、 B相输入端子 2、 C相输入端子， 三个电 流互感器一次线圈 L3余下的端子分别作为装置 A相输出端子 4、 B相输出端子 5、 B相输出 端子 6；

三个三相桥式全桥整流电路，三只电流互感器 二次线圈 L4分别作为该三相桥式全桥整流 电路输入， 三个三相桥式全桥整流电路的输出并联后与一 只正向二极管 D13串联， 再与三台 磁饱和电抗器的直流线圈依次串连， 形成直流闭合电路；

一个控制电路， 其输出分别控制三对反向并联的晶闸管的导通 或截断。

所述三个三相桥式全桥整流电路是由 12只二极管组成， 其中二极管 Dl、 二极管 D2、 二 极管 D3、 二极管 D4构成一个三相桥式全桥整流电路； 二极管 D5、 二极管 D6、 二极管 D7、 二 极管 D8构成一个三相桥式全桥整流电路； 二极管 D9、 二极管 D10、 二极管 Dl l、 二极管 D12 构成一个三相桥式全桥整流电路； 所述三个三相桥式全桥整流电路输出并联， 同时输出端还 并联过电压保护器 1114。

所述三台磁饱和电抗器的三个直流线圈 L2串接后，该串联电路两端还分别并联有串联� �� 电阻 R1和电容 Cl， 并联有串联的电阻 R2和二极管 D14， 还并联过电压保护器 113; 其中电 阻 R1两端还并联一只二极管 D21 , 二极管 D21的正极在直流回路的高电位， 负极在直流回路 的低电位。

所述三台电流互感器的一次线圈 L3 流过的电流大于设计值时， 电流互感器进入饱和状 说明书 态； 该设计值大于输电回路额定电流值。

当三相电流限制装置投入正常运行的电力系统 和接到导通命令时，控制模块 15控制三对 反向并联的晶闸管 D15、 晶闸管 D16、 晶闸管 D17、 晶闸管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20处 于截止状态。 输入装置的 A、 B、 C三相交流电流经各相别的磁饱和电抗器的电� �线圈 L1和电 流互感器一次线圈 L3流通。 A、 B、 C三相电流互感器二次线圈 L4流出与一次线圈 L3成比例 的电流， A、 B、 C三相电流互感器二次线圈 L4的电流分别流入三相桥式全桥整流电路， 三相 桥式全桥整流电路把三相交流电流变为直流电 流， 经直流端子正极输出， 经正向串行连接的 二极管 D13， 直流电流流入依次串行连接的三个磁饱和电抗 器直流线圈 L2， 从三相桥式全桥 整流电路负极流回三相桥式全桥整流电路。 三相桥式全桥整流电路输出的直流电流是 A、 B、 C三相电流之和。 磁饱和电抗器直流线圈 L2中的电流在磁饱和电抗器铁芯中产生磁通， 各直 流线圈 L2中的直流电流在铁芯产生的磁通大于电抗线� �� L1中的交流电流所产生的磁通， 磁 饱和电抗器铁芯深度饱和。磁饱和电抗器直流 线圈 L2对直流电的电抗为零， 磁饱和电抗器直 流线圈 L2对直流电有电阻， 但电阻很小； 加大各磁饱和电抗器直流线圈 L2的直径， 可进一 步减小电阻。各磁饱和电抗器直流线圈 L2对于输电回路的阻抗很小。输电回路的负荷� ��流小， 输电回路电流给各磁饱和电抗器直流线圈 L2提供的直流电流就小； 输电回路的负荷电流大， 输电回路电流给各磁饱和电抗器直流线圈 L2提供的直流电流就大。不论输电回路的负荷� ��流 大小， 各磁饱和电抗器铁芯始终处于饱和状态； 各磁饱和电抗器铁芯处于饱和状态， 各磁饱 和电抗器线圈 L1对输电回路的阻抗很小， 不会影响负载的用电。 由于直流线圈 L2中的直流 电流有自我调节能力， 负荷电流小时， 直流线圈 L2中的直流电流自动减小， 可减低电力系统 正常运行时的损耗。

当输电回路正常运行时接到限制电流命令或发 生短路故障时接到限制电流命令， 控制模 块 15控制三对反向并联的晶闸管 D15、 晶闸管 D16、 晶闸管 D17、 晶闸管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20处于全导通状态。 反向并联的各晶闸管全导通， 使4、 B、 C相电流互感器二次线 圈 L4旁路， 各电流互感器二次线圈 L4的电流全部从各晶闸管流通， 不流入三相桥式全桥整 流电路， 也不流入各磁饱和电抗器直流线圈 L2。 这样， A、 B、 C三相磁饱和电抗器直流线圈 L2中的直流电流为零； 各磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态， 串联在输电回路中的各磁饱和电 抗器线圈 L1的电抗很大。 从而达到限制交流电流幅值的目的。

各磁饱和电抗器的直流线圈 L1是储能元件。控制模块 15控制三对反向并联的晶闸管 D15、 晶闸管 D16、 晶闸管 D17、 晶间管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20处于全导通状态后， 各磁饱 和电抗器的直流线圈 L2中的直流电流不能马上降为零。 二极管 D14与串接的电阻 R2， 为其 明书 提供续流通路。 电阻 R2消耗能量， 加快各磁饱和电抗器直流线圈 L2中的直流电流降为零。 电容 C1与串接的电阻 Rl， 也可加快各磁饱和电抗器直流线圈 L2中的直流电流下降为零。 根 据需要， 在与各磁饱和电抗器直流线圈 L2串联的直流电流回路中还可以增加其他灭磁� ��置， 有许多现有的灭磁装置可供选择。 加快各磁饱和电抗器直流线圈 L2中的直流电流下降为零， 即可提高电流限制装置的性能。

过电压保护器 113、 1114用于保护各个二极管、 晶闸管和有关元件。 可以设定输电回路 K倍数的额定电流时各过电压保护器两端的最� �电压为过电压保护器 113、 ΙΠ4的放电值， K 大于 1 ; 这样， 当短路电流超过 K倍数的额定电流时， 电压保护器 113、 ΙΠ4放电， 各磁饱 和电抗器直流线圈 L2中的直流下降为零， 各磁饱和电抗器的电抗线圈 L1的电抗增大， 限制 短路电流， 使通过三相电流限制装置的短路电流不大于 K倍数的额定电流。

所述各磁饱和电抗器中的铁芯可以采用一个口 子形铁芯， A、 B、 C 三相磁饱和电抗器中 的直流线圈 L2串行连接成开口三角形。所述各磁饱和电抗� ��中的铁芯还可以采用二个口子形 铁芯， 各磁饱和电抗器的电抗线圈 L1由分别绕制在两个铁芯上的电抗线圈 L1组成， 各磁饱 和电抗器的直流线圈 L2 由分别绕制在两个铁芯上的直流线圈组成， 例如： 发明专利号为： 2008101592788 的 "短路电流限制装置及方法"提出的结构； 所述磁饱和电抗器可以采用发 明专利号为： 2010105840411 的 "一种磁饱和电抗器"提出的结构； 还可以是其它类型的磁 饱和电抗器。 采用不同的磁饱和电抗器， 其装置的性能各有特点， 以便应用于不同的场合。 各磁饱和电抗器如果选用发明专利号为： 2010105753926 的 "具有柔性开关特性的电流限制 装置及方法" 的磁饱和电抗器， 则所述三相电流限制装置可在几乎完全导通至 正常励磁电流 两种状态之间变化。

可以在电流互感器二次线圈侧设置一个接地点 ， 使控制电路 15对大地的电位为零， 控制 电路更加安全。

可以通过改变各电流互感器一次线圈 L3与二次线圈 L4之间的变比， 来减小或增加各磁 饱和电抗器直流线圈 L2的匝数，使三相电流限制装置的参数指标设� ��更加灵活和方便；例如： 一次线圈 L3是二次线圈 L4的 2倍，流过各磁饱和电抗器直流线圈 L2的直流电流就增大 2倍， 直流线圈 L2的匝数减小一半即可获得同等磁通。 本发明的各磁饱和电抗器直流线圈 L2的匝 数可以小于电抗线圈 L1的匝数。

可以通过设计各电流互感器的饱和点， 使各电流互感器在短路电流时快速饱和， 自动减 小各磁饱和电抗器直流线圈 L2的电流， 在控制电路失去控制的情况下， 也能自动限制短路电 流， 并且保护了各晶闸管和各二极管。 例如： 设定输电回路二倍额定电流时为各电流互感器 饱和值， 这样， 各电流互感器一旦饱和， 各电流互感器二次线圈 L4电流很小， 各磁饱和电抗 器的直流线圈 L2中的直流电流下降到很小， 各磁饱和电抗器的电抗线圈 L1的电抗增大， 限 制短路电流， 使短路电流不大于二倍额定电流。

各磁饱和电抗器直流线圈 L2的电流由 、 B、 C三相提供， 供给各磁饱和电抗器直流线圈 L2的电流为八、 B、 C三相电流之和， 电力系统正常运行时， 供给各磁饱和电抗器直流线圈 L2 的电流比分相式电流限制装置大，三相电流限 制装置所用各磁饱和电抗器直流线圈 L2匝数比 分相式电流限制装置的少。 当电力系统发生不对称短路， 特别是发生故障概率最大的单相接 地短路时， 只有故障相有短路电流， 非故障相为负荷电流， （与三相短路电流比较）减小了磁 饱和电抗器直流线圈的总电流， 在没有控制电路控制的情况下， 也能自动限制不对称短路的 短路电流， 该特点优于分相式电流限制装置。

当控制模块 15控制三对反向并联的晶闸管 D15、 晶闸管 D16晶闸管、 晶闸管 D17、 晶闸 管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20处于截止状态。 各磁饱和电抗器铁芯处于饱和状态， 各磁饱 和电抗器线圈 L1对输电回路的阻抗有最小值。当控制模块 15控制三对反向并联的晶闸管 D15、 晶闸管 D16、 晶闸管 D17、 晶闸管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20处于全导通状态。 各三相磁 饱和电抗器直流线圈 L2中的直流电流为零； 各磁饱和电抗器铁芯脱离饱和状态， 串联在输电 回路中的各磁饱和电抗器线圈 L1的电抗有最大值。 当控制模块 15控制三对反向并联的晶闸 管 D15、 晶闸管 D16、 晶闸管 D17、 晶闸管 D18、 晶闸管 D19、 晶闸管 D20从全截止状态逐步 加大导通角， 各磁饱和电抗器线圈 L1的电抗就从最小值连续变化到最大值。各三� ��电流限制 装置就变为连续磁控电抗器。

所述一种三相电流限制装置及方法的各部件可 用现有技术设计制造， 完全可以实现。 有 广阔应用前景。