專利名稱：基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種應(yīng)用于交流電壓供電系統(tǒng)，對短路故障電流及其上升率進(jìn)行限制的裝置，屬于交流柔性輸電技術(shù)的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)規(guī)模的日益增大，短路電流數(shù)值也隨之增加，短路故障對系統(tǒng)的危害也越來越大。固態(tài)短路故障限流器在檢測到短路故障發(fā)生后，通過快速改變故障線路的阻抗參數(shù)，將短路電流限制在允許的水平，以保護(hù)電力設(shè)備，已經(jīng)成為柔性交流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵元件之一。發(fā)明專利“一種短路保護(hù)電路”(專利號ZL 96 123001.0)、實(shí)用新型專利“短路限流式三相變壓器”(專利號ZL 00 2 06596.7)和發(fā)明專利“具有旁路電感的短路故障限流器”(專利號02112334.9)提出的基于半控器件可控硅的短路故障限流器，具有1)正常時，限流電抗器中通過直流電流，無壓降，幾乎無功耗；2)故障時，限流電抗器無延時自動投入；3)切除時，可控硅在電流過零時關(guān)斷，不會引起過電壓和附加振蕩等優(yōu)點(diǎn)，特別是發(fā)明專利“具有旁路電感的短路故障限流器”(專利號02112334.9)，有效降低了裝置的重量、體積和成本，是解決短路限流技術(shù)的一個實(shí)用而有效方案。但由于上述短路故障限流器中的變流橋路采用可控硅，在短路故障發(fā)生后，存在半個周期的不控時間，在此不控時間內(nèi)，電源電壓經(jīng)過變流橋路加在直流限流電抗器上，從而引起短路電流的迅速上升，為了保證在半個周期內(nèi)短路電流不超過允許值，直流電感的電感量很大，由于直流電抗器的磁路必須加氣隙以防止飽和，直流電抗器的體積較大、重量較重、成本較高。為此，提出一種基于自關(guān)斷開關(guān)器件(如GTO、IGCT等)的短路故障限流器，能夠大大縮短變流橋路的失控時間，也就是縮短短路故障發(fā)生后，電源電壓經(jīng)過橋路加在直流電抗器上進(jìn)而引起短路電流上升的時間，直流限流電抗器的電感量至少可以減小6倍，從而大大減小直流電抗器的尺寸，顯著減小限流器的體積、重量和成本。
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的是提供一種基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器，將變流橋路的失控時間，從半個工頻周期(10毫秒)減小到電流檢測及執(zhí)行控制操作的電路延遲(不大于1毫秒)，可以將直流限流電抗器的電感量減小6倍以上，從而大大減小直流電抗器的尺寸，顯著減小限流器的體積、重量和成本，還可以實(shí)現(xiàn)變流橋路和直流電抗器在電感電流過零之后退出工作。
技術(shù)方案本實(shí)用新型的基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器包括開關(guān)電路、自關(guān)斷器件變流橋路、旁路電感器、直流限流電抗器；其中旁路電感器并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路的兩端，直流限流電抗器的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路中，開關(guān)電路與并聯(lián)后的自關(guān)斷器件變流橋路、旁路電感器以及外部的負(fù)載、電源串聯(lián)成一個回路。
其基本結(jié)構(gòu)為自關(guān)斷器件變流橋路由自關(guān)斷器件T1、T2、T3、T4組成一個電橋構(gòu)成，開關(guān)電路即雙向可控硅T5與自關(guān)斷器件變流橋路相串聯(lián)，旁路電感器即電感器L2并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路的兩端，直流限流電抗器即電抗器L1的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路中的自關(guān)斷器件T1、T2的接點(diǎn)和自關(guān)斷器件T3、T4的接點(diǎn)上。也可以將旁路電感器即電感器L2通過耦合變壓器TR1并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路的兩端。
本實(shí)用新型的方案可以是基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的單相橋式限流器；也可以是適用于高電壓系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件單相橋式限流器；也可以是基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的三相接地系統(tǒng)橋式限流器；也可以是適用于高電壓接地系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件三相橋式限流器；也可以是基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的三相不接地系統(tǒng)橋式限流器；還可以是適用于高電壓不接地系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件三相橋式限流器。
以“基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的單相橋式限流器”方案為例，分析如下當(dāng)橋路中的開關(guān)管采用可控硅元件時，由于可控硅過零關(guān)斷的特性，從檢測到短路故障發(fā)生、封鎖驅(qū)動脈沖，到切斷電源電壓經(jīng)過整流橋加在直流電感上的通路，需要最長半個工頻周期時間，在這段時間內(nèi)直流電感中的電流Id的變化關(guān)系如下式所示Id=2Ie+∫0πVamsin(ωt)ωLdd(ωt)=2Ie+22VaωLd---(1)]]>電感的體積、重量和電感中所能儲存的能量成正比，所以，電感的最小化就是其最大儲能的最小化，由上式可知，直流電感Ld中的儲能為E=Ld2(2Ie+22VaωLd)2---(2)]]>取E最小，可以得到直流電抗器的電感的最優(yōu)值為Laop=2VaωIe---(3)]]>在上述最優(yōu)條件下，經(jīng)過開關(guān)管和直流電抗器的最大電流為ILam=ISCRr=22Ie---(4)]]>當(dāng)橋路中的開關(guān)管采用可關(guān)斷器件IGCT時，由于IGCT可以通過門極信號實(shí)現(xiàn)關(guān)斷，所以，在檢測到短路故障發(fā)生之后，立即分配控制信號，控制橋路工作于逆變狀態(tài)，可以將電源電壓經(jīng)過橋路加在直流電感上的時間，縮短到檢測電路的延時時間之內(nèi)，從而進(jìn)一步減小直流電抗器的尺寸。該辦法的關(guān)鍵是縮短信號檢測時間，最有效的方法是采用快速檢測元件檢測直流電感電流，并據(jù)此判斷短路故障是否發(fā)生。目前，能夠檢測直流電流的傳感器，有霍爾電流傳感器和光學(xué)電流傳感器，這兩種傳感器的快速性好，檢測延時很小，考慮到高電壓環(huán)境應(yīng)用需要進(jìn)行的光電轉(zhuǎn)換電路的時延和足夠的余量，該延時時間可取1mS。在穩(wěn)態(tài)和額定負(fù)載電流下，在t＝4.5mS處發(fā)生短路的情況下(最惡劣短路)，1毫秒之后橋路由整流狀態(tài)切換到逆變狀態(tài)，電感電流在4.5毫秒到5.5毫秒之間在電源電壓作用下增加，直流電感電流最大數(shù)值如下Id=2Ie+∫0.00450.00552Vasin(ωt)Lddt=2Ie+0.4424VaωLd---(5)]]>在此情況下，直流電抗器中儲存的能量為
E=Ld2(2Ie+0.4424VaωLd)2---(6)]]>取E最小，可以得到直流電感的最優(yōu)值為Ldop=0.31287VaωIe---(7)]]>在此最優(yōu)情況下，流經(jīng)開關(guān)管和直流電抗器的最大電流仍如式(4)所示，即2Ie。也就是說，開關(guān)管和直流電感的電流定額不變，直流電感的電感量減小6倍多，從而使得其體積、重量和成本均縮小約6倍。上述優(yōu)化的前提，是在高電壓環(huán)境下，電流檢測信號需要經(jīng)過光電隔離處理，檢測延時較長，當(dāng)應(yīng)用于低電壓系統(tǒng)時，電流檢測和執(zhí)行切換操作所需時間延遲可以減小到200微妙之內(nèi)，從而將直流電感量在上述基礎(chǔ)上，再減小幾倍。
有益效果本實(shí)用新型用自關(guān)斷器件(逆阻型GTO、IGCT等)代替上述已有限流器中的半控器件可控硅，從而將變流橋路的失控時間，從半個工頻周期(10毫秒)減小到電流檢測及執(zhí)行控制操作的電路延遲(不大于1毫秒)，可以將直流限流電抗器的電感量減小6倍以上，從而大大減小直流電抗器的尺寸，顯著減小限流器的體積、重量和成本，還可以實(shí)現(xiàn)變流橋路和直流電抗器在電感電流過零之后退出工作，故障切除靠串在電路中的雙向可控硅，過零關(guān)斷的特點(diǎn)保證操作不會引起過電壓和附加振蕩。
圖1為本實(shí)用新型電路原理框圖。其中有開關(guān)電路1 自關(guān)斷器件變流橋路2 旁路電感器3 直流限流電抗器4 負(fù)載5 電源6。
圖2為本實(shí)用新型例1，即基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的單相橋式限流器的電路原理示意圖。
圖3為本實(shí)用新型例2，即適用于高電壓系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件單相橋式限流器的電路原理示意圖。
圖4為本實(shí)用新型例3，即基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的三相接地系統(tǒng)橋式限流器的電路原理示意圖。
圖5為本實(shí)用新型例4，即適用于高電壓接地系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件三相橋式限流器的電路原理示意圖。
圖6為本實(shí)用新型例5，即基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的三相不接地系統(tǒng)橋式限流器的電路原理示意圖。
圖7為本實(shí)用新型例6，即適用于高電壓不接地系統(tǒng)的帶耦合變壓器和旁路電感的自關(guān)斷器件三相橋式限流器的電路原理示意圖。
具體實(shí)施方式
以下參照附圖詳細(xì)說明本實(shí)用新型的實(shí)施例。
該限流器包括開關(guān)電路1、自關(guān)斷器件變流橋路2、旁路電感器3、直流限流電抗器4；其中旁路電感器3并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路2的兩端，直流限流電抗器4的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路2中，開關(guān)電路1與并聯(lián)后的自關(guān)斷器件變流橋路2、旁路電感器3以及外部的負(fù)載5、電源6串聯(lián)成一個回路。
該限流器中的變流橋路由逆阻型自關(guān)斷器件如門極可關(guān)斷可控硅GTO、集成門極換相可控硅IGCT、射極可關(guān)斷可控硅ETO等構(gòu)成，實(shí)施例1如圖2所示，為基于自關(guān)斷器件的單相橋式限流器，由自關(guān)斷器件T1~T4組成的橋路、直流限流電抗器L1、旁路電感L2、雙向可控硅T5等組成。自關(guān)斷器件T1、T2的陰極、直流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T3、T4的陽極、和直流電抗器L1的另一端接在一起；自關(guān)斷器件T1的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極、旁路電感L2的一端和雙向可控硅T5的一個主電極接在一起；雙向可控硅的另一個主電極為限流器的一個引出端；自關(guān)斷器件T2的陽極、自關(guān)斷器件T3的陰極和旁路電感L2的另一端接在一起，為限流器的另一個引出端；Va為電源，R1為負(fù)載。
實(shí)施例2如圖3所示，為用于高電壓系統(tǒng)的基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感和耦合變壓器的單相限流器，由自關(guān)斷器件T1~T4組成的橋路、直流限流電抗器L1、耦合變壓器TR1、旁路電感L2、雙向可控硅T5等組成。自關(guān)斷器件T1、T2的陰極、直流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T3、T4的陽極、和直流電抗器L1的另一端接在一起；自關(guān)斷器件T1的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極、耦合變壓器TR1的副邊的一端接在一起；自關(guān)斷器件T2的陽極和自關(guān)斷器件T3的陰極、耦合變壓器TR1的副邊的另一端接在一起；耦合變壓器TR1的原邊的一端、旁路電感L2的一端、雙向可控硅T5的一個主電極接在一起，雙向可控硅T5的另一個主電極為限流器的一個引出端；耦合變壓器TR1的原邊的另一端和旁路電感L2的另一端接在一起，為限流器的另一個引出端。Va為電源，R1為負(fù)載。
實(shí)施例3如圖4所示，為用于三相接地系統(tǒng)的基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的限流器，由自關(guān)斷器件T1~T8組成的變流橋路、直流限流電抗器L1、旁路電感L2、L3、L4和雙向可控硅T9、T10、T11等組成。在該電路中，將三相電源的公共點(diǎn)解開，為敘述方便，原來三相電源接在一起的那一端稱為參考端。自關(guān)斷器件T1、T3、T5、T7的陰極和直流限流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T2、T4、T6、T8和直流限流電抗器L1的另一端接在一起；自關(guān)斷器件T1的陽極、自關(guān)斷器件T2的陰極、旁路電感L2的一端、雙向可控硅T9的一個主電極接在一起；雙向可控硅T9的另一個主電極和a相電源的參考端連接在一起；自關(guān)斷器件T3的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極、旁路電感L3的一端、雙向可控硅T10的一個主電極接在一起；雙向可控硅T10的另一個主電極和b相電源的參考端連接在一起；自關(guān)斷器件T5的陽極、自關(guān)斷器件T6的陰極、旁路電感L4的一端、雙向可控硅T11的一個主電極接在一起；雙向可控硅T11的另一個主電極和c相電源的參考端連接在一起；旁路電感L2、L3、L4的另一端和T7的陽極、自關(guān)斷器件T8的陰極一起接地；R1、R2、R3為負(fù)載。
實(shí)施例4如圖5所示，為用于高電壓三相接地系統(tǒng)的基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感和耦合變壓器的限流器，由自關(guān)斷器件T1~T8組成的變流橋路、直流限流電抗器L1、旁路電感L2、L3、L4、雙向可控硅T9、T10、T11和三相耦合變壓器TR1等組成。耦合變壓器TR1的副邊按星形接法連接，星形接法的公共點(diǎn)和T7的陽極、自關(guān)斷器件T8的陰極接在一起；自關(guān)斷器件T1、T3、T5、T7的陰極和直流限流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T2、T4、T6、T8和直流限流電抗器L1的另一端接在一起；耦合變壓器TR1副邊的a相輸出端和自關(guān)斷器件T1的陽極、自關(guān)斷器件T2的陰極接在一起；耦合變壓器TR1副邊的b相輸出端和自關(guān)斷器件T3的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極接在一起；耦合變壓器TR1副邊的c相輸出端和自關(guān)斷器件T5的陽極、自關(guān)斷器件T6的陰極接在一起；旁路電感L2的一端、耦合變壓器TR1的a相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L3的一端、耦合變壓器TR1的b相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L4的一端、耦合變壓器TR1的c相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L2的另一端、耦合變壓器TR1的a相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T9的一個主電極接在一起，雙向可控硅T9的另一個主電極接a相電源；旁路電感L3的另一端、耦合變壓器TR1的b相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T10的一個主電極接在一起，雙向可控硅T10的另一個主電極接b相電源；旁路電感L4的另一端、耦合變壓器TR1的c相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T11的一個主電極接在一起，雙向可控硅T11的另一個主電極接c相電源；。R1、R2、R3為負(fù)載。
實(shí)施例5如圖6所示，為用于三相不接地系統(tǒng)的基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感的橋式限流器，由自關(guān)斷器件T1~T6組成的變流橋路、直流限流電抗器L1、旁路電感L2、L3、L4、雙向可控硅T7、T8、T9等組成。在該電路中，將三相電源的公共點(diǎn)解開，為敘述方便，原來三相電源接在一起的那一端稱為參考端。自關(guān)斷器件T1、T3、T5的陰極和直流限流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T2、T4、T6和直流限流電抗器L1的另一端接在一起；自關(guān)斷器件T1的陽極、自關(guān)斷器件T2的陰極、旁路電感L2的一端和雙向可控硅T7的一個主電極接在一起，雙向可控硅T7的另一個主電極和a相電源的參考端接在一起；自關(guān)斷器件T3的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極、旁路電感L3的一端和雙向可控硅T8的一個主電極接在一起，雙向可控硅T8的另一個主電極和b相電源的參考端接在一起；T5的陽極、T6的陰極、旁路電感L4的一端和雙向可控硅T9的一個主電極接在一起，雙向可控硅T9的另一個主電極和c相電源的參考端接在一起；旁路電感L2、L3、L4的另一端接在一起；R1、R2、R3為負(fù)載。
實(shí)施例6如圖7所示，為用于高電壓三相不接地系統(tǒng)的基于自關(guān)斷器件的具有旁路電感和耦合變壓器的限流器，由自關(guān)斷器件T1~T6組成的變流橋路、直流限流電抗器L1、旁路電感L2、L3、L4及三相耦合變壓器TR1、雙向可控硅T7、T8、T9等組成。耦合變壓器TR1的副邊按星形接法連接；自關(guān)斷器件T1、T3、T5的陰極和直流限流電抗器L1的一端接在一起；自關(guān)斷器件T2、T4、T6和直流限流電抗器L1的另一端接在一起；耦合變壓器TR1副邊的a相輸出端和T1的陽極、自關(guān)斷器件T2的陰極接在一起；耦合變壓器TR1副邊的b相輸出端和自關(guān)斷器件T3的陽極、自關(guān)斷器件T4的陰極接在一起；耦合變壓器TR1副邊的c相輸出端和T5的陽極、T6的陰極接在一起；旁路電感L2的一端、耦合變壓器TR1的a相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L3的一端、耦合變壓器TR1的b相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L4的一端、耦合變壓器TR1的c相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊星形接法公共點(diǎn)的一端接在一起，接該相負(fù)載；旁路電感L2的另一端、耦合變壓器TR1的a相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T7的一個主電極接在一起，雙向可控硅T7的另一個主電極接a相電源；旁路電感L3的另一端、耦合變壓器TR1的b相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T8的一個主電極接在一起，雙向可控硅T8的另一個主電極接b相電源；旁路電感L4的另一端、耦合變壓器TR1的c相原邊繞組對應(yīng)與該相副邊輸出端的一端和雙向可控硅T9的一個主電極接在一起，雙向可控硅T9的另一個主電極接c相電源。R1、R2、R3為負(fù)載。
權(quán)利要求1.一種基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器，其特征在于該限流器包括開關(guān)電路(1)、自關(guān)斷器件變流橋路(2)、旁路電感器(3)、直流限流電抗器(4)；其中旁路電感器(3)并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路(2)的兩端，直流限流電抗器(4)的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路(2)中，開關(guān)電路(1)與并聯(lián)后的自關(guān)斷器件變流橋路(2)、旁路電感器(3)以及外部的負(fù)載(5)、電源(6)串聯(lián)成一個回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器，其特征在于自關(guān)斷器件變流橋路(2)由自關(guān)斷器件T1、T2、T3、T4組成一個電橋構(gòu)成，開關(guān)電路(1)即雙向可控硅T5與自關(guān)斷器件變流橋路(2)相串聯(lián)，旁路電感器(3)即電感器L2并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路(2)的兩端，直流限流電抗器(4)即電抗器L1的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路(2)中的自關(guān)斷器件T1、T2的接點(diǎn)和自關(guān)斷器件T3、T4的接點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1或2所述的基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器，其特征在于旁路電感器(3)即電感器L2通過耦合變壓器TR1并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路(2)的兩端。
專利摘要基于自關(guān)斷開關(guān)器件的短路故障限流器是一種應(yīng)用于交流電壓供電系統(tǒng)，對短路故障電流及其上升率進(jìn)行限制的裝置，該限流器包括開關(guān)電路(1)、自關(guān)斷器件變流橋路(2)、旁路電感器(3)、直流限流電抗器(4)；其中旁路電感器(3)并聯(lián)在自關(guān)斷器件變流橋路(2)的兩端，直流限流電抗器(4)的兩端接在自關(guān)斷器件變流橋路(2)中，開關(guān)電路(1)與并聯(lián)后的自關(guān)斷器件變流橋路(2)、旁路電感器(3)以及外部的負(fù)載(5)、電源(6)串聯(lián)成一個回路。該限流器將變流橋路的失控時間，從半個工頻周期10毫秒減小到電流檢測及執(zhí)行控制操作的電路延遲不大于1毫秒，還可以實(shí)現(xiàn)變流橋路和直流電抗器在電感電流過零之后退出工作。
文檔編號H02H3/08GK2831571SQ20052007541
公開日2006年10月25日 申請日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月13日
發(fā)明者費(fèi)萬民, 張艷莉 申請人:南京師范大學(xué)