專利名稱：短路電流限制裝置及方法
技術領域：
本發明涉及電力系統送變電領域，特別涉及一種短路電流限制裝置及方法。
背景技術：
電能己經成為工業、農業、國防、交通等部門不可缺少的動力。隨著電力系統的不斷發 展，發電容量的不斷上升，電力系統發生短路引起的短路電流很大。電力系統發生短路引起 的短路電流對電力系統的危害是很大的。繼電保護可在電力系統發生短路時自動切斷短路電 流。繼電保護裝置通過保護安裝處電壓互感器TV和電流互感器TA送來的電氣量測量電力系 統是否發生短路，當電力系統發生短路時，發出跳閘命令，使斷路器跳閘。斷路器切斷短路 電流的能力有限制，短路電流超過斷路器最大切斷電流值時，斷路器無法切斷短路電流。斷 路器是在電流過零點處切斷交流電流，斷路器最大切斷電流值與電流過零點處電流上升速度 直接有關；短路電流越大，電流過零點處電流上升速度越快，越不利電流電弧的熄滅。因此， 減小電流過零點處周圍區段的電流值、加長電流過零點處周圍小電流區段的時間，可提高斷 路器切斷最大短路電流值，可減小斷路器切斷短路電流時的滅弧時間。從而提高電力系統的 穩定性，減小電力設毒在短路時的損害程度。
近年來研究限制短路電流的方法與裝置(也稱電流限制器)成為熱門課題。但是，大部 分研究和專利還局限在理論研究、實驗室樣機、以及在電壓等級不是太高的實際系統試運行。
利用超導材料構成電流限制器。超導材料在流過正常負荷電流時，呈現零電阻；串聯在 輸電線路中的電流限制器對正常輸電沒有影響。當電力系統發生短路時，超導材料流過很大 電流，超導材料呈現大電阻；串聯在輸電線路中的電流限制器對短路電流起限制作用，減小 短路電流。超導材料構成電流限制器的缺點是機構復雜、價格昂貴、超導材料技術不成熟、 超導材料呈現大電阻時的散熱問題。
利用串聯諧振原理構成電流限制器。電感線圈與電容器串聯諧振時，呈現小電阻；串聯 在輸電線路中的電流限制器對正常輸電沒有影響。當電力系統發生短路時，控制模塊測到短 路電流，控制并聯于電容器兩端的閥晶閘管導通；電容器失效；串聯在輸電線路中的電感線 圈對短路電流起限制作用，減小短路電流。串聯諧振原理構成電流限制器的缺點是電容器 組體積大，用地面積大，運行維護困難，價格昂貴、串聯諧振引起電力系統過電壓，以及閥 晶閘管耐短路電流的問題。
利用磁飽和電抗器鐵芯的飽和特性構成電流限制器。在磁飽和電抗器鐵芯上增加一組直流線圈，電力系統正常運行時，直流電源給4流線圈提供直流電流，使磁飽和電抗器的鐵芯 深度飽和。磁飽和電抗器的鐵芯深度飽和時，磁飽和電抗器呈現小電抗；串聯在輸電線路中 的電流限制器對正常輸電沒有影響。當電力系統發生短路時，控制模塊切斷直流線圈的直流 電流，磁飽和電抗器的鐵芯脫離飽和；磁飽和電抗器呈現很大電抗。串聯在輸電線路中的磁 飽和電抗器對短路電流起限制作用，減小短路電流。現有磁飽和電抗器電流限制器的缺點是: 給直流線圈提供直流電流的電路復雜；相應的設備技術要求高；設備體積大，設備造價高； 等等。現有電流限制器以限制大電流幅值為主要目的，因此，存在設備體積大、設備造價高的 現狀。 發明內容本發明的目的就是為了解決上述問題，提供一種減小短路電流，特別是減小短路電流過 零點處周圍區段的電流值、加長電流過零點處周圍小電流區段的時間、短路電流限制器體積 減小、短路電流限制器制造成本降低、電力系統正常運行時損耗較小的短路電流限制裝置及 方法。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案 一種短路電流限制裝置，它包括磁飽和電抗器鐵芯I和磁飽和電抗器鐵芯II，在磁飽和電抗器鐵芯I上安裝有磁飽和電 抗器線圈Ll和直流線圈L2;在磁飽和電抗器鐵芯II上安裝有磁飽和電抗器線圈L3和直流 線圈L4;其中磁飽和電抗器線圈Ll 一端與磁飽和電抗器線圈L3—端串聯，直流線圈L2 —端與直流線圈L4 一端串聯；磁飽和電抗器線圈Ll另一端與輸入端子連接；一個電流互感器，它包括一次側繞組L5和二次側繞組L6， 一次側繞組L5—端與輸入端 子連接，另一端接地；并聯的整流電路I和整流電路II;其中，整流電路I與電流互感器的二次側繞組L6兩 端連接；整流電路II分別與磁飽和電抗器線圈L3和輸出端子連接；整流電路I和整流電路 II的并聯端與直流線圈L2和直流線圈L4連接；一個控制電路，其輸入端與控制電路輸入端子連接，其輸出端分別經晶閘管模塊I與整 流電路I連接；經晶閘管模塊II與整流電路n連接；經晶閘管模塊III與整流電路I和整流電路n并聯端連接。所述整流電路I是由二極管D1、 D2、 D3、 D4組成的全橋整流電路；整流電路II是由二 極管D5、 D6、 D7、 D8組成的全橋整流電路；整流電路I和整流電路II輸出端并聯，同時該 并聯端還分別并聯電容C以及晶閘管模塊III。所述磁飽和電抗器線圏Ll的同名端與輸入端子連接，磁飽和電抗器線圈Ll的異名端連接磁飽和電抗器線圈L3的同名端，磁飽和電抗器線圈L3的異名端與整流電路II的一個輸入端連接，整流電路II的另一輸入端與輸出端子連接；所述直流線圈L2的同名端連接直流線圈L4的同名端，直流線圈L2的異名端與直流線圈L4的異名端與整流電路I和整流電路II并聯端連接。所述電流互感器二次側繞組L6與整流電路I的輸入回路連接。所述晶閘管模塊I為三端雙向晶閘管開關模塊DIO，它與整流電路I的輸入端并聯；晶閘管模塊II為三端雙向晶閘管開關模塊Dll，它與整流電路II的輸入端并聯；三端雙向晶閘管開關模塊D10和三端雙向晶閘管開關模塊Dll的控制端分別與控制電路輸出端連接；晶閘管模塊III為晶閘管D9，它的正極與整流電路II的正極連接，負極與一個電阻連 接，電阻的另一端與整流電路II的負極連接，晶閘管D9的控制端與控制電路連接。所述磁飽和電抗器鐵芯I和磁飽和電抗器鐵芯II均為具有飽和特性的口字型結構。所述磁飽和電抗器線圈Ll、 L3匝數與結構相同，且分別繞在磁飽和電抗器鐵芯I與II 上；所述直流線圈L2、 L4匝數與結構相同，直流線圈L2繞在磁飽和電抗器鐵芯I上，直流 線圈L4繞在磁飽和電抗器鐵芯II上；所述直流線圈L2、 L4的匝數大于磁飽和電抗器線圈 Ll、 L3的匝數。所述電流互感器一次側繞組L5的匝數大于二次側繞組L6。所述輸^端子接電源，輸出端子接輸電回路。一種短路電流限制裝置的工作方法，它的方法為短路電流限制裝置投入正常運行的電力系統時，電流互感器將輸電回路電壓提供的電流 送全橋整流電路I，全橋整流電路I將電流整流后給磁飽和電抗器的直流線圈L2、 L4提供直 流電流，兩直流線圈中的直流電流使兩磁飽和電抗器鐵芯輕度飽和；同時，輸電回路的電流 經另一個全橋整流電路II整流后也給磁飽和電抗器的直流線圈L2、 L4提供直流電流；則不論輸電回路的負荷電流大小，磁飽和電抗器鐵芯始終處于飽和狀態；當電力系統短路時.控制電路如果沒有接到繼電保護的跳閘命令，控制電路輸出為零； 兩個三端雙向晶閘管開關模塊和一個晶閘管截止；當電力系統短路時，控制電路如果接到限制短路電流命令，控制電路輸出指令給兩個三 端雙向晶閘管開關模塊和一個晶閘管；控制電路控制兩個三端雙向晶閘管開關模塊和一個晶 間管導通；兩個磁飽和電抗器鐵芯脫離飽和狀態；當短路電流處于過零點處周圍區段時，兩 磁飽和電抗器鐵芯處于非飽和狀態；當短路電流增大時，兩磁飽和電抗器線圈中的交流電流的瞬時值使兩磁飽和電抗器鐵芯再次進入飽和狀態。
本發明提供了一種減小短路電流過零點處周圍區段的電流值、加長電流過零點處周圍小電流區段的時間，電力系統正常運行時損耗較小的短路電流限制裝置及方法。
本發明的有益效果是短路電流限制器體積減小、短路電流限制器制造成本降低、電力系統正常運行時損耗較小，斷路器切斷最大短路電流值得到提高，斷路器切斷短路電流的滅弧時間減小。
圖1表示短路電流限制裝置結構與連接方式；圖2表示口字型磁飽和電抗器鐵芯的飽和特性。
其中，i.磁飽和電抗器鐵芯i， 2.磁飽和電抗器鐵芯n， 3.電流互感器，4.控制電路,
5.輸入端子，6.輸出端子，7.接地端子，8.控制電路輸入端子。
具體實施例方式
下面結合附圖與實施例對本發明做進一步說明。
短路電流限制裝置結構與連接方式如圖1所示。裝置串聯接入輸電線路，輸入端子5接斷路器，輸出端子6接輸電回路，接地端子7接地。電力系統正常運行時，斷路器閉合，短路電流限制裝置獲得輸電回路電壓。電流互感器3 —次側繞組L5的其中一端連接輸入端子5，另一端連接接地端子7，輸電回路電壓給電流互感器3—次側繞組L5送電；電流互感器3二次側繞組L6經二極管D1、 D2、 D3、 D4組成的全橋整流電路I給磁飽和電抗器直流線圈L2、L4送直流電流。磁飽和電抗器直流線圏L2、 L4對直流電的電抗為零，磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4對直流電有電阻，電阻很小；加大磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4的直徑，可進一步減小電阻。磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4對于電流互感器3二次側繞組L6相當短接。電流互感器3通過一、二次側線圈變比增大二次側繞組L6電流，減小一次側繞組L5電流；減小一次側繞組L5電流，可減小短路電流限制裝置對電力系統的影響。設計電流互感器二次側繞組L6的電流，以達到送入磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4的電流使磁飽和電抗器鐵芯I和磁飽和電抗器鐵芯II初始進入飽和狀態，如圖2中/,。
二極管D5、 D6、 D7、 D8組成的全橋整流電路II,輸電回路的電流經整流電路II的整流后也給磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4提供直流電流；輸電回路的負荷電流小，輸電回路電流給磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4提供的直流電流就小；輸電回路的負荷電流大，輸電回路電流給磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4提供的直流電流就大。不論輸電回路的負荷電流大小，磁飽和電抗器鐵芯I、 II始終處于飽和狀態；磁飽和電抗器鐵芯I、 II處于飽和狀態，磁飽
7和電抗器線圈L1、 L3對輸電回路的阻抗很小。直流線圈L2、 L4的匝數大于磁飽和電抗器線圈Ll、 L3的匝數，以保證輸電回路輸入磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4的直流電流值^乘
以直流線圈L2匝數W的安匝值^A^大于輸電回路負荷電流的峰值4乘以磁飽和電抗器線圈
Ll匝數A^的安匝值/rfA^。
由于直流線圈L2、 L4中的直流電流有自我調節能力，負荷電流小時，直流線圈L2、 L4中的直流電流自動減小，可減低電力系統正常運行時的損耗。特別是有效降低了電流互感器3二次線圈L6中的電流，減小了電流互感器3的體積，減小了制造成本。
與全橋整流電路并聯的電容C ，用以^小磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4中直流電流的波動。
電力系統短路時，控制電路4如果從控制電路輸入端子8沒有接到繼電保護的跳間命令，則控制電路4沒有輸出；兩個三端雙向晶閘管開關模塊DIO、 Dll和一個晶閘管D9處于斷開狀態。磁飽和電抗器鐵芯I1和磁飽和電抗器鐵芯II2處于飽和狀態，磁飽和電抗器線圈L1、L3對輸電回路的阻抗很小。
電力系統短路時，控制電路4如果從控制電路輸入端子8接到繼電保護的跳閘命令，則控制電路4輸出指令給兩個三端雙向晶閘管開關模塊D10、 D11和一個晶閘管D9;控制電路4控制兩個三端雙向晶閘管開關模塊DIO、 Dll和一個晶閘管D9導通，使磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4中直流電流下降為零；磁飽和電抗器鐵芯II和磁飽和電抗器鐵芯112脫離飽和狀態；當短路電流處于過零點處周圍區段時，磁飽和電抗器鐵芯I1和磁飽和電抗器鐵芯II2處于非飽和狀態，磁飽和電抗器線圈L1、 L3對輸電回路的阻抗很大，使短路電流處于過零點處周圍區段的電流值更小；當短路電流增大時，兩磁飽和電抗器線圈中的交流電流的瞬時值使磁飽和電抗器鐵芯II和磁飽和電抗器鐵芯112再次進入飽和狀態，磁飽和電抗器線圈Ll、L3對短路電流沒有限制；短路電流很大。
磁飽和電抗器直流線圈L2、 14中直流電流為零條件下，如果磁飽和電抗器線圈L1、 L3匝數多，流過線圈L1、 L3電流就小，使磁飽和電抗器鐵芯I1和磁飽和電抗器鐵芯II2不易飽和；如果磁飽和電抗器線圈Ll、 L3匝數少，流過線圈L1、 L3電流就大，磁飽和電抗器鐵芯I1和磁飽和電抗器鐵芯II2易飽和。磁飽和電抗器線圈L1、 L3匝數多，優點是可大幅度限制短路電流；缺點是設備體積大、設備造價高。反之，磁飽和電抗器線圈L1、 L3匝數少，缺點是限制短路電流作用有限；優點是設備體積減小、設備造價降低。不論磁飽和電抗器線圈L1、 L3匝數多少，短路電流過零點處周圍區段的電流值都可減小；磁飽和電抗器線圈L1、L3匝數少，小電流值的時間區段短；磁飽和電抗器線圈Ll、 L3匝數多，小電流值的時間區
8段長。因此，通過減少磁飽和電抗器線圈L1、 L2、 L3、 L4匝數，減小磁飽和電抗器鐵」芯II和磁飽和電抗器鐵芯I12的截面積，可減小短路電流限制裝置的體積，可降低電流限制裝置的制造成本。
與晶閘管D9串接的電阻R，其目的是在晶閘管D9導通時，限制導通電流，以免過大的電流流過晶閘管模塊，使晶閘管模塊損壞。
磁飽和電抗器線圈Ll在磁飽和電抗器鐵芯II中產生工頻磁通，該工頻磁通在直流線圈L2產生感生電動勢；磁飽和電抗器線圈L3在磁飽和電抗器鐵芯112中產生工頻磁通，該工頻磁通在直流線圏L4產生感生電動勢；直流線圈L2的工頻感生電動勢與直流線圈L4的工頻感生電動勢相減為零，磁飽和電抗器線圈L1、 L3的交流電流對直流回路不產生影響。
控制電路4可以從端子8接收繼電保護的跳間命令，也可接收其他測控裝置的限制短路電流命令。
三端雙向晶閘管開關模塊Dll可用磁飽和電抗器代替；當D5、 D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端電壓大于最大負荷電流在D5、 D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端所產生的電壓時，磁飽和電抗器開始飽和。
三端雙向晶閘管開關模塊D11可用大功率穩壓管代替；當D5、 D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端電壓大于最大負荷電流在D5、 D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端所產生的電壓時，大功率穩壓管穩壓。
三端雙向晶間管開關模塊Dll和晶閘管模塊D9可分別用大功率控制開關管代替；當D5、D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端電壓大于最大負荷電流在D5、 D6、 D7、 D8全橋整流電路輸入端所產生的電壓時，大功率控制開關管導通；否則，大功率控制開關管截止。
磁飽和電抗器直流線圈L2、 L4可用同時繞在磁飽和電抗器鐵芯II和磁飽和電抗器鐵芯112的一個直流線圈代替，這一個直流線圈的匝數是磁飽和電抗器直流線圈L2匝數與L4匝數之和。
電流互感器3可用高壓電磁式電壓互感器與低壓電流互感器的組合代替。所述短路電流限制裝置各部件可用現有技術設計制造，完全可以實現，有廣闊應用前景。
權利要求
1. 一種短路電流限制裝置，其特征是，它包括磁飽和電抗器鐵芯I和磁飽和電抗器鐵芯II，在磁飽和電抗器鐵芯I上安裝有磁飽和電抗器線圈L1和直流線圈L2；在磁飽和電抗器鐵芯II上安裝有磁飽和電抗器線圈L3和直流線圈L4；其中磁飽和電抗器線圈L1一端與磁飽和電抗器線圈L3一端串聯，直流線圈L2一端與直流線圈L4一端串聯；磁飽和電抗器線圈L1另一端與輸入端子連接；一個電流互感器，它包括一次側繞組L5和二次側繞組L6，一次側繞組L5一端與輸入端子連接，另一端接地；并聯的整流電路I和整流電路II；其中，整流電路I與電流互感器的二次側繞組L6兩端連接；整流電路II分別與磁飽和電抗器線圈L3和輸出端子連接；整流電路I和整流電路II的并聯端與直流線圈L2和直流線圈L4連接；一個控制電路，其輸入端與控制電路輸入端子連接，其輸出端分別經晶閘管模塊I與整流電路I連接；經晶閘管模塊II與整流電路II連接；經晶閘管模塊III與整流電路I和整流電路II并聯端連接。
2. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述整流電路I是由二極管D1、 D2、 D3、 D4組成的全橋整流電路；整流電路II是由二被管D5、 D6、 D7、 D8組成的全橋整流 電路；整流電路I和整流電路II輸出端并聯，同時該并聯端還分別并聯電容C以及晶閘管模塊m。
3. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述磁飽和電抗器線圈Ll的同名 端與輸入端子連接，磁飽和電抗器線圏L1的異名端連接磁飽和電抗器線圏L3的同名端，磁 飽和電抗器線圈L3的異名端與整流電路II的一個輸入端連接，整流電路II的另一輸入端與 輸出端子連接；所述直流線圈L2的同名端連接直流線圈L4的同名端，直流線圈L2的異名端與直流線圈 L4的異名端與整流電路I和整流電路II并聯端連接。
4. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述電流互感器二次側繞組L6與 整流電路I的輸入回路連接。
5. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述晶閘管模塊I為三端雙向晶 閘管開關模塊DIO，它與整流電路I的輸入端并聯；晶閘管模塊II為三端雙向晶閘管開關模塊Dll，它與整流電路II的輸入端并聯；三端 雙向晶閘管開關模塊D10和三端雙向晶間管開關模塊Dll的控制端分別與控制電路輸出端連 接；晶間管模塊ni為晶閘管D9，它的正極與整流電路II的正極連接，負極與一個電阻連 接，電阻的另一端與整流電路II的負極連接，晶閘管D9的控制端與控制電路連接。
6. 如權利要求3所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述磁飽和電抗器鐵芯I和磁飽 和電抗器鐵芯II均為具有飽和特性的口字型結構。
7. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述磁飽和電抗器線圈L1、 L3匝 數與結構相同，且分別繞在磁飽和電抗器鐵芯I與II上；所述直流線圈L2、 L4匝數與結構 相同，直流線圈L2繞在磁飽和電抗器鐵芯I上，直流線圈L4繞在磁飽和電抗器鐵芯II上； 所述直流線圈L2、 L4的匝數大于磁飽和電抗器線圈Ll、 L3的匝數。
8. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述電流互感器一次側繞組L5的 匝數大于二次側繞組L6。
9. 如權利要求1所述的短路電流限制裝置，其特征是，所述輸入端子接電源，輸出端子 接輸電回路。
10. —種采用權利要求1所述的短路電流限制裝置的工作方法，其特征是，它的方法為 短路電流限制裝置投入正常運行的電力系統時，電流互感器將輸電回路電壓提供的電流送全橋整流電路I，全橋整流電路I將電流整流后給磁飽和電抗器的直流線圈L2、 L4提供直 流電流，兩直流線圈中的直流電流使兩磁飽和電抗器鐵芯輕度飽和；同時，輸電回路的電流 經另一個全橋整流電路II整流后也給磁飽和電抗器的直流線圈L2、 L4提供直流電流；則不 論輸電回路的負荷電流大小，磁飽和電抗器鐵芯始終處于飽和狀態；當電力系統短路時，控制電路如果沒有接到繼電保護的跳閘命令，控制電路輸出為零； 兩個三端雙向晶閘管開關模塊和一個晶閘管截止;當電力系統短路時，控制電路如果接到限制短路電流命令，控制電路輸出指令給兩個三端雙向晶閘管開關模塊和一個晶閘管；控制電路控制兩個三端雙向晶閘管開關模塊和一個晶 閘管導通；兩個磁飽和電抗器鐵芯脫離飽和狀態；當短路電流處于過零點處周圍區段時，兩 磁飽和電抗器鐵芯處于非飽和狀態；當短路電流增大時，兩磁飽和電抗器線圈中的交流電流 的瞬時值使兩磁飽和電抗器鐵芯再次進入飽和狀態。
全文摘要
本發明公開了一種短路電流限制裝置及方法。它減小了短路電流過零點處周圍區段的電流值，加長了電流過零點處周圍小電流區段的時間，使短路電流限制器體積減小、短路電流限制器制造成本降低，電力系統正常運行時損耗較小。其結構為它包括磁飽和電抗器鐵芯I、II，在磁飽和電抗器鐵芯I上安裝磁飽和電抗器線圈L1和直流線圈L2；在磁飽和電抗器鐵芯II上安裝磁飽和電抗器線圈L3和直流線圈L4；一個電流互感器，電流互感器有一次側繞組L5和二次側繞組L6；一個由二極管D1、D2、D3、D4組成的全橋整流電路，另一個由二極管D5、D6、D7、D8組成的全橋整流電路；一個電容C；一個控制電路；一個晶閘管D9；兩個三端雙向晶閘管開關模塊D10、D11；一個電阻R。
文檔編號H02H9/02GK101521373SQ200810159278
公開日2009年9月2日 申請日期2008年11月27日 優先權日2008年11月27日
發明者李曉明 申請人:李曉明