專利名稱：一種利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電力系統(tǒng)自動(dòng)化領(lǐng)域，屬于柔性交流輸電技術(shù)，特別是一種利用固態(tài)開關(guān)對(duì)電力系統(tǒng)的短路故障電流及其上升率進(jìn)行控制的短路故障限流器。
背景技術(shù)：
電力電子技術(shù)的發(fā)展使得柔性輸電技術(shù)(FACTS)在電力系統(tǒng)自動(dòng)控制中得到廣泛重視，過去長(zhǎng)期以來認(rèn)為不可改變的系統(tǒng)參數(shù)(例如電壓、相位、阻抗等)，采用FACTS技術(shù)后都有希望實(shí)現(xiàn)靈活的控制。在相當(dāng)多的FACTS控制器件中，其核心部件就是工作在高電壓、大電流工況下的可調(diào)電抗器。例如，電力系統(tǒng)故障電流限制器就是FACTS控制器件之一。歸納起來，當(dāng)前正在研究、試驗(yàn)的故障電流限制器可以分為以下兩類1、用快速動(dòng)作的可關(guān)斷晶體管(GTO)開關(guān)與一個(gè)阻抗并聯(lián)而構(gòu)成的故障電流限制器。正常運(yùn)行時(shí)，GTO完全導(dǎo)通，當(dāng)故障電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，GTO關(guān)斷，阻抗被串入電網(wǎng)母線而起限流作用。這種限流器的缺點(diǎn)是GTO長(zhǎng)期運(yùn)行在高壓大電流工況，可靠性差、器件損耗大、散熱問題難以解決，控制系統(tǒng)復(fù)雜、價(jià)格昂貴。此類技術(shù)的參考文獻(xiàn)有T Ueda，Solid-state current limiter for powerdistrbution system，IEEE Transaction on Power delivery.Vol.4，pp.1796，Oct.1993。
2、超導(dǎo)限流器。超導(dǎo)限流器國內(nèi)外專家進(jìn)行了大量研究工作，國內(nèi)外專家發(fā)表的具有代表性的文章有“超導(dǎo)故障限流器的電力應(yīng)用研究進(jìn)展”，葉林，電力系統(tǒng)自動(dòng)化，Vol.23，NO.7，1999.4。由于超導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，整流元件長(zhǎng)期工作在高壓大電流工況，故可靠性差，裝置附加的損耗也大，價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題及不足，提供一種響應(yīng)速度快、運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、損耗低、制作容易、成本低廉的利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器。
本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的一種利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器，其特點(diǎn)是包括一磁路呈線性、鐵芯在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行期間及短路故障時(shí)間均處于不飽和狀態(tài)的具有合適變比的變壓器、該變壓器的一次側(cè)串入電網(wǎng)母線中；一并聯(lián)諧振電路，包括一具有合適容量的電容C、一具有合適感抗的電感L、晶閘管K，其中電感L和晶閘管K串聯(lián)后與電容C并聯(lián)，且電容C的兩端并聯(lián)在變壓器的二次側(cè)；一用于檢測(cè)變壓器二次側(cè)電壓并根據(jù)該電壓控制驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路的電壓檢測(cè)電路及一根據(jù)電壓檢測(cè)電路的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)以產(chǎn)生脈沖電壓觸發(fā)晶閘管K導(dǎo)通與否的觸發(fā)電路。
其中電壓檢測(cè)電路包括一并聯(lián)在電容C兩端的電壓互感器和一電壓比較器，其中電壓互感器的輸出端接電壓比較器的其中一輸入端，電壓比較器的另一輸入端接參考電壓，其輸出端接觸發(fā)電路輸入端。
其基本工作原理及過程是當(dāng)電力系統(tǒng)工作正常時(shí)，串聯(lián)在電網(wǎng)母線中的變壓器一次側(cè)的電壓小于一個(gè)不大的電壓，如50V(針對(duì)10KV線路而言)，相對(duì)應(yīng)地該變壓器二次側(cè)的電壓也比較低，如低于500V，亦即電壓互感器檢測(cè)到的電壓低，低于電壓比較器的參考電壓，則認(rèn)為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)，變壓器二次側(cè)電壓輕易達(dá)到正常運(yùn)行時(shí)電壓的幾十倍，若參考電壓選為正常電壓的5～10倍，發(fā)生短路后，二次側(cè)電壓上升到參考電壓，，只需很短的時(shí)間，此時(shí)讓晶閘管閉合，使線路呈現(xiàn)大阻抗，進(jìn)而抑制故障電流。
當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電壓比較器輸出—低電平給觸發(fā)電路，觸發(fā)電路沒受到激勵(lì)，其不產(chǎn)生觸發(fā)脈沖給晶閘管K，使晶閘管K處于斷開狀態(tài)，從而使變壓器一次側(cè)的阻抗很小，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行幾乎不產(chǎn)影響。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，電網(wǎng)母線上的電壓幾乎全部加在變壓器的一次側(cè)，此時(shí)其二次側(cè)的電壓也隨即快速升高，電壓互感器檢測(cè)到一個(gè)較高的電壓，如大于2500V，超過正常工作電壓的5～10倍以上，高于電壓比較器的參考電壓，此時(shí)電壓比較器輸出一個(gè)高電平給觸發(fā)電路，激勵(lì)觸發(fā)電路工作，使觸發(fā)電路發(fā)出觸發(fā)脈沖給晶閘管K，瞬時(shí)導(dǎo)通晶閘管K，從而使電感L和電容C產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這樣變壓器即刻呈現(xiàn)出大阻抗，有效限制電網(wǎng)母線中的短路電流，當(dāng)晶閘管K閉合一段時(shí)間后如100～200ms，線路中的斷路器動(dòng)作，使故障線路斷開，變壓器一次側(cè)沒有電流流過，致使晶閘管K(固態(tài)開關(guān))自然關(guān)斷，等待電網(wǎng)系統(tǒng)下次短路時(shí)再工作，它使得電網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流的波峰被削去，并對(duì)整個(gè)短路電流起到了很好的抑制作用，避免了電器設(shè)備承受大電流的沖擊，故障限流器的使用也可相應(yīng)的減少了斷路器的遮斷容量，帶來了經(jīng)濟(jì)效益。這種結(jié)構(gòu)的限流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、晶閘管K只需閉合而無需關(guān)斷，且閉合時(shí)間小于200ms，從而可有效提高晶閘管的使用壽命及可靠性，達(dá)到本實(shí)用新型的目的。
以下結(jié)合附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的基本結(jié)構(gòu)及工作過程與原理


圖1是本實(shí)用新型裝置在電力系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)示意圖；其中RS、LS為電力系統(tǒng)電源側(cè)等效電阻電感，RL、LL為電力系統(tǒng)中的等效線路電阻電感，uS為系統(tǒng)的等效電源。
圖2是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的變壓器電路圖；圖3是電力系統(tǒng)短路時(shí)的變壓器電路圖；圖4是串聯(lián)變壓器的等效電路圖；圖5是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)串聯(lián)變壓器的T型等效電路圖；圖6是電力系統(tǒng)短路時(shí)串聯(lián)變壓器的T型等效電路圖。
具體實(shí)施方式
如圖1～圖6所示，本實(shí)用新型包括一磁路呈線性、鐵芯在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行期間及短路故障時(shí)間均處于不飽和狀態(tài)的具有合適變比的變壓器、該變壓器的一次側(cè)串入電網(wǎng)母線中；一并聯(lián)諧振電路，包括一具有合適容量的電容C、一具有合適感抗的電感L、晶閘管K，其中電感L和晶閘管K串聯(lián)后與電容C并聯(lián)，且電容C的兩端并聯(lián)在變壓器的二次側(cè)；在設(shè)計(jì)本實(shí)施例的串聯(lián)變壓器及電容和電感時(shí)，首先應(yīng)使變壓器滿足下述條件變壓器鐵心在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間及短路故障時(shí)均處于不飽和狀態(tài)下；磁路呈線性。為此設(shè)計(jì)變壓器時(shí)最好采用好的磁性材料，使其rm可以忽略，勵(lì)磁電抗為xm。從而使其在上述兩種情況下，保證其勵(lì)磁阻抗Zm和變壓器漏阻抗均是常數(shù)，保證其與變壓器二次側(cè)注入電流大小無關(guān)。如圖1及圖4所示，這樣當(dāng)將變壓器一次側(cè)繞組AX串聯(lián)在線路中時(shí)，變比k~=W2/W1,]]>k=(k~)-1,]]>(k＜1)。由變壓器結(jié)構(gòu)得U·1=I·1Z·1-E·=I·1Z·1+I·mZ·m=I·1Z·1+(I·1+I·2′),]]>其中Z1＝r1+jx1σ，Zm＝Xm分別是變壓器的一次側(cè)漏阻抗和勵(lì)磁阻抗；I·m=I·1+I·2′;]]>I·2′=I2/k]]>是變壓器二次側(cè)電流 的折算值。因此當(dāng)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，固態(tài)開關(guān)K不導(dǎo)通，此時(shí)串聯(lián)變壓電路及其T型等效電路如圖2和圖5所示所示設(shè)計(jì)電容C，使x′c與x′2σ相當(dāng)，即要求電容C與變壓器二次側(cè)漏電抗L2σ接近串聯(lián)諧振狀態(tài)。二次側(cè)等效阻抗Z′eq＝r′2+j(x′2σ-x′c)，|Z′eq|＜＜|Xm|，所以此時(shí)整個(gè)變壓器的等效阻抗Z＝Z1+Z′ea，由于|Z|很小，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生影響。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，發(fā)觸發(fā)脈沖給固態(tài)開關(guān)K，若設(shè)計(jì)電感L，使得電感L與r、C并聯(lián)諧振(即滿足ω02L2C+R2C＝L)，則此時(shí)變壓器二次回路與激磁回路阻抗相當(dāng)，此時(shí)，串聯(lián)變壓器的等效電路圖及其T型等效電路圖如圖3和圖6所示，整個(gè)變壓器的等效阻抗為Z＝Z1+Z′eq//Zm，由于|Z′eq|與|Zm|為同一數(shù)量級(jí)，從而變壓器呈現(xiàn)大阻抗，大大降低短路電流。
在這一設(shè)計(jì)中，包含有用于檢測(cè)變壓器二次側(cè)電壓的檢測(cè)電路，并由該電壓控制驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路，以控制晶閘管的導(dǎo)通。由于固態(tài)開關(guān)只需開通而無需帶電關(guān)斷，因此用可控硅作為開關(guān)器件即可以，控制了限流器的成本。這里電壓檢測(cè)電路和觸發(fā)電路均已有成熟的電路，普通技術(shù)人員不加創(chuàng)造性勞動(dòng)即可以獲得多種結(jié)構(gòu)組成，本文不再詳述其結(jié)構(gòu)組成。本實(shí)施例中，電壓檢測(cè)電路包括一并聯(lián)在電容C兩端的電壓互感器和一電壓比較器，其中電壓互感器的輸出端接電壓比較器的其中一輸入端，電壓比較器的另一輸入端接參考電壓，其輸出端接觸發(fā)電路輸入端，觸發(fā)電路采用光耦觸發(fā)。
權(quán)利要求1.一種利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器，其特征在于包括一磁路呈線性、鐵芯在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行期間及短路故障時(shí)間均處于不飽和狀態(tài)的具有合適變比的變壓器、該變壓器的一次側(cè)串入電網(wǎng)母線中；一并聯(lián)諧振電路，包括一具有合適容量的電容C、一具有合適感抗的電感L、晶閘管K，其中電感L和晶閘管K串聯(lián)后與電容C并聯(lián)，且電容C的兩端并聯(lián)在變壓器的二次側(cè)；一用于檢測(cè)變壓器二次側(cè)電壓并根據(jù)該電壓控制驅(qū)動(dòng)觸發(fā)電路的電壓檢測(cè)電路及一根據(jù)電壓檢測(cè)電路的控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)以產(chǎn)生脈沖電壓觸發(fā)晶閘管K導(dǎo)通與否的觸發(fā)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器，其特征在于上述電壓檢測(cè)電路包括一并聯(lián)在電容C兩端的電壓互感器和一電壓比較器，其中電壓互感器的輸出端接電壓比較器的其中一輸入端，電壓比較器的另一輸入端接參考電壓，其輸出端接觸發(fā)電路輸入端。
專利摘要一種利用固態(tài)開關(guān)的短路故障限流器，其特點(diǎn)是包括變壓器、該變壓器的一次側(cè)串入電網(wǎng)母線中；一并聯(lián)諧振電路，包括電容C、電感L、晶閘管K，其中電感L和晶閘管K串聯(lián)后與電容C并聯(lián)，且電容C的兩端并聯(lián)在變壓器的二次側(cè)；電壓檢測(cè)及觸發(fā)電路。這種結(jié)構(gòu)的限流器使得電網(wǎng)系統(tǒng)的短路電流的波峰被削去，并對(duì)整個(gè)短路電流起到了很好的抑制作用，避免了電器設(shè)備承受大電流的沖擊，故障限流器的使用也可相應(yīng)的減少了斷路器的遮斷容量，帶來了經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、其晶閘管K只需閉合而無需關(guān)斷，且閉合時(shí)間小于200ms，從而可有效提高晶閘管的使用壽命及可靠性。
文檔編號(hào)H02H9/02GK2658997SQ20032011704
公開日2004年11月24日 申請(qǐng)日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者劉永強(qiáng) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)