一种可靠性高的短路电流限制器及其方法

摘要

本发明涉及一种可靠性高的短路电流限制器及其方法。它综合性能较好、直流电路及其控制方法简单、可靠性高，包括：饱和电抗器铁芯，铁芯上有交流线圈组和直流线圈组；交流线圈组的一端与整流电路的一个输入端连接；交流线圈组的另一端及整流电路的另一输入端与外部电路连接；整流电路输出端与直流线圈组串行连接，并形成直流环路；在整流电路的输入端之间反向并联两个晶闸管；控制模块有两个输入端子连接晶闸管的两端；控制模块另两个输入端子通过电压互感器与交流线圈组的两个端子连接；控制模块有两个输出端子分别与两个晶闸管的触发端连接，分别控制两个晶闸管的导通状态。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统送变电技术领域，特别涉及一种可靠性高的短路电流限制器及其方 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。因此，减小短路电流， 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(也称短路电流限制器)成为热门课题。

已经有许多短路电流限制器新原理被提出来，但都存在各种问题。饱和电抗型短路电流 限制器是一种重要研究方向，美国专利USPO4031457，4122385，4152637，20090021875A1； 中国专利2004100802846“一种故障电流限制器”都是饱和电抗型短路电流限制器，这些发 明各具特点，但综合性能与效果不够好。特别是，直流电路及其控制方法复杂、不可靠。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种综合性能较好、直流电路及其控制方法 简单、可靠性高的短路电流限制器及其方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可靠性高的短路电流限制器，它包括：一个饱和电抗器，饱和电抗器有四个端子； 交流线圈组端子I和交流线圈组端子II连接饱和电抗器内部交流线圈组，提供交流电流通路； 直流线圈组端子I和直流线圈组端子II连接饱和电抗器内部直流线圈组，提供直流电流通路； 交流线圈组与直流线圈组通过饱和电抗器内部的闭环铁芯相互作用；

一套全桥整流电路；整流电路的两个输入端与饱和电抗器的交流线圈组串行连接；全桥 整流电路输出端与直流线圈组串行连接，并形成直流环路；

在全桥整流电路的输入端之间反向并联晶闸管D5与晶闸管D6；两个反向并联的晶闸管 由控制模块控制；

控制模块有两个输入端子连接晶闸管D5与晶闸管D6的两端，获得晶闸管D5与晶闸管 D6正极与负极之间的电压；控制模块另两个输入端子通过电压互感器与交流线圈组的两个端 子连接，获得交流线圈组两个端子之间的电压；控制模块还有两个输出端子分别与晶闸管D5、 晶闸管D6的触发端连接，分别控制晶闸管D5、晶闸管D6的导通状态；

控制模块在晶闸管D5两端正向电压瞬时值小于设定值时，控制模块与晶闸管D5触发端 连接的端子不发触发脉冲，晶闸管D5截止；在晶闸管D5两端正向电压瞬时值大于设定值的 时刻，控制模块与晶闸管D5触发端连接的端子即刻发出一个触发脉冲，使晶闸管D5在该时 刻正向导通，直至反向电压到来后截止。控制模块在晶闸管D6两端正向电压瞬时值小于设定 值时，控制模块与晶闸管D6触发端连接的端子不发触发脉冲，晶闸管D6截止；在晶闸管D6 两端正向电压瞬时值大于设定值的时刻，控制模块与晶闸管D6触发端连接的端子即刻发出一 个触发脉冲，使晶闸管D6在该时刻正向导通，直至反向电压到来后截止。

所述控制模块在晶闸管D5或晶闸管D6两端电压瞬时值大于设定值的一段时间内，又检 测到交流线圈组两个端子之间的电压大于设定值，控制模块发出触发脉冲，使晶闸管D5和晶 闸管D6在交流线圈组两个端子之间的电压大于设定值期间全导通；控制模块得到停止指令， 停止发出触发脉冲。

所述直流线圈组端子I和直流线圈组端子II间并联电容C1、压敏电阻R1和大功率稳压 管D7。

所述交流线圈组为饱和电抗器铁芯上的交流线圈L1、L4，所述直流线圈组为直流线圈L2、 L5。

一种可靠性高的短路电流限制器的限流方法，

电力系统正常运行时，输电回路电流给饱和电抗器直流线圈组提供直流电流；饱和电抗 器两侧铁芯处于饱和状态，饱和电抗器交流线圈组对输电回路的阻抗很小，不会影响负载的 用电；

当输电回路发生短路故障，流过短路电流限制器的电流开始增大，先执行晶闸管D5或晶 闸管D6两端正向电压瞬时值大于设定值作为控制模块发出触发脉冲使晶闸管D5或晶闸管D6 部分导通的第一判据，然后执行交流线圈组两个输出端子之间的电压大于设定值作为控制模 块发出触发脉冲使晶闸管D5和晶闸管D6全导通的第二判据，根据输电线路自动重合闸时间 自动切断第二判据；如果电力系统故障为瞬时性故障，第一判据不动作，电力系统自动恢复 正常运行；如果电力系统故障为永久性故障，第一判据仍然动作，可靠性高的短路电流限制 器限制短路电流，由电力系统继电保护装置有选择性地切除故障。

所述控制模块在晶闸管D5两端正向电压瞬时值小于设定值时，控制模块与晶闸管D5触 发端连接的端子不发触发脉冲，晶闸管D5截止；在晶闸管D5两端正向电压瞬时值大于设定 值的时刻，控制模块与晶闸管D5触发端连接的端子即刻发出一个触发脉冲，使晶闸管D5在 该时刻正向导通，直至反向电压到来后截止。然后进入下一个周波，如此反复进行。控制模 块在晶闸管D6两端正向电压瞬时值小于设定值时，控制模块与晶闸管D6触发端连接的端子 不发触发脉冲，晶闸管D6截止；在晶闸管D6两端正向电压瞬时值大于设定值的时刻，控制 模块与晶闸管D6触发端连接的端子即刻发出一个触发脉冲，使晶闸管D6在该时刻正向导通， 直至反向电压到来后截止。然后进入下一个周波，如此反复进行。

所述晶闸管D5或晶闸管D6两端正向电压设定值为：输电回路最大负荷电流通过饱和电 抗器时在全桥整流电路输入端产生的压降，再乘以大于1的可靠系数。

所述控制模块在晶闸管D5或晶闸管D6两端电压瞬时值大于设定值的一段时间内，又检 测到交流线圈组两个端子之间的电压大于设定值，控制模块发出触发脉冲，使晶闸管D5和晶 闸管D6在交流线圈组两个端子之间的电压大于设定值期间全导通；控制模块得到停止指令， 停止发出触发脉冲。

所述交流线圈组两个输出端子之间的电压设定值为：输电回路额定电压乘以小于1的可 靠系数。

本发明的有益效果是：直流电路结构及其控制方法简单、经济、可靠；短路电流限制器 对于外部，只需要一个输入端子和一个输出端子，作为二端子器件使用，使用非常方便。作 为二端子非线性器件，通过器件的电流小于额定电流值时，器件的电抗很小，不会影响输电 回路的供电能力；通过器件的电流大于额定值时，器件的电抗快速增大，装置可以快速把短 路电流限制到负荷电流数量级；短路对短路点周围电力设备电压的影响很小。短路点一旦消 失，可靠性高的短路电流限制器可实现自动恢复输电回路正常运行；对于控制模块可能的误 发晶闸管触发脉冲，也只会影响半个周波的时间，影响较小，运行可靠性高。

附图说明

图1表示一种可靠性高的短路电流限制器的结构与连接方式。

图2表示一种饱和电抗器的主体结构与连接方式。

其中，1.输入端子和交流线圈组端子I，2.交流线圈组端子II，3.直流线圈组端子I， 4.直流线圈组端子II，5.输出端子，6.饱和电抗器，7.电压互感器，8.控制模块，9. 饱和电抗器铁芯。

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。

一种晶闸管控制的短路电流限制器的结构与连接方式如图1所示。一种晶闸管控制的短 路电流限制器有一个饱和电抗器6，饱和电抗器6有四个端子，交流线圈组端子I1、交流线 圈组端子II2、直流线圈组端子I3、直流线圈组端子II4；交流线圈组端子I1和交流线圈组 端子II2连接饱和电抗器内部交流线圈组，提供交流电流通路；直流线圈组端子I3和直流线 圈组端子II4连接饱和电抗器内部直流线圈组，提供直流电流通路；交流线圈组与直流线圈 组通过饱和电抗器内部的闭环铁芯9相互作用；一套由二极管D1、二极管D2、二极管D3、 二极管D4组成的全桥整流电路；全桥整流电路的两个输入端与饱和电抗器的交流线圈组串行 连接于装置的输入端子(即交流线圈组端子I1)与输出端子5；全桥整流电路输出端与直流 线圈组串行连接，并形成直流环路；在全桥整流电路的输入端之间反向并联晶闸管D5和晶闸 管D6；两个反向并联的晶闸管由控制模块8控制；控制模块8有两个输入端子连接晶闸管D5 和晶闸管D6的两端，获得晶闸管D5和晶闸管D6正极和负极之间的电压；控制模块8的两个 输入端子通过电压互感器7与交流线圈组的两个端子(交流线圈组端子I1、交流线圈组端子 II2)连接，获得交流线圈组两个端子之间的电压；控制模块8还有两个输出端子分别与晶闸 管D5、晶闸管D6的触发端连接，分别控制晶闸管D5、晶闸管D6的导通状态。

图1所示饱和电抗器6为示意图，可以实现饱和电抗器6功能的饱和电抗器种类很多， 在专利文件公开的有：一种磁饱和电抗器(专利号2010105840411)；一种饱和电抗器主体(专 利号2011100207304)；一种更优性能的饱和电抗器(专利号2011100409541)；图2表示其中 一种饱和电抗器的主体结构与连接方式，其工作原理这里不再累赘。

所述直流线圈组两端(直流线圈组端子I1、直流线圈组端子II2)还并联电容C1、压敏 电阻R1和大功率稳压管D7。工作原理为普通知识，这里不再累赘。

当一种晶闸管控制的短路电流限制器投入正常运行的电力系统时，输电回路电流给饱和 电抗器直流线圈L2、L5提供直流电流。饱和电抗器两侧铁芯始终处于饱和状态，饱和电抗器 交流线圈L1、L4对输电回路的阻抗很小，不会影响负载的用电。

当输电回路发生短路故障，流过短路电流限制器的电流开始增大，控制模块8检测到电 力系统短路发生，立即给晶闸管D5、D6发出导通命令；晶闸管D5、D6导通后，全桥整流电 路两端的电压下降为晶闸管D5、D6的管压降。饱和电抗器的直流线圈中的直流电流下降；饱 和电抗器两侧铁芯脱离饱和状态，串联在输电回路中的饱和电抗器交流线圈L1、L4的电抗快 速变大，交流线圈L1与L4两端的电压快速增大。流过交流线圈L1与L4的电流被限制。

为了提高综合性能，本发明采取先执行晶闸管D5或晶闸管D6两端正向电压瞬时值大于 设定值作为控制模块8发出触发脉冲使晶闸管D5和晶闸管D6部分导通的第一判据，然后执 行交流线圈组两个输出端子之间的电压大于设定值作为控制模块8发出触发脉冲使晶闸管D5 和晶闸管D6全导通的第二判据，根据输电线路自动重合闸时间自动切断第二判据；如果电力 系统故障为瞬时性故障，第一判据不动作，电力系统自动恢复正常运行；如果电力系统故障 为永久性故障，第一判据仍然动作，可靠性高的短路电流限制器限制短路电流，由电力系统 继电保护装置有选择性地切除故障。

控制模块8在晶闸管D5两端正向电压瞬时值小于设定值时，控制模块8与晶闸管D5触 发端连接的端子不发触发脉冲，晶闸管D5截止；在晶闸管D5两端正向电压瞬时值大于设定 值的时刻，控制模块8与晶闸管D5触发端连接的端子即刻发出一个触发脉冲，使晶闸管D5 在该时刻正向导通，直至反向电压到来后截止。然后进入下一个周波，如此反复进行。控制 模块8在晶闸管D6两端正向电压瞬时值小于设定值时，控制模块8与晶闸管D6触发端连接 的端子不发触发脉冲，晶闸管D6截止；在晶闸管D6两端正向电压瞬时值大于设定值的时刻， 控制模块8与晶闸管D6触发端连接的端子即刻发出一个触发脉冲，使晶闸管D6在该时刻正 向导通，直至反向电压到来后截止。然后进入下一个周波，如此反复进行。

所述晶闸管D5或晶闸管D6两端正向电压设定值为：输电回路最大负荷电流通过饱和电 抗器时在全桥整流电路输入端产生的压降，再乘以大于1的可靠系数(例如：1.2)。

这样，当一种晶闸管控制的短路电流限制器投入正常运行的电力系统时，流过直流线圈 组的电流较小，全桥整流电路输入端的电压也比较小，小于设定值，晶闸管D5与晶闸管D6 全关断，短路电流限制器不影响输送电能。当输电回路发生短路时，短路电流大于最大负荷 电流，该电流经全桥整流电路整流后流过直流线圈组，并在全桥整流电路输入端产生压降。 该压降大于晶闸管D5或晶闸管D6两端正向电压设定值时，晶闸管D5或晶闸管D6在该时刻 正向导通，直至反向电压到来后截止，然后进入下一个周波，如此反复进行。虽然，流入直 流线圈组的是直流电流，但全桥整流电路输入端的电压是交流电压。所以，控制模块8控制 晶闸管D5或晶闸管D6在半个周波内部分导通，流入短路电流限制器直流线圈组的直流电流 减小，短路电流限制器限制短路电流。这种控制策略的优点是，短路点一旦消失，晶闸管D5 或晶闸管D6立即关断，输电回路立即恢复正常运行；对于控制模块8可能的误发晶闸管触发 脉冲，也只会影响半个周波的时间，影响较小。这种控制策略的缺点是，短路电流不能被限 制到负荷电流以下。

为了进一步提高一种晶闸管控制的短路电流限制器的限流效果。控制模块在晶闸管D5或 晶闸管D6两端电压瞬时值大于设定值的一段时间内，又检测到交流线圈组两个端子之间的电 压大于设定值，控制模块8发出触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6在交流线圈组两个端子 之间的电压大于设定值期间全导通，直至交流线圈组两个输出端子之间的电压小于设定值。 交流线圈组两个输出端子之间的电压设定值为：输电回路额定电压乘以小于1的可靠系数(例 如0.7)。电力系统正常运行时，交流线圈组两个输出端子之间的电压很低，控制模块8不会 发出触发脉冲。电力系统发生短路故障，控制模块8首先因为全桥整流电路输入端的电压高， 而触发晶闸管D5和晶闸管D6；并引起交流线圈组两个端子之间的电压上升；交流线圈组两 个端子之间的电压大于设定值，控制模块8发出触发脉冲，使晶闸管D5和晶闸管D6全导通。 晶闸管D5和晶闸管D6全导通，表明这期间流入短路电流限制器直流线圈组的直流电流为零， 短路电流限制器限制短路电流至最小值(交流线圈组的励磁电流)。达到把短路电流限制到负 荷电流数量级，短路对短路点周围电力设备电压的影响很小，饱和电抗器的开关特性得到充 分利用的目的。控制模块8得到停止指令或者得到自动重合闸指令，停止发出触发脉冲。

控制模块8得到自动重合闸指令，停止发出触发脉冲后，如果电力系统故障为瞬时性故 障，流过短路电流限制器的电流为负荷电流，晶闸管D5或晶闸管D6两端正向电压瞬时值小 于设定值，第一判据不满足动作要求，不动作，电力系统自动恢复正常运行；如果电力系统 故障为永久性故障，流过短路电流限制器的电流为短路电流，晶闸管D5或晶闸管D6两端正 向电压瞬时值大于设定值，第一判据仍然动作，可靠性高的短路电流限制器限制短路电流， 由电力系统继电保护装置有选择性地切除故障。

通过获取交流线圈组两个端子之间的电压的方法，可以达到发明的目的，且比较方便和 可靠。实际上，不获取交流线圈组两个端子之间的电压，通过增加逻辑电路等其他方法，也 可实现本发明目的，且可节省电压互感器7，只是效果和可靠性差。

由于可靠性高的短路电流限制器可以实现二端子器件，不需要外接设备，不需要外接控 制电源，整流电路和控制电路中的电力电子元件电位差小，装置电力电子电路的电磁工作环 境较好，工作可靠性高，不易损坏。

本发明的一种可靠性高的短路电流限制器及其方法可用现有技术设计制造，完全可以实 现。有广阔应用前景。