一种短路故障限流器,由第一二极管(D
1.一种短路故障限流器,其特征是所述的短路故障限流器由第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)和第四二极管(D₄)组成的整流桥、第一保护电阻(Rv)、高温超导线圈(SL)、开关管(K)、直流电抗器(Lb)、第二保护电阻(Ra)和保护二极管(Da)组成;第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)的连接点为第一交流端A,第三二极管(D₃)和第四二极管(D₄)的连接点为第二交流端B,第一二极管(D₁)和第三二极管(D₃)的连接点为第一直流端M,第二二极管(D₂)和第四二极管(D₄)的连接点为第二直流端N;第一保护电阻(Rv)、开关管(K)与高温超导线圈(SL)并联,此并联支路连接在整流桥的第二直流端N和第三直流端P之间;第二保护电阻(Ra)和保护二极管(Da)的串联支路与直流电抗器(Lb)并联,此并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第三直流端P之间。
2.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是所述的短路故障限流器和交流电源(U_AC)、负载阻抗(R_L)和断路器(SW)的串联支路连接在所述整流桥的第一交流端A和第二交流端B之间。
3.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是所述的短路故障限流器的高温超导线圈(SL)采用YBCO高温超导带材裸带绕制,采用环氧筒作为线圈的骨架,采用螺线管绕制方式;直流电抗器(Lb)由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈;直流电抗器(Lb)和高温超导线圈(SL)浸泡在液氮中工作。
4.按照权利要求1所述的短路故障限流器,其特征是所述的短路故障限流器的高温超导线圈(SL)等效为电感(L_SL)和可变电阻(R_SL)的串联电路。
5.按照权利要求1、3或4所述的短路故障限流器,其特征是三个所述的短路故障限流器分别串联在三相系统中组成三相短路故障限流器;短路故障限流器串入A相交流电源(Ua)、A相断路器(SWa)和A相负载阻抗(R_La)之间,组成A相短路故障限流电路;短路故障限流器串入B相交流电源(Ub)、B相断路器(SWb)和B相负载阻抗(R_Lb)之间,组成B相短路故障限流电路;短路故障限流器串入C相交流电源(Uc)、C相断路器(SWc)和C相负载阻抗(R_Lc)之间,组成C相短路故障限流电路。
6.按照权利要求1、3或4所述的短路故障限流器,其特征是所述的短路故障限流器并联在耦合变压器(TR)的副边绕组上,耦合变压器(TR)的副边绕组的两端分别连接第一交流端A和第二交流端B;耦合变压器(TR)的原边绕组串入交流电源(Uac)、断路器(SW)和负载阻抗(R_L)的串联线路,构成带有耦合变压器的短路故障限流器。
7.按照权利要求6所述的短路故障限流器,其特征是三个所述的带有耦合变压器的短路故障限流器分别串联在三相系统中组成的三相短路故障限流器;三相耦合短路故障限流器由三相整流桥、A、B、C三相耦合变压器(Tra、Trb、Trc)、第一保护电阻(Rv)、高温超导线圈(SL)、开关管(K)、直流电抗器(Lb)、第二保护电阻(Ra)和保护二极管(Da)组成;第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、......、第八二极管(D₈)组成所述的三相整流桥;所述的三相短路故障限流器中,第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)通过连接点W串联、第三二极管(D₃)和第四二极管(D₄)通过连接点V串联、第五二极管(D₅)和第六二极管(D₆)通过连接点U串联、第七二极管(D₇)和第八二极管(D₈)通过连接点G1串联;第一二极管(D₁)、第三二极管(D₃)、第五二极管(D₅)和第七二极管(D₇)连接在第一直流端M上,第二二极管(D₂)、第四二极管(D₄)、第六二极管(D₆)和第八二极管(D₈)连接在第二直流端N上;第一保护电阻(Rv)、开关管(K)与高温超导线圈(SL)的并联,并联支路连接在整流桥的第二直流端N和第三直流端P之间,第二保护电阻(Ra)和保护二极管(Da)的串联支路与直流电抗器(Lb)并联,并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第三直流端P之间。
8.按照权利要求7所述的短路故障限流器,其特征是所述的A相耦合变压器(Tra)的副边绕组连接在连接点U和连接点G1之间,所述的B相耦合变压器(Trb)的副边绕组连接在连接点V和连接点G1之间,所述的C相耦合变压器(Trc)的副边绕组连接在连接点W和连接点G1之间;A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源(Ua)、(Ub)、(Uc)和三相断路器(Swa)、(SWb)、(SWc)之间,并与三相负载阻抗(R_La)、(R_Lb)、(R_Lc)串联;三相负载阻抗(R_La)、(R_Lb)、(R_Lc)和三相电源(Ua)、(Ub)、(Uc)连接到接地点G上。技术领域
本发明涉及一种输配电网的故障限流器,特别涉及基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器。背景技术:随着国民经济的快速发展,社会对电力的需求不断增加,带动了电力系统的不断发展,单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加,就使得电力系统之间互联,各级电网中的短路电流水平不断提高,短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且,在对电能的需求量日益增长的同时,人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而,大电网的暂态稳定性问题比较突出,其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前,世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断,由于短路电流水平与系统的容量直接相关,在断路器的额定开断电流水平一定的情况下,采用全额开断短路电流将会限制电力系统的容量的增长,并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大,这一问题将变得更为严重。短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如,固态短路故障限流器它在检测到短路故障时,通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数,可以将故障电流限制在较低的水平,以保护电力设备,并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US4490769,其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时,限流器对电网无压降、几乎无功耗;一旦系统发生短路故障,当电网电流达到直流电抗器的电流时,电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制,从而使故障电流限制在一定的水平,以保证断路器及时切断故障电流。这样,可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时,该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US4490769的技术方案如图1所示,其主电路由二极管T1、T2、T3、T4,直流电感L和偏压电源Vb组成。在发生短路故障时,均可以无延时地自动投入线路,对故障电流及其上升率进行限制。但是,已有的固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处,只有在电网电流达到磁体电流时,其限流磁体(L0)才会自动串入电网来实现限流,并且,随着磁体电流的不断增大,磁体的限流能力不断减小。严格地说,二极管组成的桥路无法实现真正的限流,必须采用可控开关管(如图1),通过控制,减小整流桥桥臂上的开关管的导通角来增大磁体的放电时间,从而达到较好的限流效果。同时,流过偏压电源的电流往往是电网电流的2~3倍,而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求,因此,偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本。发明内容:本发明的目的是克服已有技术的不足,提出一种混合型高温超导短路故障限流器,本发明不但能够自动串入线路限制故障电流,而且可以根据故障电流的大小,产生不同的限流阻抗。因此,本发明具有更好的限流能力,对电网的适应性更强。本发明采用的技术方案是:本发明的短路故障限流器由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成的整流桥、第一保护电阻、高温超导线圈、开关管、直流电抗器、第二保护电阻和保护二极管组成。其中,第一二极管和第二二极管的连接点为第一交流端,第三二极管和第四二极管的连接点为第二交流端,第一二极管和第三二极管的连接点为第一直流端,第二二极管和第四二极管的连接点为第二直流端。保护电阻、开关管与高温超导线圈的并联,并联支路连接在整流桥的第一直流端和第三直流端之间。第二保护电阻和保护二极管的串联支路与直流电抗器并联,并联支路连接在整流桥的第二直流端和第三直流端之间。短路故障限流器和交流电源、负载阻抗和断路器组成的串联支路连接在整流桥的第一交流端和第二交流端之间。直流电抗器由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈。高温超导线圈采用YBCO高温超导带材绕制。直流电抗器Lb和高温超导线圈浸泡在液氮中工作。开关管采用IGBT或GTO。高温超导线圈等效为电感和可变电阻的串联电路。本发明可以是单相短路故障限流器结构、也可以是单相带有耦合变压器的短路故障限流器结构,还可以是三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相短路故障限流器结构;可以是三相耦合短路故障限流器结构。本发明的主要优点:1.本发明不但能够限制故障电流峰值,而且能够限制故障电流稳态值。本发明的短路故障限流器,在电路发生断路故障时,大电流引起超导线圈失超,产生限流阻抗和线圈的电感共同限流。从而获得比已有短路故障限流器更好的限流效果。2.本发明的限流器通过可以根据故障电流的大小,产生不同的限流阻抗。因此,本发明对电网的适应性更强。3.本发明的超导线圈自动串入电路限流,并且大电流通过时,引起超导线圈自身失超,所产生的电阻也自动串入限流。因此,该短路故障限流器故障响应速度快、可靠性高。4.本发明的限流器对电网的稳态影响小。由于直流电抗器和高温超导线圈连接在限流器的直流侧;并且,在电网正常态,即小电流情况下,超导线圈处于超导态,不会产生电阻。因此,本发明的限流器在稳态时,对电网的影响很小。5.本发明有利于实现大型故障限流器。采用多个相同规格的超导线圈串并联来实现大电压下的限流,简单易行。本发明的限流器更容易大型化,更有市场竞争力。6.本发明的直流电抗器和高温超导线圈均具有电感性,能够有效地限制第一故障电流峰值的过冲现象;7.能够很好地配合系统重合闸。旁路开关的应用,使得高温超导线圈被旁路,有效地减小了高温超导线圈的恢复时间,而且,又消除了失超对系统重合闸的影响。附图说明:图1为已有的短路故障限流器的电路原理示意图;图2为本发明具体实施例1组成结构示意图;图3为本发明具体实施例1的等效电路图;图4a和图4b为本发明具体实施例1的高温超导线圈结构图;图5为本发明具体实施例2的电路原理图;图6为本发明具体实施例3的电路原理图;图7为本发明具体实施例4的电路原理图。具体实施方式:下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明:如图2所示,本发明的具体实施例1为单相短路故障限流器。该短路故障限流器由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄组成的整流桥、第一保护电阻Rv、高温超导线圈SL、开关管K、直流电抗器Lb、第二保护电阻Ra和保护二极管Da组成。其中,第一二极管D₁和第二二极管D₂的连接点为第一交流端A,第三二极管D₃和第四二极管D₄的连接点为第二交流端B,第一二极管D₁和第三二极管D₃的连接点为第一直流端M,第二二极管D₂和第四二极管D₄的连接点为第二直流端N。第一保护电阻Rv、开关管K与高温超导线圈SL的并联,此并联支路连接在整流桥的第二直流端N和第三直流端P之间。第二保护电阻Ra和保护二极管Da的串联支路与直流电抗器Lb并联,此并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第三直流端P之间。短路故障限流器和交流电源U_AC、负载阻抗R_L和断路器SW组成的串联支路连接在整流桥的第一交流端A和第二交流端B之间。直流电抗器Lb由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈。高温超导线圈SL采用YBCO高温超导带材绕制。直流电抗器Lb和高温超导线圈SL浸泡在液氮中工作。开关管K采用IGBT或GTO。如图2所示的虚线框内为高温超导线圈SL的等效电路。高温超导线圈SL等效为电感L_SL和可变电阻R_SL的串联电路。线路无故障,即稳态时,线路电流较小,高温超导线圈SL处于超导态,其可变电阻R_SL为零,直流电抗器Lb和电感L_SL工作在整流桥的直流侧,不产生压降。高温超导线圈SL两端的电压接近于零,保护电阻Rv截止状态。开关管K低电平触发而处于截止状态。短路故障限流器对线路不会造成影响。在系统发生短路故障时,若故障电流正向流过限流器,即故障电流的瞬时值大于直流电抗器Lb电流值,故障电流将通过第一二极管D₁-直流电抗器Lb-高温超导线圈SL-第四二极管D₄,故障电流受到了直流电抗器Lb和高温超导线圈SL的等效电感L_SL的限制作用。同时,随着故障电流的增加,高温超导线圈SL失超,可变电阻R_SL从零逐渐增大,从而形成了直流电抗器Lb、电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时,第二二极管D₂和第三二极管D₃由于反偏而处于截止状态,开关管K低电平触发而处于截止状态。当直流电抗器Lb电流增加时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因反偏而截止;当直流电抗器Lb电流减小时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因正偏而导通,避免了电抗器Lb产生反电压对系统造成冲击。当线路电流的反向瞬时值的数值大于直流电抗器Lb电流值,故障电流将通过第二二极管D₂-直流电抗器Lb-高温超导线圈SL-第三二极管D₃,故障电流受到了直流电抗器Lb和高温超导线圈SL的等效电感L_SL的限制作用。同时,随着故障电流的增加,高温超导线圈SL失超,可变电阻R_SL从零逐渐增大,从而形成了直流电抗器Lb、电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时,第一二极管D₁和第四二极管D₄由于反偏而处于截止状态,开关管K低电平触发而处于截止状态。当直流电抗器Lb电流增加时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因反偏而截止;当直流电抗器Lb电流减小时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因正偏而导通,避免了电抗器Lb产生反电压对系统造成冲击。一旦电网恢复正常,短路故障限流器上的电流必然减小,这时,高电平触发开关管K导通,电流通过开关管K,而高温超导线圈SL被旁路,保证了电网不受高温超导线圈SL失超的影响。如果高温超导线圈SL恢复超导态,低电平触发开关管K使其关断。在限流器限制故障电流过程中,打开断路器SW,从而达到切除短路故障和保护线路的目的。从上述的分析可以看出,直流电抗器Lb和电感L_SL自动投入限制故障电流峰值,可变电阻R_SL的自动投入限制故障电流稳态值,从而有效限制了故障电流对线路的冲击。图3所示的单相的短路故障限流器的高温超导线圈SL采用YBCO高温超导带材裸带绕制,采用环氧筒作为线圈的骨架,采用螺线管绕制方式。高温超导线圈SL浸泡在液氮中工作,以保证高温超导线圈SL的失超能量迅速散失,达到保护高温超导线圈SL的目的。图4a和图4b分别是本发明具体实施例1的高温超导线圈SL的一种结构图和等效电路图。为了满足高电压和提高高温超导线圈SL的失超限流速度的要求,采用多线圈单元串联结构。如图4a所示的高温超导线圈SL由第一线圈U₁、第二线圈U₂、......、第n线圈U_n等n(n≥1)个超导线圈组成,第一线圈U₁与第一保护二极管D_S1和第一保护电阻R_S1组成的串联支路并联、第二线圈U₂与第二保护二极管D_S2和第二保护电阻R_S2的组成串联支路并联、......、第n线圈U_n与第n保护二极管D_Sn和第n保护电阻R_Sn的组成串联支路并联。如图4b所示的等效电路图中,第一线圈U₁等效为第一电感L_SL1和第一可变电阻R_SL1组成的串联电路、第二线圈U₂等效为第二电感L_SL2和第二可变电阻R_SL2组成的串联电路、......、第n线圈U_n等效为第n电感L_SLn和第n可变电阻R_SLn组成的串联电路。每个超导线圈和图3中的高温超导线圈SL所用的带材、绕制方法相同,并且具有相同的绕制方向。每个高温超导线圈具有相同的参数,因此,每个线圈单元具有相同的等效电感和可变电阻。多单元串联结构能够提高高温超导线圈限流过程中的失超限流速度,并保证各个单元的均匀,提高了高温超导线圈运行的安全性。如图5所示,本发明的具体实施例2为单相带有耦合变压器的短路故障限流器。单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。TR为限流器的耦合变压器,SW为断路器,Uac为交流电源,R_L为负载阻抗。单相短路故障限流器并联在耦合变压器TR的副边绕组上,耦合变压器TR的副边绕组的两端分别连接在第一交流端A和第二交流端B上。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构,也可以采用如图4a的多单元串联结构。直流电抗器Lb由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈。耦合变压器TR的原边绕组串入交流电源Uac、断路器SW和负载R_L的串联线路,构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器;对于高压或超高压变压器来说,通过将变压器耦合,可以降低限流器中功率器件的额定电压和绝缘级别,从而降低限流器的成本,提高其限流性能。单相带有耦合变压器的短路故障限流器的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。图6所示为本发明的具体实施例3,为三个单相短路故障限流器分别串联在三相系统中组成的三相短路故障限流器。三个单相短路故障限流器的每个单相短路故障限流器的结构和图2所示的具体实施例1相同。单相短路故障限流器串入A相交流电源Ua、A相断路器SWa和A相负载阻抗R_La之间,组成A相短路故障限流电路;单相短路故障限流器串入B相交流电源Ub、B相断路器SWb和B相负载阻抗R_Lb之间,组成B相短路故障限流电路;单相短路故障限流器串入C相交流电源Uc、C相断路器SWc和C相负载阻抗R_Lc之间,组成C相短路故障限流电路。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构,也可以采用图4的多单元结构。直流电抗器Lb由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈。直流电抗器Lb和高温超导线圈SL浸泡在液氮中工作。SWa、SWb、SWc分别为A、B、C三相断路器,Ua、Ub、Uc为三相交流电源,R_La、R_Lb、R_Lc分别为A、B、C三相负载阻抗。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。如图7所示,本发明的具体实施例4为三相耦合短路故障限流器。第一二极管D₁、第二二极管D₂、......第八二极管D₈组成的三相整流桥、A、B、C三相耦合变压器Tra、Trb和Trc、第一保护电阻Rv、高温超导线圈SL、开关管K、直流电抗器Lb、第二保护电阻Ra和保护二极管Da组成。其中,第一二极管D₁和第二二极管D₂通过连接点W串联、第三二极管D₃和第四二极管D₄通过连接点V串联、第五二极管D₅和第六二极管D₆通过连接点U串联、第七二极管D₇和第八二极管D₈通过连接点G1串联,并且,第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅和第七二极管D₇连接在第一直流端M上,第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆和第八二极管D₈连接在第二直流端N上。第一保护电阻Rv、开关管K与高温超导线圈SL并联,此并联支路连接在整流桥的第二直流端N和第三直流端P之间。第二保护电阻Ra和保护二极管Da的串联支路与直流电抗器Lb并联,此并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第三直流端P之间。A相耦合变压器Tra的副边绕组连接在连接点U和连接点G1之间,B相耦合变压器Trb的副边绕组连接在连接点V和连接点G1之间,C相耦合变压器Trc的副边绕组连接在连接点W和连接点G1之间。A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源Ua、Ub、Uc和三相断路器SWa、SWb、SWc之间,并与三相负载阻抗R_La、R_Lb、R_Lc串联。三相负载阻抗R_La、R_Lb、R_Lc和三相电源Ua、Ub、Uc连接到接地点G上,组成三相耦合短路故障限流器。直流电抗器Lb由Bi系超导带材绕制的超导线圈或普通电抗器线圈。高温超导线圈SL采用YBCO高温超导带材绕制。开关管K采用IGBT或GTO。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构,也可以采用图4a的多单元串联结构。在稳态时,即电路未发生故障时,第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅、第八二极管D₈与第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆、第七二极管D₇因正偏而导通。在整流桥的直流侧,电流通过直流电抗器Lb和高温超导线圈SL而导通。稳态时,因电流较小而无法导致高温超导线圈SL失超,其可变电阻R_SL呈零电阻状态。三相耦合短路故障限流器对电路的不产生电压跌落。在系统发生短路故障(以A相为例)时,若故障电流正向流过限流器,即故障电流的瞬时值大于直流电抗器Lb的电流值,故障电流通过A相耦合变压器Tra后,故障电流将通过第一二极管D₁-直流电抗器Lb-高温超导线圈SL-第八二极管D₈,故障电流受到了直流电抗器Lb和高温超导线圈SL的等效电感L_SL的限制作用。同时,随着故障电流的增加,高温超导线圈SL失超,可变电阻R_SL从零逐渐增大,从而形成了直流电抗器Lb、电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时,第二二极管D₂和第七二极管D₇由于反偏而处于截止状态,开关管K低电平触发而处于截止状态。当直流电抗器Lb电流增加时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因反偏而截止;当直流电抗器Lb电流减小时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因正偏而导通,避免了直流电抗器Lb产生反电压对系统造成冲击。当线路电流的反向瞬时值的数值大于直流电抗器Lb电流值时,故障电流将通过第二二极管D₂-直流电抗器Lb-高温超导线圈SL-第七二极管D₇,故障电流受到了直流电抗器Lb和高温超导线圈SL的等效电感L_SL的限制作用。同时,随着故障电流的增加,高温超导线圈SL失超,可变电阻R_SL从零逐渐增大,从而形成了直流电抗器Lb、电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时,第一二极管D₁和第八二极管D₈由于反偏而处于截止状态,开关管K低电平触发而处于截止状态。当直流电抗器Lb电流增加时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因反偏而截止;当直流电抗器Lb电流减小时,第二保护电阻Ra和保护二极管Da因正偏而导通,避免了直流电抗器Lb产生反电压对系统造成冲击。一旦电网恢复正常,短路故障限流器上的电流必然减小,这时,高电平触发开关管K导通,电流通过开关管K,而高温超导线圈SL被旁路,保证了电网不受高温超导线圈SL失超的影响。如果高温超导线圈SL恢复超导态,低电平触发开关管K使其关断。在限流器限制故障电流过程中,打开断路器SW,从而达到切除短路故障和保护线路的目的。从上述的分析可以看出,直流电抗器Lb和电感L_SL自动投入限制故障电流峰值,可变电阻R_SL的自动投入限制故障电流稳态值,从而有效限制了故障电流对线路的冲击。在单相220V电路和三相380V电路试验中,均能较好地实现短路故障限流,故障电流的瞬时值和稳态值都可以限制在最大故障电流的60%以下。并且,根据电路的故障特点和阻抗情况,进一步调节高温超导线圈的参数,可以达到更好的限流效果。