（电气工程专业论文）新型磁控开关型故障限流器研究.pdf

摘要 新型磁控开关型故障限流器研究 摘要 随着我国工业现代化程度的快速提升，对其有重要保障作用的电力系统舰模也随之 不断扩大，从而对电网安全、稳定、可靠运行提出了新的、更高的要求。作为电力系统 安全町靠运行重要措施之一，短路电流快速限制关键理论与装置的研究，已成为当前电 力系统研究的前沿和热点课题之一。 本文旨在研究一种新型磁控开关型故障限流器，研究其拓扑结构及限流理论关键技 术，研制出新型磁控开关型故障限流器( 2 2 0 v 5 0 a ) 样机。 本文的主要研究工作包括以下几个方面： 提出一种新型磁控丌关型故障限流器的拓扑结构，该拓扑由具有磁控丌关作用的三 柱铁心、限流电感及可控偏置电源组成。正常运行时，利用磁饱和原理使三柱铁心边柱 饱和，限流器处于低感抗状态；故障后通过磁路耦合方式将串联在偏置回路的限流电感 自动接入故障回路，并通过控制偏置电流实现短路电流的快速限制，达到对电力系统保 护的 j 的。这种拓扑具有故障电流快速跟踪、限流电感自动投切、稳态运行损耗小、基 本无谐波、控制灵活有效、结构简单可靠的特点。新型磁控丌关型故障限流器满足电力 系统保护选择性、速动性、灵敏性、可靠性的要求，是电网安全保护的有效装置之一。 分析了新型磁控开关型故障限流器的参数设计、磁场分布、损耗及温升等基础理论， 编制了限流器参数没汁、仿真计算的相关软件及限流器电磁场计算的有限元软件，并进 行了仿真研究。研究结果表明：新型磁控开关型故障限流器限流效果好，故障后可以通 过实施偏置电流的控制，达到短路i 也流限制的设定目标。本文提出的这种限流器故障后 采用限流电感与交流线圈、偏置线圈等效阻抗共同作用模式，使得限流能力大大提高， 并且降低了限流器的电压损耗。此方面的研究为限流器样机的研制及高压大容量限流器 的研究提供了理论依据。 研制了基于d s p 和f p g a 处理器的新型磁控开关型故障限流器控制系统。在系统 软件实现上，针对限流器系统的非线性特性，提出了基于模糊p i d 的偏置电流控制方法， 该方法具有不需要精确数学模型，可在线修改控制器参数的特点。偏置电流控制器硬件 由( 以d s p 为核一t 3 的三相偏置电流) 采样运算单元、( 以f p g a 为核心) 数字移相触发 摘要 控制单元及通讯单元组成。控制系统主要实现晶闸管触发、信号采样及采样数据的分析 运算、滤波等功能，并与监测系统保持通讯。新型磁控开关型故障限流器控制系统的研 制为限流器样机的实现奠定了技术基础。 研制了2 2 0 v 5 0 a 新型磁控开关型故障限流器样机，并进行了限流器控制系统性能 测试、限流器系统的静态实验与动态实验、限流器损耗及温升测试。综合实验研究结果 表明：该样机具有动态响应速度快，故障切除恢复能力强，不影响自动重合闸的正常运 行，谐波影响可忽略，无需附加散热装置等特征，达到了预定设计要求。限流器实验进 一步验证了限流器原理的可行性、有效性及模型的正确性，为研究和设计高压限流器及 挂网试运行提供了实验依据。 对新型磁控开关型故障限流器应用进行了探讨。考虑了限流器对电力系统暂态稳定 性的影响，以及高压限流器的实现问题。研究结果表明：本文提出的限流器住接入电网 后，能快速限制短路电流，大大减少了系统的不平衡功率，有利于提高系统的暂念稳定 性。在2 2 0 k v 及5 0 0 k v 高压限流器实现时，需要较大的直流偏置电流，冈而励磁系统 的实现成为研制高压限流器的关键因素。 本文提出的新型磁控开关型故障限流器具有稳态电压损耗小、限流能力可调、动态 响应速度快、限流效果好且无谐波污染等优点，是电力系统中有前途的保护设备。理论 分析与建模仿真工作为限流器样机的研制及高压大容量限流器的研究提供了理论依据； 对低压样机的实验研究验证了限流原理的可行性及模型的j 下确性，为研究和设计大型限 流器及挂网试运行提供了初步的实验依据。 关键词：故障电流限制器，短路电流，电力系统保护，电力系统稳定，模糊p i d 控制 i i a b s t r a c t r e s e a r c ho nan o v e lm a g n e t i c c o n t r o l l e d s w i t c h e rt y p e f a u l tc u r r e n tl i m i t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r i e so fo u rc o u n t r y , p o w e rs y s t e ms c a l ei s e x p a n d i n gi nr e c e n ty e a r s ，w h i c hs e tr e q u e s tf o rs a f e ，s t a b l ea n dr e l i a b l ed e m a n d sf o rt h e g r i d f a s tc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g ya so n eo ft h ei m p o r t a n tm e a s u r e st oe n s u r et h e 鲥d s s a f e t ya n dr e l i a b l e ，h a sb e c o m et h eh o t s p o tf o rp o w e rs y s t e mr e s e a r c h an o v e lm a g n e t i c c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef a u l tc u r r e n ti i m i t e ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h et o p o l o g ya n dc u r r e n tl i m i t i n gk e yt e c h n o l o g yo ft h ef c lh a v eb e e ns t u d i e d a n da 2 2 0 v 5 0 af c lh a sb e e nm a n u f a c t u r e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： t 1 1 et o p o l o g yo fan o v e lm a g n e t i c c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ef c li sc o m p o s e do fam a g n e t i cc o r ew i t ht h r e ec o l u m n sw h i c hh a st h ee f f e c to f m a g n e t i c - c o n t r o l l e ds w i t c h e r , c u r r e n tl i m i t i n gi n d u c t a n c ea n dc o n t r o l l a b l ed cb i a ss o u r c e u n d e rn o r m a lo p e r a t i o ns t a t e ，b yu s i n gm a g n e t i cs a t u r a t ep r i n c i p l e ，t h ed eb i a sc u r r e n ti s a d j u s t e dt od r i v et h es i d ec o l u m n sc o r ei nd e e ps a t u r a t e ds t a t e ，a n dt h ei m p e d a n c eo ft h ef c l i sv e r yl o w m e naf a u l to c c h r s ，t h ec u r r e n tl i m i t i n gi n d u c t a n c ei nt h eb i a sc u r r e n tc i r c u i ti s c o n v e r t e di n t ot h ea cc i r c u i tt ol i m i tt h ef a u l tc u r r e n ta u t o m a t i c a l l yd u et om a g n e t i cc i r c u i t c o u p l i n g b yb i a sc u r r e n ta d j u s t i n g ，t h ef c lc a nl i m i tt h ef a u l tc u r r e n tt od e s i r e dl e v e l s p e e d i l yt h em a g n e t i c - c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c l h a st h ea d v a n t a g e so ff a u l tc u r r e n tf a s t s c o u t i n g ，a u t o m a t i c a l l yc u r r e n tl i m i t i n gi n d u c t a n c ei n s e r t i n g ，l o wv o l t a g el o s su n d e rs t e a d y s t a t e ，n oh a r m o n i cg e n e r a t i n g ，f l e x i b l ec o n t r o ls t r a t e g y , a n ds i m p l i c i t ya n dr e l i a b i l i t y 卟e f c lm e e tt h ed e m a n d so fs e l e c t i v i t y , q u i c ko p e r a t i o n ，s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yf o rt h ep o w e r s y s t e mp r o t e c t i o n s i tc a l lb eu s e da sa l le f f e c t i v ea p p a r a t u sf o rt h ep o w e rs a f e t yp r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ef c ls y s t e mp a r a m e t e r sd e s i g nm e t h o d ，m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ，l o s s a n dt e m p e r a t u r er i s eh a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l y s o r w a r eo ff c ls y s t e mp a r a m e t e r s d e s i g n a t i o n ，s i m u l a t i o na n da n s y sm a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o nh a v eb e e np r o g r a m m e d t h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef c lc a nl i m i tt h ef a u l tc u r r e n t e f f e c t i v e l y t h ee q u i v a l e n ti m p e d a n c eo ft h ef c lc a nb ea d j u s t e db yb i a sc u r r e n t s ot h a ti t c a nl i m i tt h ef a u l tc u r r e n tt od e s i r e dl e v e l t h em a g n e t i c c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c lu s e i i i a b s t r a c t c u r r e n tl i m i t i n gi n d u c t a n c et oj o i ne q u i v a l e n ti n d u c t a n c eo fa cw i n d i n g s ，a n db i a sw i n d i n gt o 1 i m i tt h ef a u l tc u r r e n t w h i c hh a st h ee f f e c to fd e c r e a s i n gv o l t a g el o s sr a t i oa n de n h a n c i n g c u r r e n tl i m i t i n ga b i l i t y t h et h e o r e t i ca n a l y s i sl a i dt h e o r yb a s ef o rf c lt e s tm o d e l m a n u f a c t u r ea n dh i g hv o l t a g e ，h i g hc a p a c i t yf c lr e s e a r c h c o n t r 0 1s y s t e mo ft h en o v e lm a g n e t i c c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c lh a sb e e nd e v e l o p e d t h ef c lc o n t r o ls y s t e mh a st h ec o m p l e xn o n l i n e a ra n dp a r a m e t e rv a r i a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c s ， s of u z z yp i dc o n t r o ls t r a t e g yi sb r o u g h tf o r w a r di nt h et h i r dc h a p t e r i th a st h em e r i to f p r e c i s e l yo n l i n ec o n t r o lw i t h o u ta c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt h ef c l c o n t r o l s y s t e mc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，ah a r d w a r ep l a t f o r mo ft h eb i a sc u r r e n tc o n t r o l l e rw i t hd s p a n df p g aa si t sc o r ep r o c e s s o r sh a sb e e nd e s i g n e d ，a n ds o f t w a r ed e s i g ns c h e m eh a sa l s ob e e n 1 a y o u t t h eh a r d w a r ep l a t f 0 1 1 1 1o ft h eb i a sc u r r e n tc o n t r o l l e ri sc o m p o s e do ft h r e ep h a s eb i a s c u r r e n ts a m p l i n gs y s t e mw i t hd s pa n dt h ed i g i t a lp h a s et r a n s f e ra n dt r i g g e rs y s t e mw i t h f p g a ，t h eo t h e rc o m p o n e n t so ft h ec o n t r o l l e ri st h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hs e n d m e s s a g eb e t w e e nt h ec o n t r o l l e ra n ds u p e r v i s o rs y s t e m t h ef c lc o n t r o ls y s t e mf u l f i l l st h e f u n c t i o n so ft h y r i s t o r s t r i g g e r , s i g n a ls a m p l i n g ，s a m p l e sa n a l y s i s a n d f i l t e r i n g , a n d c o m m u n i c a t i n gw i t ht h es u p e r v i s o rs y s t e m t h ec o n t r o ls y s t e mc o n s t r u c t i o nm a d et e c h n o l o g y p r e p a r a t i o nf o rt h ef c l t e s tm o d e lm a n u f a c t u r i n g t h e2 2 0 v 5 0 am a g n e t i c - c o n t r o l l e ds w i t c h e r t y p ef c lh a s b e e nm a n u f a c t u r e d e x p e r i m e n t a ls t u d yh a sb e e nd o n eo nt h ef c l t e s tm o d e l 1 f 1 1 ee x p e r i m e n t si n c l u d ef c l c o n t r o ls y s t e mt e s t ，s t a t i ct e s ta n dd y n a m i ct e s t ，l o s sa n a l y s i sa n dt e m p e r a t u r er i s et e s t f c l t e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ef c lh a st h ea b i l i t yo ff a s tf a u l tc u r r e n tl i m i t i n g ，h i g hr e c o v e r i n g s p e e dw h e nt h ef a u l tb ec l e a r e d a n dw i l ln o ti n f l u e n c et h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ef a s t r e c l o s i n gr e l a y 1 1 1 eh a r m o n i c si n t r o d u c e db yt h ef c li sn e g l i g i b l e f c ll o s sa n a l y s i s i n d i c a t e dt h a tt h ef c lt e m p e r a t u r er i s ei su n d e rn o r m a ll e v e la n dn e e dn oa d d i t i o n a lh e a t d i s p e r s i o na p p a r a t u s t h ef c ls a t i s f i e st h ed e s i r e dd e s i g nd e m a n d s f c le x p e r i m e n tv e r i f i e d t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h et e s tm o d e l ，a n dp r o v i d e de x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h e l a r g e s c a l ef c l r e s e a r c ha n dd e s i g n i n g a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo fm a g n e t i c - c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c l i si n v e s t i g a t e di nt h e f i f u lc h a p t e r w h e nf c li si n s t a l l e di n t ot h eg r i d i t si n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fp o w e r s y s t e ms h o u l db ea n a l y z e d ，a n dh i g hv o l t a g ef c lr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yh a sa l s ob e e n i n v e s t i g a t e d t h ef c l c a ne n h a n c et h ep o w e rs y s t e mt r a n s i e n ts t a b i l i t yd u et oi t sf a s tc u r r e n t l i m i t i n ge f f e c t w h i c hw i l ld e c r e a s et h eu n b a l a n c e dp o w e ri nt h es y s t e mu n d e rf a u l ts t a t e t h e s i m u l a t e dr e s u l t so f2 2 0 k va n d5 0 0 k vf c ls h o wt h a th i g hv o l t a g ef c lh a sl a r g eb i a sc u r r e n t ， s ot h a tt h ed e s i g no fe x i t a t i o ns y s t e mi st h ek e yf o rt h eh i g hv o l t a g el e v e lf c lr e a l i z a t i o n an o v e lm a g n e t i c c o n t r o l l e ds w i t c h e rt y p ef c lh a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c h h a st h ea d v a n t a g e so fl o wv o l t a g el o s su n d e rs t e a d ys t a t e ，a d j u s t a b l ec u r r e n tl i m i t i n ga b i l i t y , i v a b s t r a c t f a s td y n a m i cr e s p o n s e ，s a t i s f i e dc u r r e n tl i m i t i n ge f f e c ta n dn oh a r m o n i c s i ti sap r o m i s i n g a p p a r a t u sa st h ep o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n f c lt h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n sl a i dt h e o r y b a s ef o rf c lt e s tm o d e lm a n u f a c t u r ea n dh i g hv o l t a g e ，h i g hc a p a c i t yf c lr e s e a r c h e x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e1 0 wv o l t a g el i m i t e rv a l i d a t e dt h ec u r r e n tl i m i t i n gp r i n c i p l ea n dt h e m o d e lc o n s t r u c t i o n ，w h i c hm a k ear e a d yf o rl a r g e s c a l ec u r r e n tl i m i t e rr e s e a r c ha n d d e s i g n i n g k e y w o r d s ：f a u l tc u r r e n tl i m i t e r , s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ，p o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n ，p o w e r s y s t e ms t a b i l i t y , f u z z yp i dc o n t r o l v 上海交通大学上海父迥大罕 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做f h 重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识剑本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：潘书霞 日期：砂。8 年岁月扣 日 上海交通大学上海父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：浩艳霞 日期：2 q 冒年岁月i o 日 指导教师签名 日期：矽骣厂眵秒日 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 电力系统作为关系国计民生的行业，在国民经济发展中占有重要地位。随着近年来 我国经济的持续增长，用电需求不断增加，电力系统的规模也同益扩大。电网规模的增 大使得电网短路容量和短路电流日趋增长，以我国电网的发展为例，2 0 0 7 年底我国电力 装机容量为7 1 3 亿千瓦，预计2 0 0 8 年全国电力装机容量有望突破8 亿千瓦。到2 0 1 0 年，我国5 0 0 k v 电网短路电流水平大部分将接近5 0 k a ，2 0 1 5 - 2 0 2 0 年，华东、华中、华 北电网部分变电所三相短路电流将接近甚至超过6 3 k a t 卜4 】，从而对电网中的各类送变电 设备如丌关设备、变压器等提出了更为苛刻的要求。 为了保证电力系统的安全稳定运行，在电网中安装合适、可靠的安全自动装置和保 护装置意义重大。例如2 0 0 3 年8 月1 4 同发生的美加大停电事故，起因是由于末能及时 处理某发电厂的电力线路短路故障，导致美国东北部、中西部和加拿大南部发生大面积 停电，损失达4 0 6 0 亿美元。2 0 0 3 年8 月2 8 日英国东南部及伦敦部分地区也发生了范 围较大的停电事故。究其根本原因，大面积停电是由于安全运行措施不得力，来能及时 将故障就地处理。因此，寻求更好的电网保护措施势在必行。 电网主要保护措施之一为快速限制短路电流。电力系统发生短路时，电流急剧增加， 在大容量的系统中可达n ) l 力甚至几十万安培，由于热效应或电动力的冲击，引起电气 设备导体或绝缘的损坏，对电力系统的正常运行和电气设备危害很大；另外，由不对称 故障产生的不平衡磁通，会干扰通讯系统的正常运行，甚至危及设备和人身的安全；严 重时有可能引起并列运行的发电机失去同步，破坏系统的稳定，引发大而积停电事故， 造成巨大的经济损失【5 1 。常规的限流措旌主要有【6 ，7 j ： ( 1 ) 从系统结构方面考虑，采取发展高一级电压电网、低压电网分层分区运行、母线分 裂或分段运行、解列电网、合理的电源接入方式等措施。 ( 2 ) 从电气设备方面考虑，更换断路器及相关的电气设备，采用高阻抗变压器或装设限 流电抗器。 ( 3 ) 从系统运行方面考虑，采用变压器中性点不接地或中性点经间隙接地、中性点经小 电阻接地运行以及限制自耦变压器的使用等措施。 第一章绪论 ( 4 ) 采用直流联网。 ( 5 ) 采用限流式熔断器。 传统的限流措旌会增加稳态运行时的网络损耗，并降低电力系统运行的稳定性，或 是以经济性为代价，因而传统的短路电流限制措施已一、= 能完全满足限制短路电流的要 求。另外，受生产工艺等技术水平的制约，目前高压断路器最大只能开断8 0 k a 的短路 电流，且造价很高。当系统容量很大时，不仅需要更换高遮断容量的断路器，其它设备 包括主变压器、隔离开关、互感器和母线、绝缘子、接地网等也必须加强或更换，需要 投入大量的人力物力。因此，为保证电网运行的安全性、稳定性、经济性，快速限制短 路电流水平是电力系统需要迫切解决的实际i 、u j 题。 1 2 故障电流限制器研究综述 故障电流限制器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，f c l ) 作为有效限制短路电流的装置，应满足如 下要求【8 】= 能将短路电流峰值及短路电流稳态值限制到安全的水平； 正常状念下对系统没有不利的影响，目限流器阻抗低、功率损耗小； 限制故障电流后快速恢复低阻抗状态，不影响f 【i 力系统覃合闸； 动作时不会产生过电压和过电流； 不影响电力系统原有的自动装置及保护装置的正常动作； 可靠性高，具有较长的使用寿命。 故障电流限制器从2 0 世纪7 0 年代提出以来【9 】已经过近3 0 年的发展。近年来随着大 功率半导体器件、微电子控制技术、高温超导技术和新材料等的发展，涌现出多种类型 的故障电流限制器，按其使用的材料及工作原理分类，可分为固态限流器、放电间隙型、 发生控制型、p t c 电阻型、限流熔断器及超导型限流器等。 1 2 。1 固态限流器 固态限流器自美国电力科学研究院( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ，e p r i ) 于2 0 世 纪9 0 年代初提出以来，随着近十多年来电力电子器件技术水平的提高，应用电力电子 技术的固态限流器也得到很大的发展。固态限流器的实用化研究情况如表1 1 所示【1 0 , 1 1 】。 以下对各种固态限流器的拓扑结构、工作原理、技术特点进行分析。 2 第一章绪论 表1 - 1 固态限流器研究实用化进展 t a b l e1 - 1i n t e r n a t i o n a ls t a t u so fs o l i ds t a t ef c le n g i n e e r h 态限流器类型 公习( 【j ；| | 家) 指杯时间 g t o 开关型牟喜f 扫力研究中心( 美罔) 4 6 k v 8 0 0 a 6 6 m w1 9 9 3 d c l d 【i 奉尔北i u 力公。i j & it 、 ，：公u j 【it 奉) 6 6 k v1 9 9 3 无损耗电i j l 器式 i 产东冶企学院( 中陶) 1 9 9 4 新型桥j ：l = 浙江人学( 中陶) 1 9 9 5 仝今 i j q 屋电j 公司& e p r if 芰陶) l3 8 k v ，6 7 5 a1 9 9 5 混合式限流分断装置 | f 本富士乜机关两i 乜力公一j ( 1 | 奉) 4 0 0 v1 9 9 6 交直流两用混合式 a c e c t r a n s p o r ta n dg e c a l s t h o m ( 荧陶) 9 0 年代末 只有串补作用华中科技人学( 中固) 1 9 9 9 桥式l o sa l a m o s 叫家实验宅( 戈陶)13 7 k v 314 0 a ( m a x l2 0 0 2 ( 1 ) g t o 丌关型故障限流器 g t o _ ! f l ：关型故障限流别2 。1 4 】主要由一组反并联的g t o 与限流电感并联组成，如 图1 1 所示。正常运行时g t o 常通，将限流电感短接；发生短路故障后，在短路电流 达到第一个峰值前迅速将g t o 断丌，使限流电感插入短路凹路，从而限制短路电流。 这种限流器要求使用昂贵的g t o ，而且要求保护电路具有极快的响应速度，同时由于 g t o 快速截断数值很大的短路电流而使之转移至限流电感中，会产生瞬f n j 过电压及附 加振荡，为了避免其危及系统绝缘与安全，必须采取有效措施射过电压及振荡进行抑制。 图卜1g t o 开关型故障限流器 f i g 1 1g t os w i t c h e rt y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( 2 ) 谐振型故障限流器 谐振型故障限流器有串联谐振型【15 , 1 6 f 阳并联谐振型1 7 , 1 8 两种，分别利用串联谐振电 路阻抗为0 ，并联谐振电路的导纳为0 的特点设计。串联谐振型限流器拓扑如图l - 2 ( a ) 所 示，币常运行时，厶与c 发生串联谐振，阻抗为零。短路故障发生后，晶闸管s c r 导通， 5 2 串入限制短路电流。并联谐振型限流器拓扑如图1 - 2 ( b ) 所示，系统稳态时，电容c 起 串联补偿作用，故障发生时晶闸管s c r 触发导通，与c 发生并联谐振，限制故障电流。 这两种限流器都需要快速触发的电子开关( 如s c r ) 以使其等效阻抗迅速从低阻抗转换至 第一章绪论 高阻抗。另一方面，由于谐振式限流器引入了电感和电容元件，必然增加系统的阶数， 从而增加了设计和分析的难度。 l ( a ) 串联谐振型( b ) 并联谐振型 图1 - 2 谐振型故障限流器 f i g 1 2r e s o n a n tt y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( 3 ) 可变阻抗型故障限流器 可变阻抗型故障限流器拓扑如图1 - 3 ( a ) 、( b ) 所示，图1 - 3 ( a ) 与图1 2 ( a ) 结构相同，但 其控制原理不同。正常运行时，电感厶与电容c 串联谐振，s c r 关断，限流器能起到串 联补偿作用；故障时通过改变s c r 的触发角，使厶和c 发生并联谐振伸，2 0 1 ，线路阻抗 增大，从而达到限流的目的。若故障时电容c 受损，则厶应人到足以限制短路电流的水 平。图1 - 3 ( b ) 的结构比图1 - 3 ( a ) 简单，通过控制s c r 的触发角改变的大小，电路稳态 时，电容c 起串联补偿作用，故障时改变s c r 的触发角使足够大，从而限制短路电 流。图】一3 两种拓扑结构的装置阻抗大小均通过控；列s c r 的触发角口实现，f h 这种控制 关系比较复杂，并且在运行过程中会产生大量谐波。 s c r ( a )( b ) 图卜3 可变阻抗式限流器 f i g 1 - 3f a u l tc u r r e n tl i m i t e rw i t ht h y r i s t o rc o n t r o l l e di m p e d a n c e ( 4 ) 具有串联补偿作用的故障限流器 具有串联补偿作用的故障限流器拓扑如图1 4 所示弧1 6 , 2 1 2 2 1 ，其主要元件为电容器 组c l 和电感厶，_ k 1 c o c 。 c o l , 。正常运行状态下，s w l 断开，厶，c l 所在线路呈容性， 对线路阻抗起串联补偿作用。当线路发生故障时，s w l 闭合，则g 被旁路，厶串入线路 起到限制故障电流的作用。这种限流器限流电抗值的设计受到串补电容的约束，并且其 限流率不能超过o 5 ，限流效果具有较大的约束性。 4 第一章绪论 图卜4 具有串联补偿作用的限流器 f i g 1 - 4f a u l tc u r r e n tl i m i t e rw i t hs e r i e sc o m p e n s a t i o n ( 5 ) 无损耗电阻器式故障限流器 无损耗电阻器式故障限流器由华东冶金学院于1 9 9 4 年提出【：3 ，2 4 1 ，其拓扑如图1 5 所示，由4 个i g b t 和4 个续流二极管组成桥式电路，应用p w m 技术控制i g b t 的丌 关频率来调整该桥式电路的“等效电阻”。其工作过程中不会产生功率损耗和焦耳热量， 可有效控制短路电流的峰值和稳态值。为了在短路时呈现高阻抗，其调书0 频率将非常高， 故装置丌关损耗大，并会产生丰富的谐波电流。 图卜5 无损耗电阻器式限流器 f i g 1 - 5t h el o s s l e s sr e s i s t o rb a s e df a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( 6 ) 混合型故障限流器 由于各种限流器均存在缺点，因此有不少由各种限流技术结合构成的混合型故障限 流器【2 5 】。图1 - 6 ( a ) 为交商流两用的混合型限流器，在正常状态下，开关s w l 闭合，线 路流过正常负载电流。发生短路故障时，电容c 内存储的能量给s w l 提供反向电流， 达到限流和切断短路故障的目的。由固态开关和机械断路器构成的混合式限流器【2 6 j 如图 1 - 6 ( b ) 所示，系统正常运行时，电流流经高速真空丌关，当检测到短路故障时机械式开 关触头在电磁力作用下迅速打开，同时g t o 导通，短路电流在电弧电压的作用下换流 到g t o 内。当故障电流完全换流到g t o 内时，g t o 关断，切断短路电流，关断过程 中产生的过电压被并联的金属氧化物变阻器z n o 和r c 缓冲电路吸收。混合式故障限流 器降低了固态开关的导通损耗，并能够抑制故障电弧引起的危害，但是其结构比固态开 关复杂，成本较高，使用的范围有限。 第一章绪论 ( a )( b ) 图1 - 6 混合型限流器 f i g 1 - 6i - i y b dt y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( 7 ) 桥式固态限流器 桥式固态限流器，2 7 粕1 拓扑如图1 - 7 所示。f 常运行时，调整e 使电感电流f ， f ， 则晶闸管s 3 、s 4 始终处于导通状态，正常负载电流流经限流器时，限流器电压“口0 ， 限流器对外几乎呈现零阻抗。负载侧发生短路时，在电源电压正半波当f = i l 时s 3 截止， 电感三串入短路回路对短路电流起限制作用。若及时封锁s 1 、s 2 的门控脉冲，则电源电 压过零时s 1 、s 2 关断，切除短路故障。电感l 乜流经s 3 、s 4 续流而短接，不会产生过电压。 桥式固态限流器在正常运行时基本不产生附加压降，发生短路故障时限流阻抗自动插 入，不需要保护电路响应，且断开时不会产牛瞬念振荡即过电压，可以实现无冲击的软 自动重合闸。但由于固态限流器需要大量功率器件串、并联以满足功率和耐压要求，成 本高昂。 图1 - 7 桥式固态限流器 f i g 1 - 7f u l lc o n t r o ll e db r i d g et y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r 固态限流器采用电力电子开关器件，在高电压等级电网中应用时需要大量功率器件 串、并联满足功率和耐压要求，并要求保护电路具有极快的响应速度及器件特性的一致 性，成本高昂，限制了固态限流器的应用。 1 2 2 放电间隙型故障限流器 放电间隙型故障限流器【3 刀利用谐振和非谐振两种状态f 阻抗值的变化达到限制短 路电流的目的，拓扑结构如图1 8 所示。这种限流器由放电间隙与电容并联后再与电感 6 第一章绪论 串联组成，放电间隙可以是真空或空气间隙，从给间隙发出点火放电信弓到间隙完全导 通所需的时问是j 级的。正常工作时，电容c 与f 乜感串联谐振；当发生短路故障时， 在几个毫秒内点火电路使得问隙s w 击穿处于导电状态，投入电感进行限流。放电间 隙型故障限流器在系统正常运行时不存在囚电流而产生的损耗，但控制的灵活型较差。 图1 8 放电间隙型故障限流器 f i g 1 8d i s c h a r g eg a pt y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r 1 2 3 发射控制型故障限流器 发射控制型故障限流器【38 】通过冷却阴极发射或等离子装置的热离子控制电流，当电 流达到故障整定值时，发射被限制，这样在阴、阳极之l 口j 使形成一个依赖于设备实际电 压的饱和电流，最终限制故障电流