（电力系统及其自动化专业论文）双向潮流固态限流器的研制.pdf

塑坚盔兰堡主兰垒篓奎 a l o n g w i t ht h ee x p a n d i n gp o w e rn e t w o r k ，t h ef a u l tc u n e n th a si n c r e a s e dg r e a t l y t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n to fm a n ya r e ae s p e c i a l l yt h ee c o n o m i c a l l ya d v a n c e da r e ai s c l o s et oa n d 吖e 1 1m o r et h a nt h ep r e s e n tl i n eb r e a k e r s b r e a k i n gc a p a c i t y i tw i l lb r i n g h i d d e nt r o u b l e st ot h es e c u r i t y , s t a b i l i t y , c r e d i b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m s oh o w t o f i n de f f e c t i v ec u r r e n t l i m i t i n gt e c h n i q u eh a sb e c o m et h ep r e s s i n gp r o b l e mi ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m t h ef a c u l t i e si nz h e j i a n gu n i v e r s i t yh a v eb e g u nt h er e s e a r c ho fs o l i ds t a t e s p o w e rs w i t c ha n df a u l tc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g y t h e yp r o v i d ean o v e ls o l i ds t a t s f a u l tc u r r e n tl i m i t i n gt e c h n o l o g y , w h i c hp o s s e s s e sf l e x i b l ec o n t r o lm o d e t h e e x p e r i m e n t a lp r o t o t y p e so f3 8 0 v 2 0 0 at r a n s f o r m e rc o u p l i n gt h r e ep h a s eb r i d g et y p e s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s s f c l ) a n d10 k v 5 0 0 at r a n s f o r m e rc o u p l i n gt h l e e p h a s eb r i d g et y p es s f c l w i t hb y p a s si n d u c t a n c eh a v eb e e nd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y b a s e do nt h ep r e d e c e s s o r s r e s e a r c hf i n d i n g st h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho n t h ea p p l i c a t i o nw h e ns s f c li si nb i - d i r e c t i o n a lc u r r e n tc o n d i t i o n s f i r s t l y , t h ep a p e r e x p a t i a t e so nt h ed a m a g e sc a u s e db yf a u l t s a n ds o m eo r d i n a r y c u r r e n t - l i m i t i n g m e t h o d s t h e ni tm a k e sas u m m a r yo l ls o m ee x i s t i n gf c lt e c h n o l o g i e s s e c o n d ，b a s e do nt h em a i nc i r c u i tt o p o l o g ya n do p e r a t i n gp r i n c i p i eo fn e w s s f c l ，t h i sp a p e rd o e ss o m es e m i n a ro nt h et o p o l o g y , c o n t r o ls t r a t e g y , p r e v i o u s l y c h a r g em a g n e t i s mb e f o r ee n a b l e m e n ta n dt h ei m p a c tt ot h es y s t e mw h e ni ti se n a b l e d o f t h eb i d i r e c t i o n a lc u r r e n ts s c l t h i r d ，t h ep a p e rm a k e se x p l a n m i o no nt h eh a r d w a r e ，c o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o l s o f t w a r ea n da n t i i n t e r f e r e n c em e t h o d s a n dt h e n ，b a s e do nt h em u l t i - p o w e rs i m u l a t i o nm o d e lt h i sp a p e rd os o m e e m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h es s f c lw h e ni ti se n a b l e dn o r m a l l y , a n dw h e nt h r e ep h a s e s a n dt w op h a s es h o r tc i r c u i th a p p e ni nb i d i r e c t i o n a lc u r r e n tc o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ed o u b l es o u r c es m a l lm o d e lt e s ts y s t e m ( i n c l u d i n gt h es m a l ls s f c l m o d e la n dw e a k l yc i r c u i tt e s ts y s t e m ) a n ds i n g l es o u r c eh i g h - c u r r e n tt e s ts y s t e ma r e e s t a b l i s h e d t h e s et e s t sa sf o l l o w i n gh a v eb e e nd o n e ，n o r m a ls t a r t i n g ，s y n c h r o n i z i n g a n dc l o s i n g ，c u r r e n t r l i m i t i n gt e s ti nd o u b l es o u r c ea n dw e a kc i r c u i tc o n d i t i o n s ，a n d n o r m a le n a b l e m e n t ，b u r n - i nt e s t ，m o d i f yd e f i n i t ev a l u ec u r r e n t l i m i t i n gt e s t ，n o l o a d c u r r e n t l i m i t i n gt e s t t h er e s u l t so ft h e s et e s t sh a v eb e e nd e t a i l e da n a l y z e d i tp r o v e s 浙江大学硕士学位论文 t h a tt h es s f c lh a v ef a v o r a b l ec o n t r o lp e r f o r m a n c ea n d c u r r e n t l i m i t i n ge f f e c t i v e n e s s d u r i n gi t sn o r m a ls t a r t i n g ，o p e r a t i o no ro na c c i d e n tc u r r e n t l i m i t i n gc o n d i t i o n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s s f c l ) ，c o n t r o ls t r a t e g y , b i d i r e c t i o n a lc u r r e n t ，s h o r tc k c u i ta c c i d e n t 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着近年来电力系统规模的不断发展、壮大，其短路容量迅速增加，许多地 区特别是经济发达地区电网的短路电流水平已经接近甚至超过目前在运断路器 的遮断容量【1 1 1 2 1 3 1 ，给电力系统的安全稳定运行埋下严重隐患，因此如何采用有 效的限流技术以限制短路电流，已成为目前电力系统中需要解决的迫切问题。另 一方面，将短路电流限制到较低的水平，还可有效降低系统中各电气设备的设计 容量，因此具有极大的经济价值与社会意义。 1 1 电力系统短路故障及其危害 电力工业是保证国民经济发展的重要基础产业，电力系统的安全稳定运行， 是国民经济持续发展的根本保证。然而，由于受到电力系统自身原因和外部干扰 的影响( 包括自然灾害和人为因素如误操作、蓄意破坏等) ，电网事故时有发生， 不但使电力企业的经济效益受到损失，而且对电力用户和整个社会都造成严重 的影响。世界各国都发生过因电力系统稳定遭破坏而导致大面积停电的重大事 故，如1 9 9 6 年7 8 月美国西部接连2 次大停电事故，美国总统认为停电事故已 “危及国家安全”；2 0 0 3 年下半年在北美和加拿大、英国伦敦、瑞典丹麦、意大 利先后发生的大面积停电事故，更是震惊世界。特别是2 0 0 3 年8 月1 4 日的长达 3 0 小时的美加大停电事故，其影响波及2 4 0 万平方公里、5 0 0 0 万人口的供电范 围，造成了每天3 0 0 亿美元的巨大经济损失，白宫将这次事故与“9 1 l ”并提。 近2 0 年来，我国各大电网也发生过1 0 0 余起的大停电事故，每次都造成了相当 大的社会影响和数亿元以上的经济损失。 在电力系统可能发生的各种故障中，对电力系统运行和电力设备危害最大、 危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电事故而且发生概率较大的首推短路 故障。所谓短路故障是指正常运行情况以外的相与相之间或相与地( 或中性线) 之间的接通。发生短路故障的主要原因是：电力设备绝缘损坏：运行人员误操作。 三相交流电力系统中，短路故障的基本类型有三相短路、两相短路、单相接地短 路和两相短路接地。 发生短路时，短路点及附近电力设备流过的短路电流可能达到额定电流的几 倍至卜几倍，可能引起导体及绝缘体的严重发热而损坏；短路刚开始电流瞬时值 浙江大学硕士学位论文 达到最大时，电力设备的导体间将受到强大的电动力，如果结果不够牢固，可能 引起导体或线圈变形以致损坏；短路时电力网的电压突然降低，电路点附近电压 下降的最多，会影响用户用电设备的正常工作，首先受影响的是异步电动机，电 压低于7 0 以下时转速急剧下降以至停转，造成产品报废甚至设备损坏；短路 故障最严重效果是并列运行的发电机失去同步，引起系统解列，大面积停电；另 外不对称短路时架空线路中不对称电流所产生的磁通，会在邻近平行架设的通信 线路上感应出相当大的电势，轻则产生通信干扰，重则危及通信设备和人身的安 全【4 】【5 1 。 1 2 限制短路电流的常规措施 为有效抑制短路故障给电力系统及其用户带来的巨大危害，保证电力系统运 行的安全性、可靠性和稳定性，改善电能质量，必须采取行之有效的方法限制短 路电流与切断故障线路。通常可从电网结构、系统运行方式和设备三方面考虑限 制短路电流与切断故障线路的措施，常规或传统的措施归纳起来主要【6 】f 7 j 嘲： a 发展高电压等级的电力系统，将低电压等级电力系统解列分片运行。这 种措施可以有效抑制系统短路( 电流) 容量，但将降低电网供电可靠性和运行灵 活性，同时建造高一级电压的主环网不仅复杂、造价昂贵，而且涉及到环境电磁 污染问题。 b 采用多母线运行或母线分段运行，对控制短路电流增长也很有效。但并 非电网发展的趋势，不能实现电网能源的最优配置。 c 在电力系统互联时，尽量减少互联网络的紧密性，如采用直流联网等。 但是直流联网时其两端换流设备的投资很大，如联络线不长，交换功率不大，这 种办法往往不经济。 d 从设备方面考虑，可以采用安装串联电抗器、高阻抗变压器、分裂电抗 器、分段电抗器和出线电抗器等多种方式。但是，这些措施都在一定程度上给系 统带来了负面影响，如压降损耗增大、存在操作振荡和过电压隐患等。 e 采用熔断式保护器。该措施对切断短路电流起到积极作用，但其反应速 度较慢，不利于电网的稳态稳定和暂态稳定，且对电网的瞬间电动力没有任何抑 制作用；另一方面，熔断式保护器一般是一次性的，给电网的维护以及自动化带 来不便。 浙江大学硕士学位论文 f 采用大容量断路器。从现代电力系统及其技术发展来看，这种方案存在 一定的局限性，因为研制超大容量断路器在技术上存在相当的难度。另一方面， 断路器的遮断容量也是有限制的，一般认为系统短路电流和断路器设备遮断容量 太大是不经济的。 以上几种限制短路电流的手段从原理到应用方式上都有所不同，采用每一种 手段限制短路电流的效果也有差别，都可以不同程度上实现对短路电流的约束和 限制。但与此同时，它们又存在着各自的缺陷和不足，并以另一种形式对电网产 生了不利的影响。采用变换主接线形式和运行方式等手段会降低电网的供电可靠 性和灵活性；同时，增大了的系统阻抗在正常运行时也使电网的有功及无功损耗 增加：采用加装线路限流电抗器或是增加变压器阻抗同样不能避免在系统正常运 行时消耗大量无功功率，降低电网无功功率裕度。此外，增加运行阻抗也会降低 线路功率输送的能力，或在相同输送功率下减小系统同步稳定裕度。可以讲，以 上限制短路电流的手段或多或少都是以电网在其他方面指标的让步和牺牲为代 价的。因此，采用常规或者传统的限流措施都存在这样或者那样的问题，已经很 难满足现代电力系统发展的需要，因此有必要寻求新的方法来解决现代电力系统 短路电流日益增大的问题。 1 3 短路限流器的发展状况 上述可知仅仅依靠采用传统的限制短路电流的措施，己不能完全解决上述短 路电流超标的问题。因此。寻找有效的短路限流措旌，以限制电力系统的短路容 量，从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担，提高其工作可靠性和使用寿 命，提高电力系统的运行可靠性，已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力 建设、发展的迫切问题。 由于传统的限流措施基本上是采取串联普通限流电抗或增大变压器漏抗，存 在较大的压降以及易于激发系统的暂态振荡等方面的缺点，因此其应用受到了极 大的限制。基于此，上世纪7 0 年代就有人提出了短路限流器，或称故障电流限 制器( f c l - f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，或c l d - c u r r c n t l i m i t i n gd e v i c e ) 。美国电 力科学研究院( e p r i - - 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 ) 在上个世纪9 0 年代 初期，成立了一个专门的调查组织，面向电力系统和电力用户，针对电力系统短 路电流及其抑制，做了一个深入的调查研究，研究报告认为研发故障限流器( f c l 浙江大学硕士学位论文 一f 蛐nc u r r e n tl i m i t e r ) 势在必行；国际大电网会议组织在1 9 9 6 年成立了专门 的工作组( c i g r ew o r l f i n gg r o u p a 3 1 0 ) 开始进行限流器的规范化研究。 一种能应用在电力系统中的限流器装置至少应具有如下特性： 线路正常运行时，限流装置应对供电线路无任何( 不利) 影响； 线路发生短路故障时，限流装置应能立即投入工作并有效地限制短路电 流至符合当地电网及电气设备安全的合理值。 当系绕保护装置切除短路故障时，限流装置应不会弓l 起系统暂态振荡和 过电压； 有利于改善重合闸操作； 能实现方便快捷的多次动作目标； 合理的成本价格。 从上世纪8 0 年代起，特别在9 0 年代，先进国家如美国、瑞典、日本等都投 入巨资积极开展短路限流技术研究和限流器的研制工作，取得了一些有实际应用 价值的成果p 1 2 1 。我国开展新型短路限流技术的研究工作始于上世纪9 0 年代初， 虽比国外发达国家略晚，但也取得了一系列令世人瞩目的科研成果，如中科院电 工所在超导限流技术方面研究成果、浙江大学在新型固态限流技术方面的研究成 果、华中科技大学在谐振短路限流技术方面的研究成果等。下面就目前研究报道 比较多的几种限流器进行简要介绍。 1 3 1 超导型短路限流器 1 3 4 1 6 】 超导体的特点是从无阻态即超导态向电阻态的转变。超导限流器可分为电阻 型和电感型。在电阻型超导限流器中，被保护电网的电流直接流过超导体，而在 电感型超导限流器中，超导体被电感接入电路。超导元件在低于临界温度( 现有 高温超导材料的临界温度约低于零下2 0 0 c ) 及临界电流密度时，其电阻接近于 零：当电流密度超过其临界电流密度时将进入失超状态，其电阻值迅速升高。超 导体具有零电阻性和完全抗磁性，目前，所有的超导故障限流器的工作原理都是 建立在这两个基本特性之上的。 超导限流器具有非故障运行时损耗极小、短路故障时自动失超而限制短路电 流的优点。但是超导限流器仍然存在以下几方面的问题需要解决： 浙江大学硕士学位论文 目前所谓的“高温超导”仍须工作在约低于零下2 0 0 的低温环境下， 因此需要一套附加的低温装置。在这样的超低温环境下，超导限流器的 一些配套电工材料( 铁磁材料、绝缘材料等) 的物理特性是否会发生变 化( 如变脆、老化等) 以及变化规律等目前尚不清楚，需要进行进一步 的研究。需要寻找新的超导材料，具有较高的临界温度。 失超后的超导元件其电阻急剧增大，损耗也随之增大，若不及时切断电 流，必将被迅速烧毁，与其它保护装置实现时限配合具有一定的难度。 超导元件从常态恢复到超导态的时间比较长，一般为几s ，不能满足电 力系统临时故障重合闸的要求。 1 3 2 磁饱和型短路限流器 1 7 - 2 1 】 图1 1 所示为利用磁饱和原理控制元 件阻抗特性的限流器。图中的直流偏磁用 来控$ , j - - 个串联的交流电感磁元件的特性 ( 其中一个正偏，另一个反偏) 。非故障时 由于直流偏磁较大，二个铁芯都深度饱和， 对外表现为极小的电感值，对系统的正常 输出电流影响不大；当系统发生短路故障 时，由于短路电流的作用，使得两个磁元 v n 一直t 图1 1 磁饱和型短路限流器 件分别在正半周和负半周退出饱和，整个限流器表现为一个很大的电感值，从而 把回路中的短路电流抑制在期望范围内。 这类限流器的优点是其结构和工作原理简单，且铁磁元件工作可靠不易损 坏。由于直流偏磁绕组的匝数往往远多于交流绕组，短路时交流磁通将会在直流 绕组中感应出极高的过电压，对电力系统将会造成不良影响；另外由于磁饱和区 域的限制，这类限流器在实际应用中( 特别是大容量应用) 的参数设计和匹配极 其困难；饱和电抗式限流器为保证短路时的限流电抗值，采用了较多的交流线圈 匝数，这样会导致其在非故障情况下运行时的饱和电抗值仍有相当的数值影响 电网运行品质，同时会带来暂态振荡等新问题。 浙江大学硕士学位论文 1 3 3i y r c 电阻短路限流器 p t c ( p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻是一种非线性电阻。室温 时电阻非常低，当温度升高到一值时，电阻阻值可以在微秒时间内增加为高阻值， 从而起到限制故障电流的作用。利用p t c 电阻的这种特性研制的故障限流器在国 内外低压领域已有商业应用。p t c 电阻限流器是由能导电的活性物质和金属或非 金属填充物构成的合成物，在电路正常运行时电阻小压降低，产生的焦耳热损耗 不用专门的散热设备处理，通过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热 平衡；当发生过流或短路时电流增加超过临界电流值，引起p t c 电阻发热膨胀， 热量来不及散发使电阻温度迅速增加，p t c 电阻阻值在胛时间内增加为高电阻 值，从而起到限制故障电流的作用，在美国海军新型战略舰上已得到相关应用。 由于p t c 电阻固有的电压和电流额定值不高，必须串并联使用，这限制了 其在高压系统中的应用。此外，p t c 电阻在温度升高时电阻值瞬时增加到室温电 阻的近一兆倍，在限制感性电网电流时会产生很大的过电压，因此在p t c 电阻 两端必须并联限制过电压的保护设备。p t c 电阻在限流过程中会膨胀，必须采用 特殊的连接设备和充分考虑连接设备的热的和机械的强度。p t c 电阻在每次限制 短路电流故障被切断后，需要好几分钟的恢复时间，并且这种限流器在使用多次 后也会导致性能变坏，必须更换。这些p t c 电阻的不足导致了其应用的局限性。 1 3 4 谐振式短路限流器1 2 2 】 由电感l 和电 容c 组成的谐振电 路，其等效阻抗z 在谐振态和失谐状 态下可以有很大的 七殍 图1 2 谐振式短路限流器 差异。采取适当的控制措施，可使其在谐振或失谐状态下工作，并使其在系统正 常情况下呈现低阻抗，而在系统发生短路故障时阻抗迅速增高，从而达到正常情 况下基本不影响系统运行、故障情况下限制短路电流的目的。 谐振式短路限流器可以有多种形式，图1 2 ( a ) 和图1 2 ( b ) 分别为较为典 型的串联型和并联型谐振式短路限流器的原理图。图1 2 ( a ) 所示串联型谐振式 浙江大学硕士学位论文 短路限流器的工作原理是：在非故障状态时l z c 对电网频率串联谐振( 也可以略 成容性以补偿无功) ，等效串联阻抗接近于零；短路发生时，快速触发导通一对 反并联的s c r 将电容c 短接，从而将电感l ( = l l + l 2 ) 串入短路回路，达到限 制短路电流的目的。图中l 1 是一个小值电感，其主要作用是当触发s c r 导通“短 接”电容c 时限制电容放电电流，以保护s c r 免遭损坏。图1 2 ( b ) 所示并联 谐振式短路限流器的工作原理是：在非故障状态下一对反并联的晶闸管( s c r ) 断开，电容串入供电回路( 其值可按所须补偿的无功功率选择) 。当系统发生短 路时，一对反并联的晶闸管迅速触发导通，使电感l 与电容c 组成并联谐振电 路，其等效阻抗迅即增大，从而达到限制短路电流的目的。 谐振式短路限流器的优点是其结构和工作原理都非常简单，但是在系统发生 短路故障时都需快速触发电子开关( 如s c r ) 以使其等效阻抗迅速从低阻抗转 换至高阻抗，这就要求监测控制系统有极快的响应速度，稍有延迟短路电流仍将 冲至很大的值。而s c r 等电子开关的滞后导通将有可能使其因承受过高的短路 电流而损坏。另一方面，对监控系统而言，高灵敏度的要求常常会使其抗干扰性 及可靠性降低。此外，由于谐振式限流器引入了l 、c 元件，必然增加系统的阶 数，不但使系统暂态稳定分析更加复杂，而且大大增加了系统受到如短路故障等 扰动时的暂态振荡和过电压的可能性，甚至引起新的暂态稳定问题。从而大大增 加了系统设计和分析的难度。 此外，谐振式限流器虽然在原理上似乎可行，但在实用上还存在实际参数设 计困难的问题。以图1 串联型谐振式限流器为例，假设限流后要求稳态短路电流 为2 0 0 0 , 2 ( 有效值) ，则三相短路时要求每相串入短路限流阻抗x 工应为： x ，= 掣- 0 1 6 ( f 1 ) 2 0 0 0 4 2 则可求得正常情况下的谐振电容为： l 1 1 x f2 玄“却。1 6 ( 妨3 “意2 而；南而= 0 0 1 9 8 9 4 9i f ) = 1 9 8 9 4 ( t f ) 显然，每相需要这么大的电力电容在实用上是很难实现的1 1 3 5 固态短路限流器 浙江大学硕士学位论文 由于近十多年来大功率固态器件飞速发展，以 及他们在电力系统中的推广应用1 2 m 6 】( 如f a c t s 装置，h v d c 系统等) ，固态短路限流器已经成为 当前研究开发最受关注的热点之一。 图1 3 为美国e p 砌在9 2 年推荐的固态限流器 的原理图。非故障时一对反并联的g t o 导通将电 图1 3 固态短路限流器 感l 短接。短路故障时，g t o 快速关断使电感l 串联于短路回路限流。 由于短路时最大短路电流出现在第一个峰值点，因此要求监控系统必须在远 早于第一个短路峰值电流到来之前以极快的速度将g t o 可靠关断，否则未经限 流的短路峰值电流必将导致g t o 损坏，这就要求监控系统有极高的灵敏度和可 靠性。同时当g t o 将其数量极大的短路电流强制关断并转移至与之并联的电感 l 中时，也将引起极高的d u d t 和过电压，如果没有可靠的限制措施必将危及与 之相关的绝缘。事实上，大容量g t o 在大电流下的强制关断，其技术难度亦相 当大。 1 4 本文内容 本文以所研制的4 0 0 v 2 5 0 a 双向潮流固态限流器为基础，对固态短路限流 器在双向潮流情况下的应用进行了较为深入的研究。第一章综述目前国内外限流 技术及限流器的研究发展状况；第二章首先分析了新型固态短路限流器的主电路 拓扑结构及其工作原理，进而探讨双向潮流倩况下固态限流器的拓扑结构、控制 策略、启动预充磁以及启动暂态过程对系统的影响，并给出相应解决方案；第三 章对双向潮流l 司态限流器的一次系统、二次控制系统及其控制软件的设计进行说 明：第四章建立多电源仿真模型，对固态限流器在双向潮流情况下的正常启动、 三相和两相短路进行了仿真研究；第五章在建立的双电源小模型试验系统、单电 源大电流试验基础上，分别进行了固态限流器在双电源、小电流情况下的正常启 动、同期并网、短路试验，和在单电源、大电流情况下的正常启动与考机运行试 验、改变定值模拟短路试验及实际空载短路试验，并对试验结果进行了较为详尽 的分析，证实了所设计的固态限流器在正常启动、运行以及故障限流情况下都有 良好的控制性能和限流效果。 浙江大学硕士学位论文 参考文献 1 】傅霞飞，张正陵，陈坚，李继升，华中电网未来短路电流水平及控制，1 9 9 4 ， 1 8 ( 5 ) ：2 3 - - 2 7 【2 】范海虹，江苏电网的短路电流水平预测分析，华东电力，2 0 0 0 ，( 1 ) ：2 4 2 5 3 】郑惠萍，晋中地区电网现状分析，山西电力，2 0 0 2 ，( 4 ) ：5 3 5 5 【4 韩祯祥主编，电力系统分析，浙江大学出版社，1 9 9 3 【5 】刘万顺，电力系统故障分析，水利电力出版社，1 9 9 4 【6 】李继红，黄良宝，徐谦，等，一种降低短路电流水平的措施母线分裂运 行，电力系统自动化，2 0 0 1 ，1 4 ( 1 ) ：6 2 6 3 【7 】高凯平，限制短路电流的方法，电力安全技术，2 0 0 0 ，2 ( 3 ) ：5 4 【8 】赵华勇，限制城网短路电流的措施，供用电，2 0 0 1 ，1 8 ( 4 ) ：2 0 一2 1 ，2 7 【9 】e d d i em l e u n g s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r s i e e ep o w e r e n g i n e e r i n gr e v i e w ，a u g u s t2 0 0 0 ：1 5 1 8 【i o k r e u t zr ，b o c kj ，b r e u e rf ，j u e n q s tkp ，k l e i r n a i e rme ta t s y s t e m t e c h n o l o g ya n dt e s t o fc u r l1 0 ，a1 0k v ，1 0m v ar e s i s t i v eh i g h t c s u p e r c o n d u c t i n gf a u l t c u r r e n tl i m i t e r i e e et r a n so n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y ，2 0 0 5 ，1 5 ( 2 ) ：1 9 6 1 一1 9 6 4 【1i s c m u k h o p a d h y a y ，f p d a w s o n ，m 1 w a h a r a ，e ta 1 an o v e lc o m p a c t m a g n e t i cc u r r e n tl i m it e rf o rt h r e ep h a s ea p p li c a t i o n s i e e e t r a n s a c t i o n so fm a g n e tj c s ，v 0 1 3 6 ，n o 5 ，s e p t e m b e r2 0 0 0 ：3 5 6 8 3 5 7 0 【1 2 j i njx ，d o usx ，g r a n t h a mc ，e ta 1 ，e l e c t r i c a la p p li c a t i o no fh i g h t c ，s u p e r c o n d u c t i n gs a t u r a b l em a g n e t i cc o r ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r ， i e e et r a n so na p p l je ds u p e r c o n d u c t i v i t y ，1 9 9 7 ，7 ( 2 ) ：1 0 0 9 1 0 1 2 1 3 】叶莺，肖立业超导故障限流器的应用研究新进展电力系统自动化，2 0 0 5 ， 2 9 ( 1 3 ) ：9 2 9 6 1 4 1 叶林，林良真，超导故障限流器的电力应用研究进展，电力系统自动化，1 9 9 9 。 2 3 ( 7 ) ：5 3 5 7 u 5 肖霞，李敬东，叶妙元，唐跃进，程时杰超导限流器研究与开发的最新进 展电力系统自动化，2 0 0 1 ，2 5 ( 1 0 ) ：6 4 - - 6 8 9 浙江大学硕士学位论文 1 6 l e u n gem ，b u r l e yb ，h a l d a rp ，e ta 1 ，d e s i g n d e v e l o p m e n to fa1 5 k v ， 2 0 k ah t sf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ，i e e et r a n so n a p p l i e d s u p e r c o n d u c t i v i t y ，2 0 0 0 ，1 0 ( 1 ) ：8 3 2 8 3 5 【1 7 】魏亚南，陈乔夫，李达义，柯建兴基于磁通补偿的故障电流限制器电力 系统自动化，2 0 0 3 ，2 7 ( 1 ) ：4 2 - - 4 4 【1 8 1 s j y o u n g ，f p d a w s o n ，s y a m a d a ，e ta 1 m a t e r i a la n dd e s i g n r e q u i r e m e n t s f o ram a g n e t i cn e wo r e a n s ，l o u i s i 8 h a ，o c t o b e r5 - 9 ， 1 9 9 7 ：1 1 5 9 1 1 6 5 【1 9 1 s c m u k h o p a d h y a y 。m 1 w a h a r a ，s y a m a d a ，e ta i i n v e s t i g a t i o no f t h ep e r f o r m a n c e so fap e r m a n e n tm a g n e tb i a s e do nf a u l tc u r r e n tl i m i t i n g r e a c t o rw i t has t e e lc o r e i e e et r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c ，v 0 1 3 4 。n o 4 ，j u l y1 9 9 8 ：2 1 5 0 2 1 5 2 【2 0 m 1 w a h a r a ，s c m u k h o p a d h y a y ，f p d a w s o n ，e ta 1 d e v e l o p m e n t p a s s i v ep a u l tc u r r e n t l i m i t e ri r lp a r a l l e l b i a s i n gm o d e i e e e t r a n s a c t i o n so nm a g n e t i c ，v 0 1 3 5 ，n o 5 ，s e p t e m b e r1 9 9 9 ：3 5 2 3 3 5 2 5 【2 1 s c m u k h o p a d h y a y ，f p d a w s o n ，m 1 w a h a r a ，e ta 1 a n a l y s i s ，d e s i g n a n de x p e r i m e n t a lr e s u l tf o rap a s s i v ec u r r e n t1 i m i t i n gd e v i c e 1 e e e p r o c 一e l e c t r p o w e ra p p l ，v o 1 4 6 ，n o 3 ，m a y1 9 9 9 ：3 0 9 - 3 1 6 【2 2 1 3 g 。k a r a d y p r i n c i p l e so ff a u tc u r r e n t1 i m i t a t i o i lb yar e s o n a n t l cc i r c u i t i e e ep r o c e e d i n g s c ，v 0 1 1 3 9 ，n o 1 ，j a n u a r y 1 9 9 2 ：1 6 【2 3 1 梅军，郑建勇，胡敏强，柴继涛，吴恒荣基于i g b t 软关断的混合式限流 断路器结构与分析电力系统自动化，2 0 0 4 ，2 8 ( 1 8 ) ：5 9 6 2 【2 4 】陈刚，江道灼，吴兆麟固态短路限流器的研究与发展电力系统自动化， 2 0 0 3 ，2 7 ( 1 0 ) ：8 9 9 4 【2 5 1 赝 雪松，向龙瑞，马幼健，徐晓宁故障限流装置的发展和应用电工技术 学报，2 0 0 4 ，1 9 ( 1 1 ) ：l - - 6 【2 6 】曾琦，李兴源，蔡鑫贵，王建带串联补偿故障限流器的仿真和试验电力系 统自动化，2 0 0 3 ，2 7 ( 1 4 ) ：5 4 5 6 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态限流器主电路拓扑及原理 浙江大学于上世纪九十年代中开始进行短路限流技术的研究，至今已有近十 年的历史，并曾获得国家自然科学基金的支持，先后发展了直流短路限流技术、 交流短路限流技术、新型桥式固态限流技术【j q 】；在此基础上又发展了变压器耦 合三相桥式限流器h - 4 1 、带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器等【7 9 1 ，并获得 了多项专利技术成果【m 1 4 】。在此基础上运用新的控制策略成功研制了运用于双 向潮流情况下的带旁路电感变压器耦合三相桥式限流器。 2 1 新型固态限流器的原理 图2 1 所示为新型固态短路限流器 单相直接耦合无旁路电感的拓扑结构原 理图。s l s 4 为晶闸管，构成一个全控 桥路。正常工作条件下，s 1 、s 2 作为固 态开关控制负载电流i 在正负半波的正 常导通，s 3 、s 4 常加触发脉冲导通，电 感电流i l 可经s 3 、s 4 续流流通。限流器 图2 1 新型固态限流器单相拓扑结构 投入时，电源u 对限流电感l 进行短暂的充磁过程，电感电流i l 即可达到负载 电流峰值。由于电感电流i l 流过晶闸管s 3 、s 4 时存在损耗，因此续流过程中电 感电流i l 会逐渐下降，但由于限流电感在负载电流峰值附近将自动重新短时间串 入主回路充磁补偿桥路上的损耗，限流电感电流i l 基本保持在负载电流峰值水 平，类似于一个稳流电源。s 3 、s 4 常触发保持恒定续流导通，在不考虑晶阕管 的压降情况下，限流器呈现零阻抗。 负载侧发生短路时( 以电源电压正半波为例说明) ，电流i 升高至i l 值时s 3 截止，电感l 立即自动串入短路回路限制了短路电流的上升速率及其最大峰值， 只要及时封锁s l 、s 2 的触发脉冲，则最多在半周波( 1 0 i n s ) 左右时间内，当短 路电流过零时s l ( 以及s 2 ) 关断，短路故障被迅速切除，而较大的电感电流经 s 3 、s 4 续流而短接，不会产生过电压。 通过控制s l $ 4 各管的触发脉冲即可控制桥路工作在整流或逆变状态。在 浙江大学硕士学位论文 短路时可控制使其工作在逆变状态使电感中的能量反馈至电网，使得i t 迅速下降 到零。并且恰当控制桥路各管的触发角还可调节稳态短路电流的大小以及满足时 限配合保护的要求。当系统需要软重合闸操作时，s 7 、s 8 触发脉冲常加，s l s 6 晶闸管组成的三相桥臂采取1 2 0 度导通角的触发方式，脉冲控制角从一个较大的 角度开始控制，使重合闸以较小的电流开始，再逐步减小触发角直至正常工作， 使电感电流按照需要的速率上升，以消除重合闸时可能带来的大电流对系统的冲 击。如上所述该限流器有以下特性： 无论限流电感多大，在正常运行时不会产生附加压降，即其等效阻抗几 乎为零； 发生短路时，限流阻抗立即自动插入( 无需保护电路响应) ； 断开时该限流器阻抗自动被二极管短接，不会引起瞬态振荡及过电压； 限流电抗值可根据短路限流要求独立选定，不受其他因素制约，有极大 的自由度； 既可在l o m s 左右快速断开已被限制的短路电流，也可在较长时间内流通 低水平的稳态短路电流以满足各种保护时限配合的要求； 可以实现无冲击的软自动重合闸； 将三组单相桥式限流器分别接入三相系统中运行，即可构成控制完全独立， 具有控制加简单、灵活，在不对称短路故障情况下，可以保证非故障相不受故障 相的影响等优势。但由于成本及加工制造困难等因素，不具有实用价值。下面将 单相桥式限流器拓扑结构加以变换，得到运用于三相系统情况下的固态限流器拓 + s 7 + s 1 + s 31s 5 ( a ) 三相不接地系统周态限流器拓扑 ( b ) 三相接地系统固态限流器拓扑 图2 2 三相系统同态限流器拓扑 扑结构，如图2 2 所示。 三相系统固态限流器的稳态工作原理和前面所述的固态限流器的基本拓扑 浙江大学硕士学位论文 很相近。正常工作条件下，s 1 s 6 按各相电流轮流导通1 8 0 度方式工作，s 7 、 s 8 常触发导通为限流电感l 提供续流回路，在不考虑晶闸管压降和电感损耗的 情况下，限流电感l 被三对晶闸管桥臂短接，限流器对系统呈现“零”阻抗。 限流器切断故障电流的方式有：续流式、逆变式以及逆变续流混合式三种。 续流式为检测到短路发生后，将整流桥中的s 7 、s 8 管触发导通，同时封锁故障 相对应的桥臂的触发脉冲，电感电流通过s 7 、s 8 续流导通消耗其中储存的能量， 但是这种方式不利于限流器软重合闸功能的实现：逆变式为检测到短路发生后， 是桥路工作在逆变状态，将储存在电感中的能量反馈给电网，切断故障电流，有 利于减轻续流管s 7 、s 8 在故障限流和断流过程中的负担，但是对控制系统的要 求较高，控制策略相对比较复杂，要求准确判断故障类型并精确控制触发脉冲； 混合式控制为结合了续流和逆变式的一种折衷方法，故障发生后进行逆变和续流 联合控制，目的是使短路电流快速简便的得到限制，实际试验时采用这种故障电 流的瞬断方式。系统发生单项接地故障时，限流器按正常方式工作，但提示单项 故障信息：系统发生两相以上的短路故障时，停止对s 7 的触发脉冲，通过控制 改变三相桥路晶闸管的触发方式，限流电感串入系统回路，限制短