（电力系统及其自动化专业论文）新型固态短路限流器在系统中应用的仿真研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s tr a c t a l 彻gw 妯t 1 1 ee l e c 订i c a lp o w e rs y s t e ml m c e a s i n gd e v e l o p m e m ，t h ep o w e rp e ru 1 1 i t ，廿1 e s u b s t a t i o nc a p a c 吼t h es 倒o nc 印a c 慨t h ec n ya n dt h ei n d u s 仃i a lc e n t e rl o a da i l dt l e1 0 a dd e n s i t y c o m i n u e st oi n c r e a s ea sw e l l a s 吐l ep o w e rd i s m b u 廿o nn e t w o r ku n c e a s i n gd e v e l o p n 他n t ，t h e s h o r t - c i r c u i tc u r r e n ti e v e le n h a n c e s u n c e 船i n g l y i tw i l l b r i n g h i d d e nt r o u b l e st o t 量1 e s e c u r i t y ，s t a b i l i t y ，c r ed i b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m s c o n v e n t j o n a lc u r f 它n tl i i r l i t e r sg r a d u a l l ys h o w t h e i r1 i m n “o na n dc a nn o tn tt h er e q u e s to f h i 曲p o w e r q u a 】l 吼s oi ti sn e c e s s a r yt os m d yo n 血e n e ws 够l ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r s ( f c l ) t h ez h e j i a n gu n i v e r s 时e i e c t r i c a l e n g i n e e r i n gi n s t i t u t el n d e p e n d e n td e v e l o p m e n th a s d e v e l o p e dt h en e ws t y l ef 扎hc u 丌n tl i m i t e r s ，t h et r a n s f o 啊e rc o u p l i n gs o l i ds t a t ef h u l t tc u r r e n t l i m i t e rh a da i r e a d yc o m p l e t e dt 1 1 et h e o l yp r o o a l s op a s s e d 廿l ec o r r e l a t i o nu n i t s 印p r o v a ii 1 1m i s f o u n d a t i o np r o j e c t ，a n da i m sa t 缸s o m ei n h e r e n t 们a w st o p r 。p o s ea n dl oh a v er e a l i z e dt h e t r a n s f o r m e r c o u p l i n g s o l i ds t a t ef 抽l nc u r r e n ti i m l t e r w i mb y p a s si n d u c t a i l c et h e o r i e s a u t h e n t ；ca l i o n t 1 1 en e ws t y l ef a u l tc u r r e n t 】i m i t e r sd e v e l o p m e n t sw o r kr e l a t i v ea l r e a d yq u t ew 船 m a t u r e ，f o l l o w i n gw a si ti nt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mt 1 1 ea p p l i c a t i o na s p e c tr e s e a r c h ，b u ta l s o w a ss h o r tl nv i e wo f t h i sa s p e c tr e s e a r c hf o rt h ep e o p l ed i s c u s s e s t h ep r e s e n tp a p e ri nh a sa n a l y z e dd o m e s t i ca n df o r e i g l lr e i a t e dc u ”e n m j t j n gt e c h n i q u e ， f a u l tc u r r e n t1 i m i t e r s r e s e a r c hf i n d i n g sa n di no u rc o u n t 哆e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m p r e s e n t s i t u a t i o nf o u n d a t i o n s ，t a k et h el a b o r a t o r yd e v e l o p m e mn e ws t y l es o l i ds t a t ef a u l tc u n n t1 i m h e r s a st h ee x a r n p i e ，s t l i d e si ti nt h ee l e c t r ；c a ip o w e rs y s t e ma p p l i c a t i o ns o m e 聘l a t e dq u e s t i o n s t h e p a p e r 厅r s tc h a p t e rs u m m a r i z e do u rc o u m r ye l e c t r i c a lp o w e rs y s t e md e v e l o p m e n tp r e s e n ts i t u a t j o n a n d 廿l ed o m e s t i ca n df o r e i g r i c u r r e n t - l i m i h n gt e c h n i q u er e s e a r c hp r o g r e s s ，s e c o n dc h a p t e rh a s c a r r i 。do “t h 。a n a l y s i sc o m p 盯i s o nt ot l l en e ws o l i ds t a t ec u r r e n ti i m i t e rt h f e ek i n d 0 f t o p 0 1 0 舒 a n dj t si n d u c t a l l c ed e s i g nm e t h o d ，n ma f t e rc h a p t e r h a sd i s c u s s e dt h ec u r r e n tl i m i t e r i 括e l f b r e a k d o w n ，t oe i e c t r i c a lp o w e rs y s t e ml o a di n n u e n c e ，s h o r tc i k u i ta c c i d e m ，f o u r t hc h a 口t e rb 船e d o “。i 。u i tb r e a k e rm a ”m o d e l ，t 1 1 en e ws t y l es o l i ds t a t ef a u i t c u r r e n tl i m i t e r sr e g a r d i n gc r c u i t b r e a k e rt h e1 s i e n tr e c o v e r y 、，o l t a g ei n f l u e n c e s ，f i f mc h a p t e rs 啪m a r i z e st 1 1 ef 1 1 t e x t ，a n dh a s c a r r i e do nt l ef o r e c a s tt ot h en c x tt h en e ws t y l es o l i ds t a t ef a u l tc l l r r c n ti j m i t c r sr e s e a r c h d i r e c t i o n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s h o r tc u r r e n t ，s o l j d 蛐f 孤nc u r r e n tl i m j t e ，t o p o l o g i c a ls 打c t u r e ， 浙江大学硕士学位论文 t r a n s i s t o r s b r e a k d o w n ，c i r c u i tb r e a l ( e r ，t r a n s i e n tr e c o v e r yv o l t a g e 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力系统的发展及短路电流现状 近年来，国际电力市场形势非常紧张，部分国家出现了大停电或者限电的局面，我国也 不能幸免，特别是华东地区在近两年经济的高速发展已经受到电力供应不足的严重制约，越 来越多的企业笼罩在缺电恐慌的阴影中，拉闸限电在更大的范围蔓延，电力行业受到了越来 越多的重视。 2 0 0 5 年电力行业生产能力继续高速增长，截止0 5 底，全国发电装机容量己达到5 亿千 瓦。发电量达到24 万亿k w h ，发电装机容量和发电量从1 9 9 6 年起一直位居世界第二位。 预计到2 0 1 0 年，中国发电机容最将超过7 亿千瓦：2 0 2 0 年将到到1 0 亿千瓦左右。中国已 经成为世界上名副其实的电力生产和消费大国。近两年，中国政府提出了在2 0 2 0 年全面建 设小康社会，这对电力工业的发展速度和质量提出了更高的要求，电力系统安全稳定运行则 是实现这发展的重要前提和保证。川 随着电力系统的不断发展，单机和发电厂的容量、变电所的容量、城市和工业中心的 负荷和负荷密度的持续增大以及配电网络的不断发展，一方面使得短路电流的水平越来越 高，增加了系统设备如断路器等的配置容量；另一方面增加了对系统短路故障的保护配合和 处理难度，给系统中一些设备的的安全、稳定和可靠性埋下了严重的隐患，在一些地方成为 电网改造、建设发展中难以逾越的难题。 2 0 0 5 年华东电网短路电流计算结果显示，如果采用正常接线方式，华东电网5 0 0 k v 瓶 窑、斗山、南桥、黄渡、兰亭等一些老变电所将超过或者接近5 0 k a ，这些变电所大多是系 统的枢纽或重要的中间变电所。初步计算结果显示，在不采取措施的情况下到2 0 1 0 年华 东电网内将有石碑、乇店、杨行、徐行、武南等5 0 0 k v 变电所短路电流水平将接近或者超 过6 3 k a 。 浙江有些地区如杭州、绍兴，需要从主网受进大量电力，因而瓶窑、兰亭两个变电所要 投三台主变，结果使这两个变电所2 2 0 k v 母线的短路电流过高，已经超过或接近额定值。为 了降低短路电流，电网需要分层分区运行或采取其他措施。如瓶窑变电所2 2 0k v 母线已于 1 9 9 9 年开始分列运行，兰亭变电所2 2 0k v 母线的分列运行正在准备之中。”但是分列运行 只是临时解决解决短路电流超标的种选择，其对系统的潮流会产生一定的影响，要从根 渐江大学硕士学位论文 本上解决短路电流超标问题还是要从规划和设备选型上入手，在满足安全稳定前提下，兼顾 短路电流问题，彻底解决电网短路电流超标问题。 短路电流过大会产生以下后果：9 ” 1 通过故障点的很大的短路电流，即使短路电流通过的时间很短，也可使设备和导体过 分发热，引起设备烧毁或者绝缘损坏。而且可能引起架空线路故障点破坏加剧，绝缘体破损， 导体严重发热，埋地电缆的损坏更严重并危及其它电缆使修复时间增长，延长停电时间： 2 短路电流通过电力系统时，设备和导体还会受到巨大的电动力作用，使设备导体发生 变形，甚至损坏： 3 发生不对称短路时，故障电流通过输电线产生不平衡的磁场，在邻近的电路内感应出 很大的电动势，这对架设在高压电力线路附近的通信线路或其他信号系统发生干扰，影响了 正常的通讯i 作： 4 短路电流大幅度增大，不对称短路流入地网电流成正比增加，1 0 k v 铁塔附近的接触 电压和跨步电压也成正比增大，危及人身和牲畜； 5 馈线短路电磁力对变压器的损害有积累效应，短路电流大幅增大以后，多次近区短路 的变压器可能潜伏着损坏隐患： 6 电力系统中部分地区的电压大大降低，特别是靠近短路点处降的很多，馈电网内的电 压降低使用电设备的正常工作受到破坏，不仅是故障线路本身所接的用电设备的正常工作受 到破坏同时还要影响到一些未损坏的线路： 7 由丁短路时系统中功率分布突然发生变化，发电机的输出功率也突然变化，而发电的 输入功率不能立即相应变化，从而使输入与输出功率失去了平衡，这就可能引起并列运行的 个发电机之间失去同步而解列，破坏电力系统的稳定运行。 为了预防上述情况的发生，如果不采取限制措施加以控制日益增高的短路电流，不但使 对新设备的投资大大增大，而且还需要花费大量的投资对旧设备进行改造、改建甚至更换。 因此，为了保证电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，改善电能质量，必须采用行之有 效的方法限制短路电流与切断故障线路。 1 2 常规限制短路电流的措施及分析 通常可以从电网结构、系统运行方式和设备上采取措施考虑限制短路电流与切断故障线 路，从常规和传统的措施归纳起来主要有： 2 浙江大学硕士学位论文 1 发展高电压等级的电网”1 这种措施可以有效降低系统短路电流，不少国家都曾经有过这样的经历，1 9 7 3 年左右 日本2 7 5 k v 电网的短路电流水平增长到5 0 k a ，随着系统发展5 0 0 k v 电网后，2 7 5 k v 电网的短 路电流水平持续下降至1 9 8 5 年的3 4 k a 左右。但是建造高级电压的主环网不仅复杂，而且 工程造价巨大，同时更为严重的是设计到环境电磁污染的问题。 2 低压电网解列分片运行“2 1 在高一级电网发展后将低一级电网解开分片运行，这是降低短路电流比较有效的措施， 但是这项措施直接影响了系统运行的可靠性和经济性，并要求增加整个系统的备用容量，增 加事故概率。 3 母线分裂运行。” 通过对华东电网的瓶窑变和兰亭变的母线分裂运行的可行性分析得知，采用此种方式对 暂时降低系统的短路电流水平有较好的效果。但是此种方式一方面使系统设备承受的潮流不 均，另一个方面母线分裂运行后，其周边电网的继电保护将以分裂情况下的潮流进行整定， 在一些检修方式f ，如分裂母线恢复并列运行，可能对其周边电网的继电保护产生不利影响。 而且可能降低系统的安全裕度。限制运行操作和事故处理的灵活性。 4 采用直流联网4 1 直流联网虽然可以降低系统互联网络的紧密性，使系统的短路电流水平明显降低，但是 两端换流设备的投资非常大。同时如果联络线不长，交换功率不大时，这种方法往往是不可 行的。 5 安装高阻抗变压器、串联电抗器等设备“”1 采用高阻抗变压器已经普遍使用，可以限制其低压侧的短路电流，但是其稳态运行时损 耗很大。采用串联电抗器相当于增加了系统的阻抗，制造串联电抗器在技术上是没有问题的， 对于限制短路电流的效果也是十分明显的，在发电厂厂用电系统和一些低电压等级变电所中 早已采用这项措施，但是如果在超高压系统中采用不但会增加网损，还会降低系统的稳定 性。同时串联电抗器在发生短路故障断开断路器时，还会引起瞬态恢复电压( t r a n s i e n t r e c o v e r yv o l t a g et r v ) 的变化，易将断路器及其他设备损坏。 6 采用低压分裂绕组变压器“ 当发电机容量较大时，可以采用低压分裂绕组变压器，组成扩大单元接线。分裂绕组变 压器在_ u 三常r 作和低压侧短路时其电抗值不同，从而可以起到限制短路电流的效果。 7 采用限流式熔断器 1 浙旺大学硕士学位论文 这种措施对切断短路电流起到了很好的作用，但是其反应速度较慢，不利于电网的稳态 稳定和暂态稳定，而且对短路瞬间时电网的电动力没有任何作用。同时，熔断器一般都是一 次性的，给电网的维护及自动化带来不便。 8 采用大容量的断路器” 目前国际上生产的g i s ( 气体绝缘开关设备，g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ) 仅为1 0 0 k a 最大容量，国内尚无此生产能力，而一些变电站的短路电流水平已经超过了5 0 k a 。而且还 在不断升高中。而且一般断路器的分阐时间约为2 0 一1 5 0 m s ，全开断时间( 包含燃弧时间) 约为1 0 0 一2 0 0 m s ，而故障电流的最大峰值往往出现在第一个半波，采用大参数的断路器，不 仅考虑到其本身的制造难度和造价很高，而且其根本不可能使发、变电设各兔受故障电流峰 值的电动力和热效应的冲击。 以上所分析的常规限制短路电流的措施是目前国内外所采用的较多的限制短路电流方 式，由蚍上分析可知，上面的各种措施从原理到引用方式都有所不同，采用每一种手段限制 电流的效果也有差别，虽然都可以不同程度实现对短路电流的约束和限制。但是与此同时， 其也存在着这样或者那样的缺陷和不足，并以另一种方式对电网产生不利的影响。而随着我 国电力系统的不断发展，短路电流的水平不断上升以上措施已经不能满足现代电力系统发 展的需求，因此有必要寻找新的方法解决电力系统中短路电流不断上升的问题。 1 3 短路限流器的发展状况 基了二上述减小短路故障电流和降低对系统正常运行不利影响的考虑，故障限流器( f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ) 的概念和装置应运而生。近年来，随着电力电子技术以及大容量电力电子 器件如s c r ( 晶闸管) 、g t o ( 门极可关断晶闸管) 、g t r ( 大功率晶体管) 、i g b t ( 绝缘门极 双极晶体管) 等的迅速发展和在实际系统中的应用，以及高温超导技术的发展，使得故障限 流技术得到更好的发展，能在故障情况下迅速将短路电流限制在远低于可能的最大短路电流 值范周内( 限定值可整定) ，以限制系统的短路电流。总的来说，材料犁短路限流器的突出 优点是简单、可靠，但目前材料型f c l 受限制于超导等瓤材料的发展，超导技术在电工领域 的应用还受很多条件的限制，特别在大功率场合的应用技术尚不成熟，在工业化实用方面尚 有一定的距离，其实用化、商品化还远远不能满足作为新产品开发的要求；而电力电子型短 路限流器的突出优点是可控性强，并且现在g t o 等产品价格日益下降，从工程技术上而言， 这种方案己具备了可行性；而其他一些方案诸如采用非线性阻抗等，应用于大功率场所还尚 4 浙江大学硕士学位论文 未成熟。一般认为，可应用的故障限流器应能满足以下几项要求： 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，限流装置应能在较短的时间投入工作并有效地限制短路电 流至设定的合理水平。 当系统保护装置切除短路故障时，限流装置应不会引起系统过电压和暂态振荡： 能满足短路保护时限配合的要求： 有利于改善重合闸的操作； 合理的成本价格。 目前国外，故障短路限流器的研究开发已经取得了非常显著的成绩，在限流理论较为成 熟的基础上，一些样机也已投入实验运行并取得了良好的效果“”。0 1 泛。在广泛的范围内， 故障短路限流器的装嚣开发及其工程化应用研究等等也已成为业内的热门问题。从限流原理 的角度可以将众多的故障限流器划分为若干种类，下面就对本文所涉及的晶闸管桥式固态限 流器相近的超导限流器以及其他类型的故障限流器作简单介绍，从这些主流限流器的限流原 理和t 作特点可以对故障限流器这种新型限流手段有一个基本的了解和把握。 1 3 1 超导故障限流器 超导限流技术是一种全新的技术，它利用超导体的超导正常( s n ) 态的转变，超导 发生s n 转变的电流称为临界电流。系统正常运行时，传输电流在超导线的临界电流以下， 超导体基现一个很小的阻抗，对系统运行无影响：当系统发生短路故障时，短路电流大于临 界电流时，由于超导体的s n 态的转变，超导体“失超”( q u e n c h ) ，由很小的阻抗表现为非 线性高阻抗，以达到限制短路电流的目的。超导故障限流器( s u p e r c o n d u c t i n g f a u l tc u r r e n t l i m “e r ，简称s f c l ) 正是利用超导体的s n 态的转变来限流，并能在较高电压下运行，同 时集检测、转换和限流于一身，能在毫秒级时间内有效的限制电流。 s f c l 具有以f 基本特性“： 具有限制故障电流的能力，一般可将敞障电流限制在系统额定电流的2 倍左右，这 比常规断路器的开断电流小一个数量级； 可集监测、转换、限制于一身，这种限流器的可靠性高： 动作电流值可控； 结构简单、体积小。 浙江大学硕士学位论文 自从2 0 世纪8 0 年代中期发现高温超导体以来，超导限流器的研究在世界范围内已经引 起广泛的关注，每年都有大量相关文献报导”1 3 “。目前超导限流器有多种类型，主要有四种 类型：电阻型、电感型、磁屏蔽型、饱和铁芯型，此外还有其他形式的s f c l 。各种类型的 超导故障限流器的基本原理在许多文章文章中都有综合性介绍，这里就不再陈述。 但是，要将s f c l 实际应用到电力系统，仍然有若干关键问题需要解决。除了提高超导 线材的技术、经济性能，以及冷却系统的效率等一般超导电力装置所共同面临的问题之外， 还必须考虑以下3 个方面的问题“： a 限流水平的设定以及和电力系统现有断路器、继电保护手段相互配合的问题： b 如何移走超导故障限流器在限制短路电流过程中产生的大量的焦耳热董的问题。”， 限流过程在超导体( 线圈) 中产生的热量对装置本身特性以及安全性影响的问题； c 在利用了超导状态改变特性的s f c l 中，限流动作后的状态恢复问题。故障消除后超 导体通常态恢复到超导态的恢复时间过长对实现电力系统的重合闸很不利“。 1 3 2 磁饱和短路限流器 采用磁元件构成的短路限流器又称磁饱和型限流器，这种短路限流器基于饱和电抗器 的原理，每个f c l 由两个完全对称的闭合磁路构成，对应交流电流的正负半周。两个闭合磁 路各有一个完全一样的直流激磁回路，而其交流绕组互相串接，电流方向相反。在选取适当 的安匝数和真流偏置电流，可使其中的两个电抗器铁芯在电力系统正常工作情况下均处于磁 饱和状态，对外表现为极小的电抗值，对系统影响不大。当系统发生故障时，一次线圈通过 故障电流，使两个电抗器铁芯分别在正、负周波工作于磁不饱和状态，整个f c l 等效丁一个 很人的电抗值，从而达到限制故障电流的目的。 这种限流器在理论上可行，也有其相关应用研究的报导，但是其工作区很小，合理的 短路限流倍数较难设计，而且交流线圈中通过大的短路电流时，直流线圈中将会产生很大的 变流电压。也有采用永磁体替代直流电源偏置回路的无源磁体限流器，但是这种限流器只能 在小容量中达到，大容量等级下，很难找到合适的永磁体作为替代。3 “ 1 3 3p t c 电阻式短路限流器 p t c ( p o s i t i v et e p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 电阻是一种正温度系数的非线性电阻。室 温时电阻非常低，当温度升高到某一值时，电阻阻值迅速增加。在1 9 9 8 年左右，瑞士a b b 6 浙江大学硕士学位论文 研究协会提出采用p t c 电阻作为限流器的基本组成成分，这种设备在故障电流流过时能快速 增加自身阻值来限制和切断故障电流，通常其阻值可以提高8 到1 0 个数量级。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，p t c 电阻上的功率损耗增加引起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 西时间内增加为高 电阻值，从而起到限制故障电流的作用。 这种设备所存在的缺点是： lp 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： 2 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： 3 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 4 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。 1 3 4 固态限流器 矧态限流技术是建立在柔性交流输电技术基础上的一种短路限流技术。所谓“柔性交 流输电系统”，又称“灵活交流输电系统”( f 1 e x i b l ea 1 t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，简称f a c t s ) ，是8 0 年代后期出现的新技术，就是在输电系统的重要部位，采用 具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数( 如电压、相位、电抗等) 进 行调整控制，使输电更加可靠，具有更大的安全性和有效性。这种将电力电子技术、微机处 理技术、控制技术等高新技术应用于高压输电系统，以提高系统可靠性、可控性、运行性能 和电能质量，并可获取大量节电效益的新型综台技术，在世界上引起了极大反响，从一开始 就得到了业界及有关科技工作者的高度重视”。 电力电子技术在电力系统的应用为改善电能质量，提高输电线路的输电能力提供了性 价比很高的解决方法，电力电子技术在电力系统的广泛应用说明目前电力电子技术比超导技 术相对成熟。这些应用对电力电子器件提出了更高的要求，促使电力电子器件向高压大电流、 性能好价格低、体积小重量轻、功率损耗低、应用温度高的方向发展，为降低固态故障限流 浙扛大学硕士学位论文 器的投资成本，降低功率损耗，提高固态故障限流器的竞争力提供了良好的基础。 作为柔性交流输电技术的组成部分，固态短路限流技术已成为电力系统新型限流技术 的一种发展趋势。 具体的f c l 主要有以下四部分组成，如图卜1 所示：快速故障电流探测元件、快速切换 开关、限流电抗器以及过电压保护元件1 。其基本原理是利用晶闸管的快速通断来替代传统 的切换开关来完成阻抗的快速切换，从而快速限制短路电流。 图卜l 故障限流器原理框图。6 右图是固态限流器的种实现方 案，其主要是分别利用串联谐振电路的 阻抗为零、并联谐振电路的导纳为零的 特点设计成串联谐振限流器和并联谐振 限流器。正常运行时，k 、c 发生串联谐 振，i 蛆抗为o 。故障时，s c r 闭合，l z 串入电路限流。 图卜2 串联谐振限流器 固态限流器还有其他很多种类：g 1 d 开关型限流器【3 7 j 、可变阻抗式限流器【3 8 】、具有串 联补偿作用的限流器( 3 9 l 、无损耗电阻器式限流器即1 、混合限流器h “、桥式固态短路限流器。 由于篇幅所限，本文就不一一介绍，将在后面的章节着重介绍浙江大学研制开发的新型固态 限流器。 1 。4 对本论文内容的简单介绍 新型同态短路限流器的研制工作，浙江大学动态模拟实验室已经就其原理、拓扑结构和 控制策略做了大量的研究，本文在基于新型固态短路限流的拓扑结构和控制策略的基础上， 主要做了针对以下两方面的工作： 1 系统正常运行时，新型固态短路限流器自身设备发生故障时，对系统电压和电流的 影响。 2 新型固态短路限流器接入系统后，系统短路故障情况下，对断路器的开断特性的影 8 浙江大学硕士学位论文 响。 本文对以上两个方面所做的只是初步的探讨和研究，其在电力系统中工程化应用的研究 是一个很大的课题，对此还需更为深入的研究和探讨。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章新型固态短路限流器的工作原理与特性 浙江大学电气工程学院在国内外现有的限流技术的基础上，提出了一种新型固态短路 限流的方法，并获得了多项国家专利p 3 】l ，并在此基础上提出并实现了多种固态短路限流 器的拓扑结构。己完成了变压器耦合三相固态短路限流器的理论论证，在此基础上的项目已 经通过了相关单位的验收。并针对其一些固有缺陷提出并实现了带旁路电感的变压器耦台三 相固态短路限流器的理论认证，分别成功设计制造了变压器耦合的三相固态短路限流器 3 8 0 ，2 2 0 a 模型样机、带旁路电感的三相固态相流器5 0 v l a 实验模型系统，变压器耦合三相 崮态短路限流器1 0 k v 5 0 0 a ，最大短路限流2 5 0 0 a 的工业型样机已经研制成功，并通过相 关项目组的验收。 2 1 新型固态短路限流器 理想新型固态短路限流器的单相 原理图如右图所示，它是由一个单相 桥路和一个电流源组成的，t i t 4 为 晶闸管，电网正常运行时刻，t l 、咒 做为闻态开关，控制负载电流的正常 导通，t 3 、t 4 常加脉冲，其工作特性 如：极管，电流源i c 恒大于负载电流 i 的峰值。当i 在正半波运行时，t 1 、 叠 j 负： 载 图2 - l 理想新型固态短路限流器单相拓扑结构 t 4 管正常导通，t 3 管也还会由于i c 大于l 而被迫导通，因此如果忽略功率半导体器件的管 压降时，限流器不呈现阻抗，不会影响电源对负载的正常供电。同样的道理，当i 在负半波 运行时，t 2 、t 3 管正常导通，t 4 管被迫导通，限流器也不会影响电源对负载的正常供电。 当系统发生短路故障时刻，i f a u h 将大于i c ，k h 为正半波时刻，t 3 管将被迫管短，h 。l 。为负 半波时，t 4 管将被迫关断，电流源自动串入回路，并最终迫使i 洲。= i c ，从而有效的限制了 短路电流。 在实际的工程应用中，图2 - l 中的电流源可用一个电感代替，此时的电路拓扑结构如图 2 - 2 所示限流器投入使用时刻，经过短暂的冲磁过程，电感中的电流可达到负载电流峰值， 图2 3 给出了该限流器接入电路运行时的负载电流和限流电感电流的仿真波形。由于电感电 1 0 浙江大学硕士学位论文 、t 尖 碘一 札i 峥二 k ct 奉7 1唪一饔 卜c 丁l 厂藉“i l 二二二二j 图2 2 新型固态短路限流器单相拓扑结构 图2 3 冲磁过程中负载电流和电感电流 流流过续流半导体器件时存在能量损耗，因此续流过程中会逐渐下降，但限流电感在负载电 流峰值附近将重新短时串入主回路冲磁，从而补偿其在桥路上的损耗，因此限流电感中的电 流起了电流源的作用。当负载侧发生短路故障时，例如在电源电压正半波时，电流j 跳到i l 的值时t 3 截至，电感l 立即串入短路回路，限制了短路电流上升的速率及其最大峰值只 要及时封锁t 1 、t 2 管的脉冲，当短路电流过零时t 1 、t 2 管关断，则最多在1 0 m s 的时间 内，短路故障被迅速切除，而较大的电感电流经t 3 、t 4 管续流而短接，不会产生过电压。 如果采用单相固态短路限流器为单元构成如图2 4 所示的三相固态短路限流器，每个单 图2 - 4 独立结构三相桥式固态短路限流器 元的1 ：作原理和单相固态短路限流器完全一致，在此不再赘述。则由于该三相固态限流器的 每项都是一台完整的单相限流器，运行控制完全独立因此其控伟9 将更加简单、灵活，特 别在不对穗短路故障情况下有明显的优势，可以保证非故障相不受故障相的影响。但是这种 拓扑结构的固态限流器造价较高，使用了3 个限流电感和1 2 个可控硅桥臂，在超高压接地 电网中，当采用三相桥式固态限流器存在加工、制造等方面的困难日寸可考虑采用。 将单相新型固态短路限流的拓扑结构加以变换即可应用于三相系统。三相中性点接 地系统的三相新型固态短路限流器的拓扑结构原理如图2 5 所示h ”。 1 1 浙江大学硕士学位论文 其工作原理简述如下：交流系统正常运行时，8 个晶闸管触发脉冲常加。由于三相电路 从拓扑的角度来看是对称的，所以可以取a 相进行单独分析。系统正常运行时，当i 。为正 半波时，可知电感电流i l 大于或等于i 。时。由基尔霍夫电流定律可知，i t 7 = i l i 。0 ，即t 7 图2 ，5 新型固态短路限流器主电路拓扑结构图 管导通，如果认为t 一、t ，的导通压降相等，相当于电源v a 右端直接接地；当吨 k 时，t 7 自然关断，限流电感l 与负载短时串联，电源v a 给l 补充能量，使i l 保持在i 。的峰值附近。 由于电源给电感的能景只是用来补充其在桥路上的损耗，而该损耗很小，故l 串入负载回路 的时间极短，对负载的电压、电流的影响可以忽略。当k 为负半波时，同样可以分析得知 电源v a 右端的电位为零电位。所以，系统正常运行时，电源v a 右端始终相当于与地直接连 接，电源电压v a 全部加在负载上。 对b 、c 两相可以按照同样的道理进行分析。将三相一起考虑，可以看出，当系统正常 运行时，若忽略限流电感电流的微小波动，则可认为j l 为直流电流，其数值为相电流的峰 值，而三相电源则等同于各相直接接地，形成中性点接地的星形连接。 正常运行期间，三相桥晶闸管t 1 t 6 各导通1 8 0 。，t 7 、t 8 触发脉冲常加，如果忽略 电感和晶闸管上的内阻引起的功耗，则限流电抗l 中通过的电流为恒定的直流电流，其数值 等于三相负载电流的峰值。因此，电抗器上无压降，无功耗。 当系统发生故障时，电源电压通过已导通的晶闸管加到限流电感上，引起电感电流的增 加，当检测电路检测到故障发生后，控制器调整触发脉冲，调节限流器串入故障点阻抗，从 而调节控制电网的故障电流，甚至可将故障电流切断，起到固态开关的作用。 2 2 变压器耦合三相桥式短路固态限流器 由于。在电力系统中t 发电机和变压器一般为星型或三角型，中心点无法接开，上述固 2 浙江犬学硕士学位论文 态短路限流器拓扑无法直接应用于系统中。故可以采用耦合变压器来解决三相桥式固态限流 薹! ， i b 一 - “ 。 一 藩 i c 。”一 l 固一 门尸肾 电源 图2 - 6 带耦合变压器的固态短路限流器 器接入电网的问题”。如图2 6 所示，在高压系统运用中时，增加一对晶闸管t 7 、t 8 ，系 统正常运行模式下，限流器主电路中的晶闸管t 1 、t 3 、t 5 和t 4 、t 6 、t 2 被分别控制在三 相电压u a 、u b 、u c 的正，负向过零点后导通，各个晶闸管导通时间约1 8 0 。电角度；续流 管t 7 、t 8 管被控制为常导通，为限流电感l 提供续流回路，使l 中始终流过负载峰值电流 ( 耦合变压器二次侧电流) 。此时在不考虑晶闸管压降和回路电感损耗的情况下，换流桥和 限流电感相当于一个无内阻的恒流源，因此耦台变压器副边等效于短接状态，原边压降等效 为“零”，整个限流器对系统呈现“零”阻抗。负载侧发生短路后，由于负载电压通过耦合 变压器突然全部加到换流桥上，从而迫使t 7 、t 8 管其中之一或两个关断，因而限流电感通 过耦合变压器自动串入系统，达到限制短路电流迅速上升的目的。通过合理控制t l t 8 管 触发脉冲的相位角，可以有效控制故障电流的大小。 效解决上述固态限流器拓扑在故障控制 图2 _ 7 带旁路电感限流器单相拓扑 浙江大学硕士学位论文 模式下存在的缺陷。h 7 】 图2 7 所示为带旁路限流电感的单相固态限流器拓扑，其工作原理简述如下：系统正常 运行情况下，全控桥晶闸管t 3 和t 4 常触发导通、t l 和t 2 分别在相电压的正负过零点触发 导通半周在忽略晶闸管导通压降和功率损耗的情况下，全控桥处于“等电位”，因此旁路 电感被短接，整个限流器对系统不呈现阻抗：系统发生短路故障时，限流器中的直流电感l 将与旁路交流电感并联后自动插入故障回路以抑制短路电流的上升率，同时控制系统立即封 锁t 。孔的触发脉冲( t 。、t a 管继续触发导通，以便给l 提供续流回路) 并在半个周波内使 全控桥( 包括直流电感l ) 退出运行( 从回路中剥离) ，改由旁路电感限制全部短路电流。 显然这种拓扑结构的固态限流器，其换流桥的工况可以用导通( 正常运行模式) 或 关断( 故障运行模式) 来等效，即要么接入回路“短接”旁路限流电感，要么彻底从回路中 “剥离”，由旁路电感独立承担限流任务，因此无论在正常还是故障运行模式f 它都基本 上不会对系统制造谐波污染。同时，由于它在故障运行模式下换流桥( 包括直流电感l ) 退 出运行，因此可以适当减小换流桥( 包括直流电感l ) 的设计容量。当然，这种拓扑结构的 固态限流器，由于增加了旁路限流电感，整个设备的体积仍然是一个有待解决的问题。 在高压三相电力系统中实际应用 时，可以采用带旁路限流电感的单相 a c r 一负载 r 一一“一一 一1 。 同态限流器构成= 相固态限流器并 。1 耦台变压器 通过耦台变压器接入毓其单相拓 + l ! #i l ilt 笮 j 4 扑结构如图2 8 所示，工作原理与图t 2 _ = 二t 4 1 2 7 基本相同，从略。这种拓扑结构的 图2 - 8 带旁路电感变压器耦台限流器单相拓扑 三相固态限流器具有基本不产生谐 波、运行控制灵活且简单可靠等一系列优点，但也存在造价高、体积大的缺点，因此也只有 在超高压系统中且存在制造工艺、技术及安装困难等情况下才有可能考虑采用。 在图2 6 所示三相固态限流器的耦合变压器一次系统侧并联旁路限流电感，可以获得如 图2 9 所示的新型固态限流器拓扑i 。这种拓扑结构的三相固态限流器，与由图2 8 所示的 单相固态限流器构成的分立式三相固态限流器相比，具有结构紧凑、造价低、体积小等特点， 因此更适合应用于高压系统。 图2 9 所示拓扑结构的固态限流器的工作原理简述如下：系统l e 常运行时，由晶闸管 t r 绍成的三相可控换流桥工作在全导通状态桥，t ，、t s 常触发导通以便给直流限流电感 k 提供续流回路。理想条件下，电感k 因t ，、t 8 管续流而等效于“短接”，且其电流等于负 1 4 浙江大学硕士学位论文 图2 9 带旁路电感的变压器耦合新型固态限流器的三相拓扑结构图 载电流峰值，因此耦合变压器的副边近似处于短接状态原边的交流旁路限流电感近似被短 接，其压降接近于“零”，因此几乎不影响系统的正常运行。系统发生短路故障时，电源电 压将全部( 或部分) 加在耦合变压器原边以及交流旁路限流电感k 上，并通过耦合变压器 加到换流桥上，迫使续流管b 、n 其中之一或者全部因反压而关断，从而交流旁路限流电感 k 和直流限流电感l “通过耦合变压器并联后立即自动串入系统，限制故障电流的上升速率： 同时限流器控制系统判断出故障封锁固态限流器所有晶闸管的触发脉冲( t b ) ，在适当时 刻触通晶闸管t ，、b 给直流限流电感提供续流回路，、从而关断t t 桥臂，使直流限流电感 及桥电路与系统隔离，相当于变压器副边开路。固态限流器桥电路退出系统，全部改由交流 旁路限流电感l 承担短路电流的任务，酋：到继电保护装置动作切断故障同路。 很显然，在系统发生短路故障、限流器尚未控制换流桥退出运行前的一段时间内故障 电流中包含两部分：流过旁路限流电感的电流和流过直流限流电感并经耦合变压器耦合到一 次系统的电流，其中的流过直流限流电感并经耦合变压器耦台到一次系统的电流在系统发生 三相不对称故障时将对非故障相产生一定的影响，可能给继电保护等造成一定的影响。因此， 在设计限流器控制系统时，应该尽量考虑采用快速、可靠的故障判据和简单、易行的控制策 略，以便在系统发生短路故障后能迅速做出判断并隔离换流桥退出工作，使变压器副边等效 于开路尽快让系统的短路电流完全由交流旁路电感限制，以尽量减小系统发生不对称故障 情况下对非故障相的影响。 浙江大学硕士学位论文 第三章固态短路限流器自身故障对系统的影响研究 浙江大学电气学院在对于新型固态短路限流器的拓扑以及设计方面已经做了很多研 究。但是对于新型固态短路限流器的研究大多是基于其自身正常时对系统的影响，而对于限 流器自身故障时其对系统的影响显有涉及，本章内容主要是对这方面的问题进行初步的探 讨。 新型固态短路限流器的主要元件之一晶闸管，是一种典型的电力电子器件，其有很多 的优点，但是由于击穿电压比较接近工作电压，热容量又小，因此承受过电压过电流能力差， 短时间的过电压、过电流都可能造成元件的损坏。因此下文主要探讨新型固态限流器中晶闸 管故障时，对系统的影响。 3 。1 新型固态短路限流器一次系统电感参数设计 通过对下面模型的分析来介绍一下新型固态桥式限流器一次系统模型的旁路电感和直 流电感的工作特点和设计方法，模型参数设计如下： 模型额定相电压1 0 0 v 模型额定相电流1 a 模型限流相电流5 a 等效负荷电阻1 0 0 n 耦合变压器变比2 ：1 f 面简要介绍交、直流限流电感的工作特点和垃计方法。 ( 1 ) 交流旁路限流电感 其责任就是限制稳态短路电流到设定值，其大小由系统的短路电流水平决定，在模型系 统中该值为5 a ( 有效值) ，因此有： k2 薏5