短路限流技术在电力系统中的应用研究.doc

本科毕业设计（论文）短路限流技术在电力系统中的应用研究X X大学2013年 6月 本科毕业设计（论文）短路限流技术在电力系统中的应用研究学 院：电气工程学院 专 业：电力系统及其自动化 学生 姓名：xxx 学 号： xxxxxxxxx 指导 教师：xxx 答辩 日期： xx大学毕业设计(论文)任务书学院： 电气工程学院 系级教学单位： 电力工程系 学号学生姓名专 业班 级 题目题目名称短路限流技术在电力系统中的应用研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容 1、研究对比电网中各种可运用的限流装置的原理及性能；2、针对限流器所应满足的性能指标，给出一种最佳设计方案，并进行原理分析及理论研究；3、对此方案限流装置进行仿真对比。基本要求1、遵守毕业设计期间的纪律，按时答疑；2、独立完成设计任务，培养基本的科研能力；3、设计说明书一份（不少于2万字），A0图纸一张；英文资料翻译不少于3千字；说明书要求条理清晰、文笔通顺，符合毕业设计撰写规范的要求；论文、图纸中的文字符号符合国家现行标准。参考资料查阅相关文献资料周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料；理论学习限流设计方案一及性能研究限流设计方案二及性能对比仿真验证；撰写论文修改论文；准备答辩指导教师： 职称： 系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要随着电力系统的快速发展，电能容量越来越大，短路电流水平不断提高，传统的限流技术已逐渐显现出局限性，因此有必要研究新型的短路限流技术。近年来，研究人员提出了一种全新的固态短路限流技术，新型固态限流器具有结构简单、应用灵活、限流性能好、损耗小等特点，是一种性能优良的短路限流装置，目前正进入工程化试验阶段。本论文首先阐述了短路限流技术的重要性和发展背景，介绍了目前国内外流行的一些限流技术及其优缺点，然后提出了一种新型固态限流器，给出了单相、三相限流器的主电路拓扑，详细分析了它的工作原理。接着运用Matlab仿真软件对含有耦合式三相桥式固态限流器的10kV电力系统的各种短路故障进行了仿真，验证了该限流器优越的限流性能，并就短路限流器的安装位置做出讨论。最后又提出了在电力系统中真正应用固态限流器还需要解决的一些问题。关键词 短路故障 固态限流器 耦合变压器 限流电感 IAbstractWith the rapid development of the power system, power capacity is growing, increasing the level of short-circuit current, conventional limiting technology has been gradually emerging out of the limitations, it is necessary to study a new type of short-circuit current limiting technology. In recent years, researchers have proposed a new solid-state short-circuit current limiting technology, new solid-state flow restrictor has a simple structure, flexible application, limiting performance, low loss characteristics, is an excellent short-circuit current limiting device, now entering the engineering testing stage.This paper first describes the importance of short-circuit current limiting technology and development background, describes some of the popular at home and abroad limiting technology and its advantages and disadvantages, and then proposes a new solid-state current limiter, gives the single-phase, three phase current limiter main circuit topology, a detailed analysis of how it works. Then use Matlab simulation software coupled with three phase solid state current limiter 10kV power system for a variety of short-circuit fault simulation, verification of the flow restrictor limiting superior performance, and to short-circuit current limiter installed position to make a discussion. And finally presents that a real application with solid-state current limiter in power system also need to address some of the problems.Keywordsshort-circuit fault ; Solid-state current limiter; coupling transformer ; limiting inductor 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 短路限流技术在电网中的意义11.1.1短路对电网产生的危害11.1.2研究短路限流技术的意义21.2短路限流技术国内外研究状况21.3短路限流技术的要求51.4本文主要工作6第2章 各种短路限流器的原理及特性72.1短路故障限流器72.1.1超导限流器82.1.2磁元件限流器102.1.3 PTC电阻限流器102.1.4固态限流器112.2本章小结15第3章 新型固态限流器的设计方案173.1单相固态限流器的工作原理173.1.1单相固态限流器应用于三相系统中的控制策略193.1.2在三相接地系统中的情况203.1.3在三相不接地系统中的情况203.2新型三相桥式固态短路限流器203.2.1普通三相桥式固态短路限流器213.2.2耦合式三相桥式固态短路限流器223.2.3带旁路电感的耦合式三相桥式固态短路限流器233.3固态限流器的控制策略243.4本章小结24第4章 限流器的仿真分析及安装位置的讨论254.1限流器仿真电路的设计254.2仿真设置及结果分析274.2.1正常运行时加与不加限流器的仿真图284.2.2三相短路故障294.2.3单相短路故障304.2.4两相不接地短路故障314.2.5两相接地短路故障334.2.6谐波分析344.3短路限流器安装位置的讨论344.3.1母线联结处344.3.2电缆线路始端354.3.3馈电进线处364.4本章小结37结论38参考文献39致谢41附录42III第1章 绪论第1章 绪论1.1 短路限流技术在电网中的意义电能作为一种清洁无污染的能源，可以远距离、大容量地输送和使用，电能利用的广度和深度，日益成为一个社会现代化程度的重要标志。随着我国社会的发展和国民经济的增长，社会各行业越来越重视电能的使用，因而对电能的需求日益增加。为满足日益增长的电能需求，电力系统及输电技术也得到了迅速发展，主要体现在以下两方面1：（1）电力系统越来越大，结构越来越复杂，在人类消耗的各种形式的能量中，由电力系统供给的电能所占比例越来越高；（2）为了满足远距离及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高。1.1.1 短路对电网产生的危害电力系统在运行之中，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态2，3，最常见同时也是最危险的故障是相与相之间发生短路，在中性点直接接地的系统中，还有相与地之间的短路。在发生短路故障时，短路电流可能达到很大的数值，上万安甚至十几万安，这样大的电流所产生的热和力的作用会使电气设备遭到破坏，可能会产生以下的后果4，5：（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，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，影响了正常的通讯工作；（4）短路电流大幅度增大，不对称短路电流使入地电流成正比增加，10kV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）由于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发电机之间失去同步而解列，破坏电力系统的稳定运行。1.1.2研究短路限流技术的意义 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，以及保证电力系统安全、可靠、稳定的运行，改善电能质量，必须采取行之有效的方法来限制短路电流，即短路限流技术6。在电网中运用短路限流技术，能够大大提高电力系统的稳定性，将短路带来的危害降到最低。目前，此方面的研究已成为电力行业的重点，短路故障限流技术己经成为了国内外电力行业的研究热点之一7，8。1.2短路限流技术国内外研究状况传统的短路限流技术现已相当成熟，一般是从电网结构、系统运行方式和设备等方面来研究，现归纳如下4，6：（1）发展高电压等级的电网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，1973年左右日本275kV电网的短路电流水平增长到5OKA，随着系统发展5OOkV电网后，275KV电网的短路电流水平持续下降至1985年的34KA左右。但是建造高一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，如果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。（5）安装高阻抗变压器、串联电抗器等设备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人。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己采用这项措施，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(Transient Recovery Voltage TRV)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。分裂绕组变压器在正常工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生产的GSI(气体绝缘开关设备，Gas Insulated Switcher)仅为1OOkA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20kA，而且还在不断升高中。而且一般断路器的分闸时间约为20-150ms，全开断时间(包含燃弧时间)约为100-2OOms，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、变电设备免受故障电流峰值的电动力和热效应的冲击。随着短路限流技术受到重视的程度日益提高，国内很多机构单位投入其研究与应用。中国科学院电工研究所联合国内多家单位共同研究开发的我国首台三相高温超导限流器成功将3 500A(有效值)限制到635A（有效值），且短路瞬间波形无突变9。由天津机电工业控股集团公司和北京云电超导电缆有限公司联合研制的35 kV超导磁饱和型FCL，于2007 年成功投入实际应用，是目前世界上挂网试运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。华中科技大学研究的基于串联补偿的FCL使用了真空触发间隙或高速斥力机构操作的合闸开关，具有动作速度快、成本较低的优点10。上海交通大学提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器结构，并研制了一台220kV/50A限流器模型机。华东冶金学院提出一种由普通电感和IGBT桥路构成的无损耗电阻式限流器拓扑并取得国家专利。浙江大学研制的10kV /500 A/2500A带交流旁路限流电感采用耦合变压器的新型固态限流器样机于2006 年12 月在绍兴电力试验站通过试验，取得了令人满意的试验结果，目前正在加紧工程实用方面的关键技术研究10，12。自20世纪90年代初，EPRI 推出固态 FCL 方案后，国外在固态限流器方面的研究取得巨大进展。1993 年初，在美国新泽西州 Mort Monmouth 的 Army Power Center 的 4.6 kV 交流馈电线路上安装了一个由反并联 GTO 构成的 6.6 MW 的固态断路器，平均工作电流为800 A，在发生短路故障 300us的时间内切断故障，起到有效的保护作用；西屋公司与EPRI 合作，制造出一台(13.8 kV，675A )FCL（与固态断路器 SSCB 组合），于95 年2 月安装在 PSE&G 的变电站投入运行；日本东北电力公司及日立公司研制了 ( Distribution Current Limiting Device，DCLD )的试验装置，并进行了试验。SFCL 在国外工程研究文献报道较多，其工程应用方面较早的是 1995 年 Lockheed martin 公司(美国)研制的桥路型 2.4 kV/80A 的超导限流器；在1999年 General Atomics 公司又研制了指标为 15 kV /20kA 的桥路型超导限流器；瑞士 ABB 公司也分别在1996 年和2002年研制了1.2 MVA 和 6.4 MVA 的电阻型超导限流器；1998年ACEC-Transport 和GEC-Alsthom 开发了交直流两用的混合式故障限流器，且已形成商业化11，18，19。最近两年来，一方面主要完善前面的几种固态限流器，使之满足工业现场运行更加实用化、商业化。另一方面，更多工作均放在具有多种功能的限流器研究上，大部分研究倾向于将串联无功补偿和限流功能集于一身8，17。1.3短路限流技术的要求此限流技术只是在在电力系统发生短路故障时才起作用，在正常情况下应该对电力系统没有影响或者影响很小，因此短路限流技术应满足以下几个要求13，14，16：1、线路正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和无功功率损耗小，而且不会产生系统不可接受的谐波；2、故障发生时，限流器应迅速从低阻抗状态切换到高阻抗状态，在故障电流到达第一个峰值前有效限制短路电流；3、故障切除后，限流装置能较快地从限流时的高阻抗状态回到低阻抗状态，不影响电力系统重合闸；4、限流过程中无过电压产生，不会引起系统暂态振荡；5、控制简单，无须高速短路故障检测技术；6、限制短路电流后无须更换，短期内可承受多次短路故障冲击，而且限流性能不会变差；7、对正常过载电流，如电容器放电、变压器涌流、电动机起动电流等不敏感；8、不影响电力系统保护的选择性；9、如果故障限流器本身损坏，电力系统仍能安全运行；10、合理的成本价格，可以承受的体积和重量，可靠性高，需要的维修量少。1.4本文主要工作本论文结合国内外己见诸文献的各种限流技术的相关研究及固态限流器在电力系统中应用的条件与特点，分析了固态限流器在电力系统中应用的一些相关问题。论文主要针对新型固态限流器在电力系统中的限流能力进行了分析与讨论，具体包括以下及方面：（1）介绍并分析了各种短路限流技术的原理及特性，包括传统的短路限流技术和新型固态限流器；（2）针对新型固态限流器的优良性能，在10kV电力系统中设计出最佳的限流方案；（3）通过Matlab仿真软件对设计方案在不同短路故障时进行仿真，分析仿真结果；（4）理论分析限流器在电力系统中的安装位置。93 第2章 各种短路限流器的原理及特性第2章 各种短路限流器的原理及特性2.1短路故障限流器 传统的短路限流措施是目前国内外所采用的较多的限制短路电流方式，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，以上措施己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。基于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(Fault Current Limiter，FCL)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SCR(晶闸管)、GTO(门极可关断晶闸管)、GTR(大功率晶体管)、IGBT(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围内(限定值可整定)，以限制系统的短路电流。总的来说，材料型短路限流器的突出优点是简单、可靠，但目前材料型FCL受限制于超导等新材料的发展，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GTO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未成熟。目前故障电流限流器己经有多种类型，主要有超导限流器、磁元件限流器、PTC电阻限流器、以及固态限流器等。FCL 主要有以下四部分组成，如图2-1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。 图2-1短路限流器原理图2.1.1超导限流器超导限流技术是一种全新的技术，其原理图如图2-2，它利用超导体的超导/正常(S/N)态的转变，由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流的目的。超导故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter，简称SFCL)的研究在世界范围内己引起广泛的关注。超导发生S/N转变的电流称为临界电流，超导故障限流器(SFCL)接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在超导线临界电流以下，超导体的电阻几乎为0，对电力系统运行无影响；一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”，由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。超导故障限流器正是利用超导的S/N态转变来限流，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地限制故障电流。此外，SFCL还具有以下卓越特性：1、保证电流不超过临界值，显著降低线路的机械和电动应力，可延长电力设备的使用寿命；2、能减少故障电流的持续时间，从而增加了电力系统的功率输送能力，改善其动态稳定性；3、正常运行时，发热和损耗都很小。图2-2 超导限流器原理图SFCL基于“失超”现象，立刻把大的短路电流限制在线路正常运行电流的2-3倍水平以下，从而不必在电网扩容时替换现有开关设备，节省电力部门的投资。但其不能断开故障线路，因而必须与传统的断路器结合使用，利用传统断路器来断开故障线路。此时断路器切断的仅仅是己被限制的短路电流，但要求切断速度非常快，以隔离和抑制超导线圈的焦耳热。现阶段，要将SFCL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量的问题，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）SFCL限流动作后的状态恢复问题，故障消除后超导体从高阻态恢复到超导态的时间过长对实现电力系统的重合闸很不利。若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低压交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线“失超”传播和保护等问题能得以解决，那么超导故障限流器在电力系统中将具有广阔的应用前景。2.1.2磁元件限流器采用磁元件构成的限流器又称磁饱和型短路限流器，如图2-3所示，它由铁芯、一次和二次线圈、直流偏置电源等组成。选取适当的安匝数使两个电抗器铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障电流通过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和，而呈现很大的电抗，起到了限制短路电流的作用。图2-3磁饱和型短路限流器有时直流电源回路用永磁体替代，但是这些只能在小容量下可以达到，大容量等级下，很难有合适的永磁体可以利用。而且饱和电抗式限流器为保证短路时的限流电抗值，对交流线圈匝数有一定要求，从而使其在非故障情况下运行时仍具有相当数值的饱和电抗值，这将会影响电网运行的电能质量，还可能会引起暂态振荡等问题。另一方面，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。2.1.3 PTC电阻限流器PTC(Positive Temperature Coefficient)电阻是一种正温度系数的非线性电阻，在室温时电阻非常低，当温度升高到一值时,电阻迅速增加,利用PTC电阻的这种特性研制的故障限流器在低压领域已有商业应用。PTC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PTC电阻发热膨胀，热量来不及散发使电阻温度迅速增加，PTC电阻阻值在短/时间内增加为高电阻值，从而起到限制故障电流的作用，己有相关应用于美国海军新型战略舰上。由于PTC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PTC电阻两端必须并联限过压设备。PTC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。PTC电阻固有的电压和电流额定值不高，只有几百伏/几安，必须串并联使用，这限制了其在高压系统中的应用。PTC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。2.1.4固态限流器固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。它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合技术，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。固态限流器还有其他很多种类：GTO开关型限流器、谐振式限流器、可变阻抗式限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻器式限流器、混合限流器、桥式固态短路限流器等。下面简要介绍一下这几种限流器。（1）GTO开关型限流器EPRI提出的固态限流器如图2-4所示，该限流器主要由一组反并联的GTO与限流电感L并联组成，正常运行时GTO常通，将限流电感短接;一旦发生短路，在短路电流达到第一个峰值前迅速将GTO断开，使电感L插入短路回路以限制短路电流。这种限流器不仅要求使用昂贵的GTO，而且要求保护电路具有极快的响应速度； 同时由于GTO快速截断数值远大于额定值的短路电流而使之转移至限流电感L中，将引起极大的di/dt及dv/dt，因此必须另外采取有效措施以抑制由它所产生的高压及附加振荡，以免危及系统绝缘与安全。图2-4美国EPRI提出的GTO限流器（2）谐振式限流器谐振式限流器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。图2-5为串联谐振限流器，正常运行时，L2与C发生串联谐振，阻抗为O。故障时，SCR闭合，L2串入电路限流。其中L1仅是保护固态开关不受大电流冲击。这种限流器的主要矛盾是在大负载电流系统中，由于限流电感值较小，则所需的补偿电容数量极大，根本无法投入实际应用。图2-5串联谐振式限流器（a）SCR型并联谐振式限流器 （b）GTO型并联谐振式限流器图2-6并联谐振式限流器图(a)中，电容C与线路串联，提供串联补偿，当短路发生时，晶闸管SCR触发导通，使电感L与电容C并联谐振电路工作，限制故障电流。图(b)中，正常运行情况下，电流流过GTO开关，当故障发生时，GTO开关被切断，电流转移到并联谐振电路，从而限制故障电流。由于图(a)中SCR只在故障时才接通，而(b)中GTO正常运行时，一直接通，电路产生一定损耗，并且需要较昂贵的GTO工作，比较可知图(a)电路更好些。但仍然存在与串联谐振电路中一样的大电容量问题。此外，由于这类电路都由2-3个储能元件组成，在短路故障发生而使SCR(或GTO)合闸(或关断)时，由这些储能元件组成的高阶电路必然会引起系统暂态振荡和过电压。（3）可变阻抗式限流器图2-7（a）(b)都为晶闸管控制的可变阻抗的FCL，其中(a)与图2-6拓扑结构相同，但是控制原理不一样。（a）并联式 （b）串联式图2-7可变阻抗式限流器图(a)的工作原理为，在正常情况下L1与C串联谐振，SCR关断，使线路阻抗为0；当故障时，通过SCR的控制，使L2与C并联谐振，线路阻抗很大，从而起到限流的作用。作为一种后备保护，若故障时，电容C受到破坏，那么的L1的阻抗应大到足以限制故障电流的水平。图(b)的结构比图(a)较简单，它也是改变SCR的触发角，等效于改变L的大小，电路正常运行时，电容能起到串联补偿作用；故障时，控制SCR使L足够大，达到限流作用。上两结构控制SCR触发角a与等效阻抗大小关系比较复杂，并且运行过程中有大量的谐波产生。（4）具有串联补偿作用的限流器具有串联补偿作用的限流器拓扑结构如图2-8所示。 图2-8具有串联补偿作用的限流器其主要元件为电容器组C和电抗L，且1/WCWL。与C并接的线路开关是打开的，只有在线路故障时关合。在正常运行状态下LC线路呈容性，补偿线路的阻抗。与SW1串联的阻抗Z1很小，目的是防止关合WS1的涌流。BPS为旁路开关，Z2也很小，是为防止BPS关闭时大的涌流。ZnO为限压氧化锌避雷器。其工作原理为：在正常状态下，C、L一起工作呈容性，线路起串联补偿作用；当线路发生故障时，SW1闭合，C被旁路短路，只有L工作，那么L起到限制线路故障电流作用。这种限流器的限流电抗值的设计受到串补电容的约束，并且整个限流器的限流率不能超过0.5，限流效果具有很大的约束性。（5）无损耗电阻器式限流器华东冶金学院于1994年提出一种无损耗电阻(LLR -Lossless Resistor)限流拓扑，如图2-9所示。图2-9无损耗电阻器式限流器该拓扑由8个IGBT组成桥式电路，应用PWM技术，控制1GBT管开关的调制占空比来控制该桥式电路的“等效电阻”。该桥的调制频率必须远高于50Hz，频率越高“等效电阻”值越大。为了使短路时呈现高阻值，其调制频率将非常高，因此桥中的IGBT实际上是工作在硬开关条件下，损耗很大，而且调制频率越高，开关损耗越大；同时该电路将产生丰富的谐波电流，且正负半波与调制电流波形相同，若无其他特殊措施将无法在交流状况下正常工作。2.2本章小结 本章主要介绍了各种短路限流器的原理及特性，尤其是固态限流器的原理，在下一章将针对桥式固态限流器做研究 。目前，固态限流技术的应用还局限于个别工程(从实用化程度看，国内与国际先进水平还有一定的差距)，如果大规模应用固态限流装置，还要解决一些全局性的技术问题：(1)多个固态限流器或与其他FACTS装置控制系统的协调配合问题；(2)固态限流器与己有的常规控制、继电保护的衔接问题；(3)固态限流器控制纳入现有的电网调度控制系统问题。第3章 新型固态限流器的设计方案第3章 新型固态限流器的设计方案3.1单相固态限流器的工作原理单相固态限流器在电网中拓扑的结构原理图如图3-1所示。图3-1单相固态限流器原理图交流限流电抗器并联在变压器原边，变压器下一部分是固态限流器模块。限流器投入运行开始阶段，开通所有晶闸管。串联耦合变压器的原边流过部分电流，这部分电流耦合到变压器副边通过桥路给直流电感充电，直流电感上有逐渐增大的直流电流产生。与此同时，并联在变压器原边的旁路电感上通过部分交流电并逐渐减小。经过几个周波，充电过程结束进入到稳态运行阶段。变压器原、副边电流定义为，变比为，如图3-1，线电流关系为 （3-1）直流电感上直流气等于变压器副边电流的峰值 （3-2）稳态运行阶段直流电感上电流接近一常量，则几乎为零，由于T2、T3的续流作用直流电感上压降即为T2、T3的导通压降，接近为零，这意味着变压器副边绕组压降很小，所以并联在原边上的交流电感上压降几乎为零。在稳态运行时限流器的压降主要由串联变压器的漏抗、绕组电阻和晶闸管压降引起，在高中压系统中，由此产生的压降可以忽略。短路故障发生时，变压器原边突然加上很大的压降，交流电感上电流经过短时增大至稳态短路电流了，直流电感上电流马上增大。由于交、直流电抗器的存在，故障电流受到抑制而不会急剧上升。通过正确的控制策略，使直流电感和桥路退出故障回路的运行，交流限流电感完全承担限流作用，这样固态器件安全性比原桥式固态限流器大大提高。假设系统中允许的稳态短路电流是系统中额定电流的k倍，即。旁路交流限流电感大小由系统所允许的稳态短路电流水平决定，如 （3-3）其中，为电力系统的角频率，为系统额定相电压，为系统的额定电流，为允许的稳态短路电流。考虑短路时刻最严重的情况下在电压半个周波时间内直流电感上电流一直上升，则短路时允许直流电感上电流上升值与直流电感值的关系为 （3-4）式中为故障时，加在直流电抗上可能的最大电压的峰值，为电力系统的工频周期。为使直流电抗器体积最小，应以故障情况下电感中储能最小来设计电感值，而故障情况下直流电感的储能为 （3-5）式中为稳态运行时直流电感上通过的电流，由以上两式求得相对于变量的极值，可得 （3-6）上式表明按，即短路发生后半个周波内使直流电感中的电流增加到正常稳态运行值的两倍来选择直流电感，可使直流电抗器的设计最优。由此可见，直流电感和桥路参数的设计与系统的短路电流水平无直接关系，这样在设计限流器的过程中参数可以灵活设计与优化。3.1.1单相固态限流器应用于三相系统中的控制策略单相新型限流器用于三相系统中时，其接线示意如图3-2所示，图中的FCL原理见图3-1(具有耦合变压器)。在限流器启动与进入稳态运行阶段，可以形象的解释为：晶闸管T2和T3一直导通，T1和T4在相电压的正负过零点分别触发导通半周。实际上两个桥臂支路的电流完全由其导通等效电阻自动分配，二个支路很难说哪个是续流臂。图3-2单相限流器的在三相系统中的连接故障时，立即控制故障相的桥路，使其连同直流电感退出故障回路，最终短路电流完全由交流电感限制。桥路退出故障回路的方法有续流式控制和逆变式控制两种。续流式控制时，撤除图3-1中晶闸管T1和T4的触发脉冲，保持T2和T3桥臂触发开通，这样从检测到故障响应开始最多在半个周波时间内桥路退出故障回路，而直流电感上的电流通过T2和T3组成回路续流；直流电抗中的电流将因其内阻耗能而下降，但直流电抗器和T2、T3组成回路的内阻比较小，电流衰减需要比较长的时间，并且如果发生间歇性故障时直流电感上电流值会上升到更高。逆变式控制是在检测到短路发生后，使故障相的桥路工作于逆变状态，将直流电抗器的能量反馈回电网，从而可以加快桥路及直流限流电感退出故障回路的速度。由于晶闸管是在电流过零点时自然关断，所以这两种控制方式都不会产生过电压和振荡。3.1.2在三相接地系统中的情况当发生单相接地故障时，例如A相接地，则相电压加在A相限流器上，此时将A相桥路所有晶闸管触发角拉到逆变状态，将直流电抗器上能量反馈给电网，一个周波左右桥路关闭，短路电流完全由A相交流电抗器限制。当发生两相接地故障时，例如B相、C相同时接地，则相电压、 分别加在BC相限流器上，此时将BC相限流器桥路进行逆变，故障相的限流桥路退出运行器限制。当发生两相间短路时，短路电流完全由B、C相的旁路交流电抗例如发生B、C相间短路，则线电压加在BC相限流器，当电压对称时B、C相分别承担电压，此时逆变B、C相桥路。当发生三相接地故障和三相间故障，则各相电压加在各自的限流器上。此时将三相的限流器都进行逆变，桥路退出运行，三相的交流电抗承担限流功能。3.1.3在三相不接地系统中的情况当发生两相间故障时，例如发生B、C相间故障，则线电压Ubc加在BC相限流器上，对称时B、C相分别承担电压，此时逆变B、C相桥路。最终短路电流完全由B、C相交流电抗器限制。当发生三相间故障时，此时的情况与三相接地系统完全相同。由前面分析可知，在三相接地和不接地系统中应用时，发生故障最严重的情况均是限流器承担相电压，这是设计直流电抗器时另一关键的因素，其参数要按此设计。3.2新型三相桥式固态短路限流器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普通新型桥式固态短路限流器的拓扑结构原理如图3-3，八个晶闸管和一个电感构成了三相桥式限流器。图3-3普通新型桥式固态短路限流器拓扑图3.2.1普通三相桥式固态短路限流器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ia为正半波时，可知电感电流iL大于或等于ia时，由基尔霍夫电流定律可知，iT7 = iL - ia 0，即T7管导通，如果认为T1、T7的导通压降相等，相当于电源右端直接接地；当iL ia时，T7自然关断，限流电感L与负载短时串联，电源Ua给L补充能量，使iL保持在ia的峰值附近。由于电源给电感的能量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ia为负半波时，同样可以分析得知，电源Ua右端的电位为零电位。所以，系统正常运行时，电源Ua右端始终相当于与地直接连接，电源电压Ua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。将两相一起考虑，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iL为直流电流，其数值为相电流的峰值，而二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，二相桥晶闸管T1-T6各导通180，T7、T8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，其数值等于二相负载电流的峰值。因此，电抗器上无压降，无功耗。当系统发生故障时，电源电压通过己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。3.2.2耦合式三相桥式固态短路限流器由于在电力系统中，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器接入电网的问题。如图3-4所示，在高压系统运用中时，增加一对晶闸管T7、T8，系统正常运行模式下，限流器主电路中的晶闸管T1、T3、T5和T4、T6、T2被分别控制在三相电压、的正负向过零点后导通，各个晶闸管导通时间约180电角度；续流管T7、T8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，因此耦合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T7、T8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Tl-T8管触发脉冲的相位角，可以有效控制故障电流的大小。图3-4带耦合变压器的固态短路限流器3.2.3带旁路电感的耦合式三相桥式固态短路限流器带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器是在耦合变压器三相桥式限流器基础上发展而来。在电路结构上主要改动就是在耦合变压器三相原边分别并联旁路交流限