（电力系统及其自动化专业论文）新型固态限流器及其优化设计.pdf

浙江人学硕上学位论文 a b s i r a c r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e ma n dm o d e r n i z a t i o ni n d u s t r y , t h es h o r tc i r c u i tc a p a c i t yo fp o w e r s y s t e mi n c r e a s e sa g a i n t h es i t u a t i o ni sh a r d e ri nt h ea r e a sw i t hh e a v yl o a d ，f o rt h ed e n s ee l e c t r i c a ln e t w o r k a n dc o m p l e xs t r u c t u r e ，t h es h o r tc i r c u i tc u r r e n ta l r e a d yr e a c h e so rs u r p a s s e st h ei n t e r d i c t i o nc a p a c i t yo ft h e s w i t c h i n gg e a r i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，p e o p l ee x p l o r ea n dr e s e a r c hf 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 p o s i t i v e l y i n1 9 7 0 s ，s o m ep e o p l ep r o p o s e dt h ec o n c e p to ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) t h e nm a n yk i n d so f f c la p p e a r s ，s u c ha ss u p e r - c o n d u c t i v ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , m a g n e t i cc u r r e n tl i m i t e r , p o s i t i v et e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n tf a u l tc u r r e n tl i m i t e r , s o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e ra n dm i x e df a u l tc u r r e n tl i m i t e r a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h es o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n t l i m i t e rw i l lh a v e a b r o a d e r p r o s p e c t o f e x t e n s i o n t h i sa r t i c l e d e a l s w i t h t h es t u d y o f s e r i e s r e s o n a n c e t y p e f a u l tc u r r e n t l i m i t e r a n dt h en e wt y p es o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r t h es e r i e sr e s o n a n c et y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rh a st h e a d v a n t a g eo fs i m p l eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt o p o l o g i c a ls t r u c t u r ee t e i tm a yb ed e s i g n e dw i t hs e r i a l c o m p e n s a t i o nf o l l o w i n gt h ec o n d i t i o no ft h ee l e c t r i c a ln e t w o r k h o w e v e r , f r o mt h es i m u l a t i o n , w ed r a wt h e c o n c l u e i o n ：i nt h ep r o c e s so f r e s t r a i n i n gf a u l tc u r r e n ta f t e raf a u l to c c u r r e n c ei ne l e c t r i c a ln e t w o r k , c a p a c i t o r a n dp a r a l l e li n v e r t e rs w i t c hw i l ls t a n df o rp o o rw o r k i n gc o n d i t i o n t h ec u r r o n tl i m i t i n ge f f e c to fn e ws o l i d s t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e ri si d e a l t h er e s u l ts i m u l a t i o na n dt h et e s to f1 0 k v 5 0 0 a 2 5 0 0 am a c h i n es u p p o r t t h ei d e a h o w e v e r , t h ei s s u eo f s i z ea n dc o s to b s t r u c tt h ef a u l tc u r r e n tl i m i t e ri na p p l i c a t i o n i nt h ep r o c e s so fe x p l o r i n gt h ea p p l i c a t i o nm e t h o df o rt h en e ws o l i ds t a t ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , b a s e do n t h es p e c i a lf u n c t i o no fc o u p l i n gt r a n s f o r m e r , s a t u r a t e dt r a n s f o r m e rt y p es o l i ds t a t ec u r r e n tl i m i t e ri s p r e s e n t e d t h i sa r t i c l es t u d i e st h es a t u r a t e dt r a n s f o r m e rt y p es o l i ds t a t e f a u l t c u r r e n tl i m i t e r i nt h i s f o u n d a t i o n ，p r o p o s e st h em e t h o df o rp r i m a r yp a r a m e t e rd e s i g n t h ep e r f o r m a n c eo f t h e s a t u r a t e dt r a n s f o r m e r t y p es s f c lo nn o r m a ls t a t u sa n ds h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t i n gm o d eh a v eb e e ns i m u l a t e d t h er e s u l t s d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo ft h i sp r o g r a m t h ec o u p l i n gt r a n s f o r m e ri nt h eb r i d g et y p es o l i ds t a t e f a u l t c u r r e n tl i m i t e ra d o p t i n gs a t u r a t e dt r a n s f o r m e rw i t hs p e c i a ls t r u c t u r a ld e s i g n , t h es i z ei sg r e a ts m a l l e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a lt r a n s f o r m e rw i t hg e n e r a ls t r u c t u r a ld e s i g n a n db e c a u s eo ft h es a t u r a t o dr e a c t o rc a nb e e q u i v a l e n tt o c u r r e n tl h n i t e rr e a c t o rw h i l ew o r k i n go hs h o r t - c i r c u i tc u r r e n tl i m i t i n gm o d e ，t h e b y p a s s - i n d u c t a n c ec a nb er e m o v e d , a l s ot h ev o l u m eo fd i r e c tc u r r e n tr e a c t o rc a nr e d u c ee f f e c t i v e l y s ot h e s i z ea n dc o s to f t h es s f c lc a nb ed e c r e a s e do b v i o u s l y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，s h o r tc i r c u i t ，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 ) ，s e r i e sr e s o n a n c et y p ef a u l t c u r r e n tl i m i t e r ，h i g h e r - o r d e ro f o s c i l l a t i o n ， f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e , s a t u r a t e dt r a n s f o r m e r 浙江大学硕i ：学位论文 第一章电力系统短路限流技术研究及其发展 1 1 电力系统短路容量问题 电能由于其运输方便、经济、清洁无污染等特点，在现代生产和生活中均得到了广泛的运用，是 现代社会发展不可缺少的能源。电力系统的安全稳定运行，关系到国民经济持续发展，是人们正常生 活的保障，是人类社会发展不可缺少的动力。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) ，世界各国都遭受过电网事故( 尤其是大面积停电的 重大事故) 带来的经济损失以及社会影响。在各种各样的电力系统事故中，短路故障是危及电力系统 安全稳定运行、导致大面积停电事故的最为常见的严重故障之一。短路故障对电力系统破坏的严重程 度，主要取决于短路电流的大小。 近年来，由于用电负荷不断的增加、电力建设不断的发展、低阻抗大容量变压器的应用、发电厂 及发电机单机容量的不断增大以及各大区电网的互联等，使得电力系统中的短路电流水平不断提高， 许多地区特别是沿海经济发达地区电网的短路电流水平已经直逼甚至超过电力规程所规定的最大允 许水平的严重情况。这给电力系统安全、稳定运行以及电力系统中各种电气设备( 如断路器、变压器、 变电站母线、线路构架，导线和支承绝缘子和接地网等) 提出了更加苛刻的要求，并已成为我国各大 区电网，特别是经济发达地区电力系统安全、稳定运行的严重隐患和关键技术难题之一，同时在某些 情况下实际上已成为制约电力建设和进一步发展的瓶颈。 有资料计算表明，一些大型发电厂出口或厂站高压变电站出口的最大短路电流可能达到 l o o 2 0 0 k a ，三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达3 0 0 k a 1 t2 1 ，而国际上能成熟生产g i s 的最大 容量为1 0 0 k a ，国内尚无生产能力；浙江电网的斗山、瓶窑、黄渡、南桥、兰亭等一些5 0 0 k v 老变电 所在2 0 0 3 年短路电流就已超过或接近5 0 k a ；到2 0 1 0 年广东电网现有5 0 k a 的断流设备足够的裕度得 不到保证1 3 】；在研究华东电网规划，特别是上海网2 0 2 0 年规划时，5 0 0 k v 网架短路容量过不了关 4 1 。 短路电流过大甚至超标，由此带来了一系列深层次的问题【”“，具体来讲有： ( 1 ) 过大的短路电流通过故障点所燃起的电弧，使故障元件更容易损坏。 ( 2 ) 增大的短路电流，对各种电气设备( 如断路器、变压器、变电站母线、线路构架、导线和 支承绝缘子和接地网等) 提出了更苛刻的要求，使得原有的许多设备不能满足新的要求，就必须进行 改造，这样相应的设备投资将是非常巨大的，而且更换设备工期长，造成电网长期处于不正常运行状 态；再者过大的短路电流难以制造能够开断如此大短路电流的开关设备。 ( 3 ) 增大的短路电流，对系统中的设备冲击也很大，使得大型设备的故障率提高，使用寿命下 降，特别是需要承受短路电流的元件，由于发热和电动力的作用，容易引起它们的损坏或缩短它们的 i 浙江大学硕士学位论文 使用寿命。 ( 4 ) 短路电流增大，引起断路器切除故障不及时，可能使并列运行的发电机失去同步而解列， 破坏系统稳定，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大面积停电。这是短路故障最严重的后果。 ( 5 ) 短路电流增人后，因短路电流引起的突发事故的概率也会增加。这样势必影响到供电可靠 性。并对人们生活与社会生产造成巨大的影响。 ( 6 ) 严重影响电压质量。发生短路时，短路点电压几乎为零。附近的系统电压大幅度下降，对 用户影响严重。系统中最主要的负荷是异步电动机，它的电磁转矩与其端电压的平方成正比，电压下 降时，转矩急剧下降使电机停转，以致造成产品报废及设备损坏等严重后果。 此外，短路电流还会对通信造成干扰，危害人身安全。 因此，寻找有效的短路限流措施，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，减小电力系统事故对国 民经济以及人们生活的影响，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。 1 2 传统的限流技术 限制短路电流可以从电网结构、运行方式和限流设备着手，传统的限流措施有 1 1 - 1 5 l ： ( 1 ) 低压电网分片运行、多母线分裂运行或母线分段运行、解列电网 低压电网解开分片运行，母线解列措施，削弱系统的电气密度，简单易行而且效果显著，但可能 降低系统的安全裕度，限制运行操作和事故处理的灵活性；解列电网直接影响系统运行的经济性和可 靠性，并要求增加整个系统的备用容量。如浙江电网为了限制短路电流超标，采取了部分2 2 0 k v 电网 解列的分层分区运行措施1 1 6 】，但要真正解决问题，也要建立在2 2 0 k v 电网完全解环的基础上，这将 大大降低系统的供电可靠性。 ( 2 ) 加强电网规划 在电网规模逐渐增大的情况下，加强电网规划，合理分配新电源位置，采用电源分散接入电网的 措施，优化潮流分布，对限制电网短路电流有重要作用。但这可能会削弱系统可靠性。 ( 3 ) 发展高一级电压电网、采用直流输电联网 发展高一级电压的电网，不少国家均有这样的经验，但是投资大并且涉及到环境的破坏；采用直 流输电联网，短路电流水平可以明显降低。目前我国电网有采用l l o k v ( 或2 2 0 k v ) 直配l o k v ( 或 2 0 k v ) 的发展趋势，如南方电网公司已计划在广州市开始实施l l o k v 直配l o k v 的配电网建设方案， 杭州市电力局也准备开展1 l o k v ( 2 2 0 k v ) 直配l o k v ( 2 0 k v ) 的试点工程等。采用l l o k v ( 或2 2 0 k v ) 直配l o k v ( 或2 0 k v ) 的配电方案，可有效提高供电可靠性、供电质量和降低线路损耗等，但它存在 2 浙江丈学硕 学位论文 l o k v ( 2 0 k v ) 侧短路电流过大，目前还没有相应大容量断路器可供选配，一旦发生短路，将遇到目 前的断路器难以开断短路电流的难题，且两端换流设备的投资很大，对于联络线不长，交换功率不大 时，这种办法经济性很差且往往不可行。 ( 4 ) 在电力线路上使用串联常闭并联旁路开关的限流电阻 当线路发生短路故障，旁路开关打开，故障电流即被转移到限流电阻上。这种方法包括：通过磁 场或其它有并联电阻的高压断路器控制不稳定真空电弧，采用并联电阻及熔断元件的并联开关装置， 以及驱动导体进入正常阻抗状态。由于对检测时间和断路器动作时间有要求，所以这种方法的许多缺 点都与断路器动作困难，反应时间长有关。 ( 5 ) 采用高阻抗变压器、加装限流电抗器 采用高阻抗变压器限制线路短路电流，在电网中已普遍采用，但其稳态运行时损耗较大。采用串 联电抗器包括普通电抗器以及分裂电抗器，也相当于增加系统的阻抗。在发电厂厂用电系统中和 1 0 3 5 k v 变电所中早已采用了这项措施，但是若在高压、超高压系统中采用，电网正常运行时消耗大 量无功功率，降低电网无功功率裕度，而且会降低线路功率输送能力，或在相同输送功率下减小系统 同步稳定裕度。因此，该限流电抗不能太大，所以在故障发生时不能显著地降低短路电流水平。 ( 6 ) 更换断路器以及相关的电气设备。但更换设备投资巨大，在更换设备期间，电网长期处于 不正常运行状态，可靠性大大降低；目前合乎容量要求的设备，在不远的将来，设备容量就可能不满 足短路电流水平了。采用限流式熔断器时，一旦熔断器熔断，便切断了故障电路，但这是单次动作的。 由此可见，上述限制短路电流的各种措施都可以在不同程度上实现对短路电流的约束和限制，但 它们又都各自存在不足，或多或少是以牺牲电网在其他方面指标为代价的。至于加强规划和采用合理 的入网方式，对新建电网而言可以较彻底的解决短路电流问题，但是随着负荷和运行方式的变化，原 有的设计并不能一劳永逸。更重要的是，对于现有系统而言，由于地理位置、原有规划等因素的限制 而变得不可行 因此，研究既能够达到限制故障短路电流要求，又不会在正常运行时对电网产生不良影响，应用 方便灵活的限流方法和限流设备具有重要意义。 1 3 国内外短路限流器研究现状 随着计算机技术、电力电子技术、超导技术和新材料等的发展，限制短路电流以减轻断路器开断 负担已成为可能，在7 0 年代就有人提出了短路限流器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 1 7 l 。它是串接在线路中 实现限制短路电流功能的电气设备，电力系统正常运行时，其呈现低阻抗，压降小，且具有较高的稳 态稳定性和暂态稳定性，几乎不影响电力系统的正常运行；发生短路故障时，其表现为足够高的阻抗 浙江人学硕f 。学位论文 以限制短路电流在合理的范围内，使故障和非故障元件受到较小的热动力和机械应力，确保设备的安 全。与传统的限流措施相比，它具备如下功能特点： ( 1 ) 启动、正常运行( 包括从故障限流状态返回到上e 常运行状态) 时应对电力系统无任何不利 影响； ( 2 ) 保护范围内的系统发生短路故障时应能立即自动插入限流阻抗并有效限制短路电流至要求 的合理水平，且不会引起系统振荡及过电压； ( 3 ) 切除故障回路时应不会引起系统暂态振荡和过电压； ( 4 ) 限流阻抗的设计应不受其他因素制约，即要有极大的自由度； ( 5 ) 可根据需要在一定范围内调整限流水平、限流时间，以便于与继电保护、快速重合闸及其 它自动控制装置的协调配合； ( 6 ) 合理的体积及成本价格。 此外，还应考虑具备软重合闸功能，以利于改善重合闸操作，避免断路器等电气设备重台于永久 性故障回路时的二次冲击。 短路限流器根据其构成原理可分为：超导限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf c l ) 、磁元件限流器、p t c 电阻限流器、固态限流器( s o l i ds t a t ef c l ，将在第二章详细介绍) 以及各种混合式限流器( 如固态 开关和超导混合的限流器、固态开关和机械式断路器混合的限流器、固态开关和机械式断路器及p t c 电阻混合的限流器等等) 。目前国内外研究较多的是超导限流器和固态限流器。 1 3 1 超导限流器 超导现象是指某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度t e ( 临界温度) 时，它们的电阻率突然减小到无法测量( 即电阻为零) 的现象。能够发生超导现象的物质叫做超导体， 当超导体内电流超过某一数值i e ( 临界电流) 或当外磁场强度超过某一数值h e ( 临界磁场) 时，超 导体均会失超，具有正常态的电阻。超导限流器( s u p e r - c o n d u c t i v ef a u l tc u r r e n tl i m i t e x s f c l ) 就 是利用了超导体的超导现象，由超导体以及其他器件组成的特殊拓扑结构从而到达限制短路电流的目 的，根据其是否利用失超特性限流，可分为失超型和非失超型；根据其结构特点还可进一步分为电阻 型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型、饱和铁心型等。失超型超导限流器利用超导体的超导正常( s n ) 态的转变( 即温度、磁场或电流超过临界值时，超导体将由无阻态转移到高阻态) 来达到限制电流的 目的。非失超型超导限流器由超导体线圈和其它元件( 电力电子器件或磁元件等) 结合构成，通过控 制( 改变) 运行模式达到限制短路电流的目的。 由于超导限流器可在高电压下运行，并可实现检测、转换、限流一体化，能在毫秒级内限制故障 4 浙江大学硕+ 学位论文 电流，因此是一种理想的电力系统短路故障限流器，在世界范围内引起了广泛关注。我国中科院也在 研究这种限流技术。下面将分别介绍各种结构的超导限流器一l ：作原理及其国内外研究现状。 ( 1 ) 电阻型超导限流器 图l - 1 是电阻型超导限流器拓扑结构【i s - 2 0 ! ，由低交流损耗的极细超导电缆无感绕制的高温超导线 圈h t s ( h i g l lt e m p e r a t u 旭s u p e r c o n d u c t o r ，又称触发线圈h t s ) 及并 联的普通限流线圈组成。正常运行时，线路电流全部通过处于超导态 的h t s 。一旦发生短路故障，h t s 承受的电流超过其临界电流而出现 高阻态，电流被转换到普通限流线圈中去，从而限制了故障短路电流。 表1 1 列出了电阻型超导限流器的工程状况。 表1 1 ：电阻型超导限流器的工程状况 限制线圈( 普通材料) 图l - 1 电阻型超导限流器 公司( 国家) 指标 指标 采用材料时间 6 6 k v 2 k a ( 有效值) 4 k a 日本 1 9 9 5 焦 ( 峰值) a l c a t e la l s t h o mr e c h e r c h e 4 0 k v 31 5 a b s c c 0 2 2 1 2 棒材 1 9 9 6 芷 法国 a b b 瑞士 1 2 m v a b s c c 0 2 2 1 2 棒材 1 9 9 7 芷 a b b 瑞士 6 4 m 、，a b s c c 0 2 2 1 2 棒材 2 0 0 2 芷 s i e m e n s 德国 l m v a y b c o 薄膜 1 9 9 9 焦 t o s h i b a a n dt o k y oe l e c t r i c 6 6 i ( v ，1 5 k an b 啊1 9 9 9 焦 c o m p a n y 日本 ( 2 ) 桥路型超导限流器 桥路型超导故障限流器概念是由美国的l a n l ( l o sa l a m o s n a t i o n a l ) 和西屋电力公司在1 9 8 2 年首先提出的，其拓扑结构如图 1 - 2 所示，它由二极管d i d 4 、高温超导线圈h t s 和直流偏压源v b 组成。调节v h 使流过h t s 的电流大于系统额定电流峰值，正常运行 时，桥路始终导通，s f c l 不表现任何阻抗。一旦发生短路故障，h t s 转变为高阻态自动串入故障线路限流。若将d i - d 4 换成晶闸管则形 成全控桥型的桥式超导限流器，通过控制晶闸管的触发脉冲可以控制 整个限流器表现不同的等值电感。也有不采用直流偏置结构【2 1 l ，还有 采用双桥路和结合饱和原理的拓扑阱- 2 3 1 。 j 。，2 一4 3 k a ， 相应的u 。5 2 k v 。 由以上分析可见，若转换开关在系统发生短路故障 后3 m s 才能闭合，那么谐振式限流器的电容、转换开关 以及高频振荡阻尼电感、电阻等都将工作在相当严酷的 条件下，这势必大大增加设计时相关器件的选择难度。 为降低设计谐振式限流器时器件的选择难度，同时 降低电容器、转换开关等在短路限流状态下的严酷工作 条件，当系统发生故障时，应确保转换开关在3 m s 内闭 合短接电容器，且越快越好。换句话说，谐振式限流器 应具有极其准确、快速、可靠的故障判断和转换开关操 动机构，以确保系统发生短路时能够快速从正常运行模 式切换到故障限流模式，否则无论对限流器本身还是电 力系统都是相当不利的。 ( 3 ) 限流器自身故障的影响 图2 一1 1 对系统发生短路但转换开关因故拒动，致使 谐振式限流器无法进入限流模式的情况进行了仿真。由 图可以得出如下结论： ( 1 ) 由于系统中存在一定的内电抗x s ，破坏了谐 振式限流器的谐振条件。并可能在系统、电容、电感之 间引发新的振荡( 此处引发了低频振荡) ； ( 2 ) 短路后电容将承受极高的峰值电压和电流( 此 处接近5 0 0 k v 、| 0 0 k a ) ，致使系统短路电流比不装限 流器时更严重! 可见运行中必须确保谐振式限流器转换开关的工 作可靠性，否则系统发生短路故障时一旦拒动，将会造 成极其严重的后果。 ( a ) i ，与t 的关系 ( b ) l 。与t 的关系 ( c ) u 。与t 的关系 图2 - 1 0i m 、k 。、u 锄与k 延迟闭合时间t 的关系 图2 - 1 i 系统故障，限流器不限流 浙江人学硕j 学位论文 2 5 4 串联谐振式限流器限流性能总结 串联谐振式限流器原理、拓扑结构简单，不影响系统正常运行，可将短路电流限制在要求的范围 内，并且可以根据需要设计成带串补型。但其在实际应用中应注意以下问题： ( 1 ) 电网发生短路、转换开关闭合短接电容使限流器从正常运行模式切换到故障限流模式过程 中，会在电容与转换开关回路中产生很高的高频振荡电流( 电压) ，且其幅值与转换开关的闭合时间 成振荡增幅关系； ( 2 ) 在电容支路中串入适当的电感k 可有效降低上述高频振荡的频率和幅值。但会抬高振荡回 路中的临界阻尼电阻值，从而延长振荡的衰减时间； ( 3 ) 可在转换开关支路中串入适当阻尼电阻( 如临界阻尼电阻的! 1 0 ) 加速振荡的衰减，但在 短路限流期间阻尼电阻将要流过全部短路电流，因此其功耗极大； ( 4 ) 系统发生短路后，限流器转换开关必须快速闭合短接电容器以进入短路限流模式，否则其 电容器及转换开关将工作在极其恶劣的条件下； ( 5 ) 在短路限流期间( 断路器未跳闸切断故障回路之前) ，限流器的转换开关将承受全部系统短 路电流以及电容高频振荡电流，当其采用功率半导体器件构成时，应充分考虑能够承受这种运行工况； ( 6 ) 电网发生短路时，若限流器的转换开关因故拒动，将可能在系统与限流器之间引发新的振 荡( 如低频振荡) ，同时电容将承受极高的峰值电压和电流，并使系统短路电流比不装限流器更严重， 因此要确保限流器转换开关的工作可靠性。 2 6 新型固态限流器 2 6 1 新型固态限流器原理及其拓扑结构的改进 新型固态限流器( s s f c l ) 是利用电力电子器件的开关特性，由电感、电力电子器件等构成特定 的拓扑结构从而达到限流目的【1 4 l 。其原理及拓扑结构发展过程经历了：直流限流器拓扑、交流限流器 拓扑、新型固态限流器拓扑。图2 1 2c a ) 为直流限流器原理图，显然，只要适当选择电流源i c ，使 ( a ) 直流限流器( b ) 交流限流器( c ) 新型固态限流器单相拓扑结构 图2 1 2 固态限流器原理与拓扑改进示意图 2 1 浙江人学硕i 学位论文 正常运行时i c 负载电流i ，那么与恒流源并联的二极管必导通，忽略管压降时限流器等效阻抗为零， 不影响正常运行；负载侧发生短路故障时，短路电流jf “n ) 将急剧上升，当上升到i ( “，) i c 时，二 极管截至，之后由于恒流源的作用，短路电流将被i c 限制，即i f 5 h 。) = l c 。图2 - 1 2 ( b ) 为在直流限流 器拓扑上改进形成的交流限流器，它由两个反向串联的直流限流器构成，它们分别在正、负半周起作 用。图2 1 2 ( c ) 是交流限流器的拓扑改进，即新型固态限流器单相拓扑结构，其中左图用一个恒流 源i c 和可控功率半导气器件s l 、s 2 构成固态开关，替代了图2 1 2 ( b ) 中的两个恒流源i c 和普通开关 s ；右图进一步用大直流电感l 和可控功率半导气器件s 3 、s 4 ，替换左图中的恒流源i c 和功率二极管 d 1 、d 2 。 对于三相系统，可在每相中分别加入图2 - 1 2 ( c ) 所示单相新型固态限流器i ，如图2 1 3 ( a ) 所 示，这种限流器各相控制完全独立，互不干扰，在不对称短路故障的情况下，可以保证非故障相不受 影响。但其成本及加工制造困难。可将单相新型固态限流器拓扑结构加以变换，应用于三相系统。根 据系统运行方式不同，有应用于中性点不接地系统和应用于中性点接地系统的三相新型固态限流器 ( 见图2 1 3 ( c ) 、( d ) ) 【1 6 ，1 ”另外，为了限流嚣灵活地接入系统，浙江大学提出了变压器耦合三相 桥式固态限流器( 如图2 1 3 ( b ) ) 以及带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器( 见图2 1 3 ( e ) ) 并成功研制出了样机进行了相关试验( 这将在第三章介绍) 1 8 1 。 下面以带旁路电感的变压器耦合兰相桥式固态限流器为例，说明新型桥式固态限流器工作原理。 根据其工作过程，可分为启动、正常运行和故障限流三个阶段简述其工作原理： 启动阶段( 即限流器投入运行的初始阶段) ：首先合上限流器工作电源并给桥路晶闸管加预触发 脉冲( 即它们全部处于预触发导通状态，其中t 1 ，t 6 构成全导通换流桥。t 7 、t 8 构成续流回路) ，然 后合上一次开关加上系统电源，此时系统电源将通过耦合变压器、整流桥给限流器直流电感充磁。在 几个周期的短暂充磁过程中，耦合变压器将承受较大的电压，直到直流电感电流充磁到线路电流峰值， 充磁过程结束，限流器进入正常运行状态。 正常运行阶段：限流器直流电感电流充磁到线路电流峰值后，由于t 7 、t 。的续流作用，保证了 直流电感电流的近似不变，即相当于恒流源。此时三相桥路中的a 、b ，c 三点等效于同电位，因此， 耦合变压器副边相当于短接，原边压降接近于零( 约为额定电压的5 ) ，旁路电感近似被短接，限流 器对系统影响很小。 故障限流阶段：当负载端发生短路故障时，系统电源电压将全部( 或部分) 加在耦合变压器原边 以及旁路电感上。在限流初期阶段，旁路电感和直流限流电感通过耦合变压器并联后立即自动串入回 路限制故障电流及其上升率；同时限流器控制系统检测到故障并采取相应的控制策略动作”9 , 2 0 l ，在 1 0 m s 内快速关断晶闸管桥路，使耦合变压器副边等效于开路状态，从而将短路电流限制到设计水平。 浙江大学硕七学位论文 此后系统的短路电流完全由旁路电感决定。 c a ) 单相桥式 ( b ) 变压器耦合三相桥式固态限流器( 不带旁路电感) ( c ) 无变压器耦台三相桥式( 用于不接地系统) ( d ) 无变压器耦合三相桥式( 用于接地系统) l ( e ) 变压器耦合三相桥式固态限流器( 带旁路电感) 图2 - 1 3 新型桥式固态限流器原理拓扑结构 2 6 2 新型桥式固态限流器参数设置 同样以带旁路电感的变压器耦合三相桥式固态限流器为例说明其参数设置”j 。 ( 1 ) 耦合变压器 耦合变压器的主要作用为：1 ) 便于三相桥式固态限流器方便地接入系统( 即限流回路) ；2 ) 可 2 3 d l 浙江大学硕上学位论文 降低晶闸管的电压等级，便于晶闸管的合理选择。根据此处耦合变压器的特殊用途，耦合变压器联结 组标号取y y n 0 ，且其原、副边必须均解开形成1 2 个端子。下面说明其一次侧额定电压u t l 、电流i t l 以及变比n ( 本论文均取n 为耦合变压器一次侧额定电压与二次侧额定电压的比值) 的设计。 系统止常运行时，耦合变压器将承受系统额定电流，在启动阶段以及故障限流阶段，耦合变压器 将短时间承受全部系统电压，故耦合变压器一次侧额定电压u t l 、电流i t l 可分别按系统正常运行时的 额定电压u d 、电流i “( 符号意义下同) 设计，即： u t l = c o ( 2 9 ) l f l 2 l “ ( 2 1 0 ) 耦合变压器的变比1 1 应该结合固态限流器换流桥工程设计，尤其是晶闸管的电压特性来考虑。以 便限流器更经济。即选择适当的n 可以使桥路晶闸管投资最小，同时适当兼顾直流电感过流倍数和体 积大小。这是一个比较复杂繁琐的问题，已有文献对新型固态限流器参数设计的经济性进行了一些探 讨，并就实验室1 0 k w s 0 0 a 2 5 0 0 a 样机的参数设计方案作了比较【l ，j 。 ( 2 ) 旁路电感i 州耳o 旁路电感也称交流限流电感，并联在耦合变压器原边。由于正常运行情况下耦合变压器运行在“短 接”状态( 其副边被限流器三相桥短接) ，因此这三个旁路电感在正常情况下处于“被短接”状态( 即其 基本不承受电压、不流通正常电流) ：另一方面在发生短路初期、限流器三相桥路尚未退出导通状态 之前。旁路电感仍可近似为“被短接”状态，其中即使有故障电流流过也不会太大，只有在限流器三相 桥路完全退出工作后它才会开始承担限制短路电流的主要任务( 其中小部分短路电流将经耦合变压器 的漏抗和激磁电抗流通) ，而这时短路电流一般已进入或基本进入稳态工况。因此对于旁路电感，可 只根据所要求的最大稳态短路电流限制值进行设计。即其值与系统线电压有效值u l n ，线电流有效值 h ，要求限制的稳态短路电流倍数k 及系统角频率t o 有关： rr l a ( 8 , c ) 2 蕊l 磊s n i ( 2 - 1 1 ) 此外旁路电感设计时还应考虑其可能承受的最大短路电流和时间。 ( 3 ) 直流限流电感【岫 系统正常运行时，直流限流电感l d 中流过的 是归算到耦合变压器二次侧的交流系统稳态电流 峰值i d ；短路发生后，所流过的电流除了i d 外， 还有一故障分量i m 。厶i 。的大小与短路发生时刻 及控制系统的反应速度( 检测判断时间) 有关。 图2 - 1 4 短路后直流电感电压分析 浙江大学硕f 学位论文 设计限流电感l d 时，通常按最严重短路故障考虑。如图2 - 1 4 所示，假设在t l 时刻发生最严重的三相 接地故障，且短路发生后限流器控制系统及时响应。并及时封锁触发脉冲。由于晶闸管一旦导通只能 过零关断，即已经导通的桥臂将继续导通，因此这里与c 相关的两个晶闸管将继续导通( 其余晶闸 管都将自动关断) ，直流电感上的电压也将一直保持线电压u a b ，该电压将导致直流限流电感中的充磁 电流增加。到t 2 时刻( 即u a b 的负过零点) ，直流限流电感上的电压将由正变负，充磁电流也达到最 大值( 此后将在反向u l b 作用下逐渐减小) 。实际上控制系统对故障的判别需要一定的时间，则最严 重的短路时刻将往前移，假设故障判别时间为6 0 度( 3 3 3 m s ) ，则最严重短路时刻为图中的t o 时刻， 这意味着短路后直流限流电感上额外增加了a t ( - - t 1 嘞) 的充磁时间( 该段时间内正向u 的作用) ， 从而使短路后直流限流电感中的故障分量电流更大。 根据控制系统不同的故障反应时间，考虑如下三种情况： ( a ) 故障发生后控制系统立即响应，即检测判断时间可忽略，则由u f f i l d d i d t 得： a i m = 生n l ai ；s i nc o t d t = 等 c 加， ( b ) 故障发生后控制系统的检测判断时间为3 0 。，则 小鲁c 胁m 砒+ 肛删= 等 协。， ( c ) 故障发生后控制系统的检测判断时间为6 0 6 ，则 吣老t 乓c o s 础+ 扣删= 嚣 以上各式中的【，卅为线电压峰值。 根据要求选定i m 。并结合故障判断时间，可计算获得l d ： 三。：坐上：生匕(2-15) 4 珂国l珂( + 厶) 其中k 与故障判断时间有关，当故障判断时间为6 0 0 时，l c t = 2 5 。 另外，直流限流电感工程应用时应满足如下要求：非故障限流( 正常运行) 工况：最大长期工作 电流为l = 2 峨；故障限流工况：限流峰值电流最大为i d + i 。，流通时间约2 0 m s ，直流电感铁 芯不能进入饱和区。 ( 4 ) 晶闸管( 可控硅) 元件 选择晶闸管元件时，主要须考虑其可能的工作电压与工作电流。 电压选择： 晶闸管无论在系统正常运行状态或短路时所受的电压都须按系统的电压峰值再加一定的安全系 新江大学硕十学位论文 数考虑。即： r 4 5 u “k i k 2 k 3 1 n( 2 1 6 ) 上式中k i 、k 2 分别为电压安全系数、电流安全系数，妫考虑串联s c r 均压的系数，若串联s c r 数较少，可取局= 1 1 。 选择额定电压v d r m = v r 的晶闸管( s c r ) ，则每个桥臂需要s c r 数量为： 栉：- w s c r ( 2 - 1 7 ) 电流选择 选择晶闸管时主要考虑其额定电流l 删与短路冲击电流耐量i 2 1 。 ( a ) 额定电流i xc a v ) 按固态限流器的工作原理，稳态时整流桥晶闸管仅流通正弦半波， 波) 电流为其额定电流的1 5 7 倍，故 i t “) i a d l 5 7 ( b ) 短路冲击电流耐量校核i 2 t 按照固态短路限流器在短路发生后的限流工 况，可得流经直流限流电感及晶闸管的短路电流 波形如上图2 - 1 5 中曲线2 所示，该曲线即为求取 晶闸管短路冲击电流耐量i 2 t 的参考曲线。为方便 起见，该i 2 t 值可按近似正弦( 曲线1 ) 计算。 图中曲线底宽2 0 m s ，短路电流峰值为= x 2 n k l v ，直流电感正常稳态电流( = 交流系统 即晶闸管允许通过的正弦( 半 ( 2 1 8 ) ，7 、v 曲线1 “广( o )、 、 咖 曲线2 、 、 l i 图2 - 1 5 短路后晶闸管电流波形 正常稳态电流的峰值) 厶= x 压n i , n ，流经晶闸管桥臂的短路电流等效为近似曲线1 ，其中： l ”= i s c u 一厶，其有效值为k = 勺吻。 则短路时流经桥臂的冲击电流耐量( ，n 。为： 廿唧寸1 0 政1 0 + i s ? + 2 i l , 。) x 2 0 1 0 0 0 ( 2 - 1 9 ) 所选择的晶闸管必须同时满足上述电压要求外，还应满足电流要求，即 ( j k 1 5 7 ( 2 2 0 ) ，2 f ( + 珐+ 2 1 z l m ) x 2 0 1 0 0 0 浙江大学硕十学位论文 2 6 3 新型桥式固态限流器仿真分析 图2 1 6 仿真电路图 以2 2 0 k v 系统为例，通过p s c a d 仿真分析新型固态限流器的限流性能。仿真电路图见图2 1 6 ， 系统及新型固态限流嚣参数如表2 - 2 所示。由于仿真软件p s c a d 中没有三相变压器原，副边均解列 开成1 2 个端子的模型，此处使用三个单相耦合变压器代替。 ( 1 ) 启动( 直流电感充磁) 过程 假设0 ，3 s 闭合电源开关b r k 给负载供电，预先给桥路加触发脉冲，带旁路电感三相桥式变压器 耦合固态限流器的启动过程如图2 1 7 所示( 图中横轴表示时间，其单位为s ，电压单位为k v 、电流 浙江大学硕l 学位论文 单位为i 哦，以下各图若无特殊说明，均如此，不再赘述) ： ( 1 ) 开关闭合的瞬间，耦合变压器及并联旁路电感承受全部电源电压，但由于旁路电感的存在， 且旁路电感阻抗远小于变压器副边未短接时原边的等效阻抗，且为负载阻抗的1 2 0 负载侧电压的建 立非常快。在直流限流电感还未完成充磁过程时，系统电压已通过旁路电感加到负载上，且