本發(fā)明涉及一種四繞組磁通約束型故障電流限制器，屬于電力系統(tǒng)短路保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力系統(tǒng)的輸送容量不斷提升，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)愈加復(fù)雜，電力系統(tǒng)各級(jí)電網(wǎng)中的短路電流水平不斷增加。部分地區(qū)的短路容量已經(jīng)達(dá)到甚至超過斷路器的遮斷容量，而大容量斷路器受限于制造水平和高造價(jià)，故障電流過大已嚴(yán)重威脅到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。

故障電流限制器(faultcurrentlimitation，fcl)，可以有效限制電網(wǎng)在故障狀態(tài)下的暫態(tài)故障電流，在不改變電網(wǎng)架構(gòu)的前提下，保持電網(wǎng)繼電保護(hù)的可靠性和現(xiàn)有配置，提高電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)安全性和暫態(tài)穩(wěn)定性，是當(dāng)前超高壓電網(wǎng)建設(shè)中重要的電力裝備之一。

故障電流限制器的工作機(jī)理為：在系統(tǒng)正常時(shí)呈現(xiàn)低阻抗，減小系統(tǒng)壓降，降低對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行的影響到最小程度；在接地故障等異常發(fā)生時(shí)，呈現(xiàn)高阻抗，從而限制電網(wǎng)短路電流水平。故障電流限制器的主要優(yōu)勢(shì)有：1、減輕斷路器的開斷壓力；2、減少線路損耗，改善系統(tǒng)功角穩(wěn)定性；3、避免電力設(shè)備達(dá)到選型時(shí)的熱穩(wěn)定極限，提高利用率。

故障電流限制器當(dāng)前比較成熟的類別有：諧振型故障電流限制器、超導(dǎo)故障電流限制器(中科院電工所)、磁控開關(guān)型故障電流限制器(上海交大)、新型固態(tài)限流器(浙江大學(xué))。超導(dǎo)故障電流限制器反應(yīng)速度快，損耗低，缺點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)昂貴、材料不穩(wěn)定；固態(tài)限制器基于全控器件，具有快速限制和分段能力，但造價(jià)高、損耗大；諧振型故障限制器可實(shí)現(xiàn)自觸發(fā)，但體積大、造價(jià)高。

公開號(hào)為：cn103825262a，專利名稱為：一種雙回線用的故障電流限制器，采用了裝于鐵心柱的兩耦合線圈的結(jié)構(gòu)，可以一定程度實(shí)現(xiàn)故障電流的限制。但是，該技術(shù)方案也存在一些問題，主要在于：1)這種故障電流限制器只能是用于雙回線(每一回線均為三相線路)，因此對(duì)于普通單回輸電線路或電纜線路無法使用，且雙回線路主要側(cè)重于220kv或500kv的輸電系統(tǒng)，應(yīng)用范圍較為局限；2)故障電流限制器僅可應(yīng)對(duì)三相接地故障，對(duì)電網(wǎng)尤其是配電網(wǎng)中常見的單相接地故障難以起到效果；3)成本較高，雙回線路的各自相均需要一個(gè)鐵芯組成限制回路，因而三相共需3個(gè)鐵芯，從而大大增加了成本。公開號(hào)為：cn104332977a，專利名稱為：磁通約束型故障電流限制器，它采用裝于鐵心柱的三耦合線圈的結(jié)構(gòu)，可以在發(fā)生短路故障時(shí)自動(dòng)限制故障電流。但是該限流器的鐵芯磁通不可控，在精確設(shè)計(jì)電抗器的阻抗百分?jǐn)?shù)時(shí)比較困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明目的是提供一種可應(yīng)對(duì)單相接地故障且其鐵芯磁通量可控的故障電流限制器，它適用于單回路的0～500kv輸配電線路。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

本發(fā)明的一種四繞組磁通約束型故障電流限制器，包括作為故障電流限制器本體的變壓器鐵芯、三個(gè)交流繞組和一個(gè)直流勵(lì)磁繞組；三個(gè)交流繞組分別以相同的方向卷繞在變壓器鐵芯上，且每個(gè)繞組各自接入電網(wǎng)的三相線路中的其中一相線路；所述直流勵(lì)磁繞組也按相同方向均勻繞在變壓器鐵芯上，且由直流線路供電，用以控制變壓器鐵芯內(nèi)磁通量(通過對(duì)直流繞組電流的控制使鐵芯內(nèi)磁通量可控)；當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單向線路接地故障時(shí)，非故障相電流所產(chǎn)生的磁通量矢量和可以對(duì)故障相電流進(jìn)行限制，從而確保故障相電流在斷路器開斷電流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)故障電流限制。通過控制直流繞組的電流量可有效控制鐵芯內(nèi)磁通量大小，從而改變故障電流限制器的對(duì)外電抗值。直流繞組的增加，降低了四繞組磁通約束型故障電流限制器的設(shè)計(jì)難度，并使鐵芯內(nèi)磁通量大小可控。

各相交流繞組的進(jìn)線點(diǎn)和出線點(diǎn)還分別并聯(lián)有旁路開關(guān)。旁路開關(guān)的作用有二：1)在故障電流限制器發(fā)生故障時(shí)，可以利用旁路開關(guān)將故障電流限制器切除；2)在發(fā)生單向線路接地故障后繼電保護(hù)會(huì)將故障相線路切除，此時(shí)可以利用旁路開關(guān)將其余非故障相線路與故障電流限制器旁路，保證非故障相線路的功率平衡，從而維持非故障相線路的運(yùn)行。

故障電流限制器安裝于三相平衡的電纜線路或架空線路的首端、中部或末端。

各相交流繞組的變比為1：1：1。這可保證電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)的電壓和潮流平衡，以及鐵芯柱內(nèi)磁通和磁勢(shì)的平衡。

上述直流勵(lì)磁繞組均勻分布在鐵芯上。

上述變壓器鐵芯為單相雙柱式鐵芯。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明能夠適用于單回輸配電線路、涵蓋0～500kv高壓輸電線路。在系統(tǒng)正常狀態(tài)下，本發(fā)明對(duì)系統(tǒng)傳輸功率及線路電流幾乎無影響，電壓損失小。在發(fā)生單相接地故障時(shí)，則能快速有效抑制故障相電流。本發(fā)明的四線圈磁通約束性故障電流限制器的整機(jī)損耗較低，損耗主要為銅損。相比常規(guī)故障電流限制器，本發(fā)明能夠在故障發(fā)生時(shí)刻基于磁通約束機(jī)理，實(shí)現(xiàn)故障電流的及時(shí)響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間短，應(yīng)對(duì)故障電流反應(yīng)迅速。相比普通的磁約束型故障電流限制器，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上增加直流繞組，從而使鐵芯內(nèi)磁通量受控。本發(fā)明的三相交流繞組以及直流勵(lì)磁繞組共用一個(gè)鐵芯，成本較低。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中四繞組磁通約束型故障電流限制器結(jié)構(gòu)原理圖；

圖2為實(shí)施例2中四繞組磁通約束型故障電流限制器帶旁路開關(guān)的結(jié)構(gòu)原理圖；

圖3為實(shí)施1中四繞組磁通約束型故障電流限制器的系統(tǒng)接入圖；

圖4為不接入故障電流限制器情況下系統(tǒng)正常工作時(shí)a、b、c三相線路的仿真電流圖；

圖5為接入故障電流限制器情況下系統(tǒng)正常工作時(shí)a、b、c三相線路的仿真電流圖；

圖6為不接入故障電流限制器情況下系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)a、b、c三相線路的仿真電流圖；

圖7為接入故障電流限制器情況下系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)a、b、c三相線路的仿真電流圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

實(shí)施例1：

圖1和圖3為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。如圖1所示，該實(shí)施例的四繞組磁通約束型故障電流限制器，由一個(gè)變壓器鐵芯作為故障電流限制器本體，該變壓器鐵芯為單相雙柱式鐵芯。變壓器鐵芯上安裝有三相交流繞組a、b和c用于與電網(wǎng)的三相線路連接，其中a相繞組接入電網(wǎng)的a相線路，b相繞組接入電網(wǎng)的b相線路，c相繞組接入電網(wǎng)的c相線路，各相繞組以相同的方向卷繞在變壓器鐵芯上。

如圖3所示，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生單向線路接地故障如c相線路發(fā)生接地故障時(shí)，則可通過a相電流ia和b相電流ib經(jīng)a相繞組、b相繞組所產(chǎn)生磁通對(duì)c相電流ic進(jìn)行限制，從而確保ic在斷路器開斷電流范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障相電流的限制。

各相繞組的變比為1：1：1，保證電網(wǎng)在正常運(yùn)行時(shí)的電壓和潮流平衡，以及鐵芯柱內(nèi)磁通和磁勢(shì)的平衡。故障電流限制器安裝于三相平衡的電纜線路或架空線路的首端、中部或末端。

實(shí)施例2：

圖2給出了本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例與第一個(gè)實(shí)施例的區(qū)別在于各相繞組的進(jìn)線點(diǎn)和出線點(diǎn)還分別并聯(lián)有旁路開關(guān)ka、kb和kc。旁路開關(guān)的作用有二：1)在故障電流限制器發(fā)生故障時(shí)，可以利用旁路開關(guān)將故障電流限制器切除；2)在發(fā)生單向線路接地故障后繼電保護(hù)會(huì)將故障相線路切除，此時(shí)可以利用旁路開關(guān)將其余非故障相線路與故障電流限制器旁路，保證非故障相線路的功率平衡，從而維持非故障相線路的運(yùn)行。

圖4至圖7給出了本發(fā)明的實(shí)施效果的仿真電流圖。圖4表明在不接入本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器時(shí)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的三相電流瞬時(shí)值，其幅值設(shè)定為148a。圖5表明在接入本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器時(shí)電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的三相電流瞬時(shí)值，幅值設(shè)定為147a?？梢姡陔娋W(wǎng)正常工作時(shí)，本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器的接入對(duì)系統(tǒng)電流及輸送功率基本無影響

圖6表明不接入本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器時(shí)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障運(yùn)行時(shí)的三相電流瞬時(shí)值，其中a相電流為3482a，b、c相電流為148a，可看出故障電流較大。圖7表明接入本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器時(shí)電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障運(yùn)行時(shí)的三相電流瞬時(shí)值，其中a相電流為423a，b、c相電流為148a。因此，本發(fā)明的四繞組磁通約束型故障電流限制器確實(shí)對(duì)單相接地故障的故障電流起到較大的抑制作用。

相比于常規(guī)故障電流限制器在成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度、觸發(fā)速度等性能指標(biāo)難以兼顧，本發(fā)明依據(jù)磁通平衡原理，提出在某一相線路發(fā)生接地故障時(shí)，另外兩相電流產(chǎn)生的磁通對(duì)故障相的短路電流實(shí)現(xiàn)限制。本發(fā)明的四繞組磁通約束型的故障電流限制器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可兼顧成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度、觸發(fā)速度等性能指標(biāo)。

本發(fā)明能夠在系統(tǒng)正常狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)傳輸功率及線路電流基本無影響，在發(fā)生單相接地故障時(shí)，能快速并有效抑制故障相電流。本發(fā)明中磁通約束性故障電流限制器的整機(jī)損耗較低，損耗主要為銅損。相比常規(guī)故障電流限制器，本發(fā)明中故障電流限制器在故障發(fā)生時(shí)刻，可實(shí)現(xiàn)故障電流的及時(shí)響應(yīng)，其響應(yīng)時(shí)間短，應(yīng)對(duì)故障電流反應(yīng)迅速。相比普通的磁約束型故障電流限制器，本發(fā)明在結(jié)構(gòu)上增加直流繞組，從而使鐵芯內(nèi)磁通量受控。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。