本發明屬于供電系統的短路限流保護技術領域，更具體的，涉及一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器。

背景技術：

隨著電網規模的日益擴大，短路電流不斷攀升，甚至會超過現有斷路器的遮斷容量，這對各種電氣設備的危害也越來越嚴重，傳統的限流措施，比如采用直流聯網技術，變壓器中性點經小電抗接地和提高斷路器的遮斷容量等，然可以對短路電流加以不同程度的限制，但同時也會帶來這樣或那樣的負面影響，所以對故障電流限制器（faultcurrentlimiter,fcl）的研究勢在必行；fcl大致可分為材料型和非材料型兩種類型：材料型fcl是根據自身阻值會隨溫度變化這一特性來達到限流目的，如超導體fcl和ptc電阻fcl等，但散熱和冷卻費用過于昂貴，所以材料型fcl目前只能應用于中低壓電網中；非材料型fcl則是采用改變自身拓撲結構來調節其等值阻抗的方法來進行限流，如磁飽和型fcl、固態fcl、諧振型fcl等；從技術和經濟層面考慮，非材料型fcl更適合應用于高壓電網中。

最初提出的串聯電抗器型fcl是將電抗器與快速開關并聯，線路正常工作時快速開關閉合，電抗器被短路，fcl對線路沒有任何影響，當短路故障發生時，快速開關斷開，電抗器被接入線路中起到限流作用，但由于電抗器剛接入時電流不能突變，相當于開路，所以在開關兩端會產生很高的過電壓，可能使得開關處產生電弧，則開關不能正常開斷，fcl起不到良好的限流作用。

技術實現要素：

本發明專利克服了現有技術條件的不足，提供了一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器，其特征在于，所述裝置由快速開關k，充電電容c，限流電感l，整流二極管d1、d2、d3、d4，可控火花間隙sg，保護用zno避雷器組成；線路正常運行時，快速開關k處于閉合狀態，限流電感和全橋整流電容充電回路被完全短路，此時所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器幾乎不消耗任何有功功率，也無需任何無功功率維持其狀態，對電網正常運行沒有任何影響。當線路發生短路故障時，快速開關迅速斷開，經過由d1-d4和電容器組成的支路的短暫穩壓和換流后，短路電流被完全轉移到限流電感上，此時無論是開關還是由d1-d4和電容器組成的支路都視為斷路狀態，所述裝置的等效阻抗就等于限流電感阻抗，通過對電感取值不同，從而實現不同的限流效果；zno避雷器為整個一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器提供暫態過電壓保護，可控火花間隙sg用于防止避雷器受到短時穩態過電壓的作用而損壞。

總體而言，通過本發明所構思的技術方案，與現有的技術相比，能夠取得以下有益效果：所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器將快速開關、限流電感和全橋整流電容充電回路并聯；通過調節限流電感的大小來改變限流系數，調節電容的大小來改變換流時間。

附圖說明

圖1為本發明專利fcl拓撲結構圖。

圖2為本發明專利電源電壓us和線路電流is波形圖。

圖3為本發明專利安裝有fcl時a相的短路電流波形圖。

圖4為本發明專利安裝有fcl時a相的母線電壓波形圖。

圖5為本發明專利a相母線電壓諧波分析圖。

圖6為本發明專利電容c上電壓波形圖。

圖7為本發明專利電容c上電流波形圖。

圖8為本發明專利二極管d1電壓波形圖。

圖9為本發明專利二極管d1電流波形圖。

圖10為本發明專利電容充電電壓ucmax與電容c的變化關系圖。

圖11為本發明專利線路電流峰值ismax與電容c的變化關系圖。

圖12為本發明專利串聯電抗器型fcl的l上電壓波形圖。

圖13為本發明專利fcl的l上電壓波形圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方法，對本發明進行進一步的詳細說明，應當理解，此處所描述的具體實施方法僅僅用于解釋本發明，并不用于限定本發明。

在系統中沒有限流器時系統的短路電流為if，限流器投入限流后的短路電流為il，系統電源側總阻抗為rs+jxs=rs+jωls，且rs??xs，則系統電源側總等效阻抗約為系統電抗xs，假設限流器的等效電抗為xfcl，則限流系數α可以定義為：

由上式可求得限流器等效電抗為：

由此fcl的限流原理可知，xfcl大小即為限流電感l的電抗值，所以有：

由以上三式即可確定限流電感l的大小。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器以電源電壓某一過零點時刻t0為計時起點，在t0后某一段時間t1時刻發生短路故障，對應線路電流的相位為ωt1-?[0]，在t2時刻k斷開，在t3時刻電容c充電結束，則可設電源電壓為us=umsinωt，并設負載阻抗為r+jx；圖2中以短路發生在線路電流is已過峰值時刻為例；當t1≤t≤t2時，即在短路發生時刻到開關k斷開之前，此為短路發生后的第一階段；線路上電流為：

式中，

當t2≤t≤t3時，即從開關k斷開到電容c充電結束，此為短路發生后的第二階段；則k斷開后，由kvl得：

整理得：

設對應齊次方程的特征方程表達式為：

整理得：

解得：

所以線路電流：

c上最終充電電壓為：

當t≥t3時，即電容c完全退出電路，只有電感l參與限流，此為短路發生后的第三階段。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器以一無限大功率電源供電的配電系統為例，利用matlab/simulink中的sps模塊對此系統進行短路仿真，線路在0.1s時發生三相短路，以a相為例進行說明，且快速開關在發生故障后2ms斷開，所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器正式投入限流。由圖3可知，短路電流暫態峰值被限制到4.1ka左右，僅為之前未加fcl時的26.8%，大大降低了短路電流峰值，有效保障線路設備的動穩定性，斷路器也可正常開斷；由圖4可知，母線電壓穩態峰值維持在7.34kv左右，而由圖5知，母線電壓雖有畸變，但諧波分量僅為4.07%，所以母線上其他用電設備不會受到嚴重影響。

由圖6可知，快速開關斷開后，電流迅速轉移到全橋整流電容充電回路，電容c快速充電，電壓很快達到11kv，而后穩定在該值不變，由圖7可知，c上電流先迅速增加到2.57ka，而后電流又迅速降到零，表明充電結束。

由圖8可知，c充電結束后，二極管d1上反向電壓峰值迅速達到10kv，而后逐漸下降，最后穩定在9.3kv左右，由圖9可知，d1上電流先迅速達到2.57ka，而后快速下降到零。

當發生短路故障時，限流器中l和c的取值直接影響限流效果，間接影響線路、設備和器件的選擇，所以l與c之間的配合關系至關重要，此處以對c上充電電壓ucmax和線路電流峰值ismax的影響為例進行分析。本例中系統電感ls歸算到低壓側時大約為2mh，又因為要求fcl應把短路電流穩態峰值限制到未安裝fcl時的50%以下，所以限流電感l取值應大于2mh，本例中取l為10mh。如圖10可知，當l一定時，隨著c的增加，ucmax先急劇下降，當達到400μf時變化緩慢，基本在11kv左右保持不變。如圖11可知，隨著c的增加，ismax先是變化緩慢，基本在4.1ka左右保持不變，當達到800μf時才有明顯的上升趨勢，而后隨著c的增加急劇上升，所以綜合考慮c應取值在400~700μf之間。

由圖12可知，快速開關斷開后，l上電壓峰值突變至540kv，如此高的過電壓很可能在快速開關斷口處產生電弧，則開關不能正常開斷，l又相當于被短路，fcl起不到限流效果。由圖13可知由于全橋整流電容充電回路的自然換流作用，開關開斷瞬間，由于電容c上電壓不能突變，則保證l上電壓也不會突變，而后電壓峰值僅為11kv，開關觸頭早已達到安全開斷距離，不會引起電弧，保證了開關的正常開斷和l的快速限流。

所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器不影響線路的正常工作。當發生短路時，所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器的限流電感能快速投入，大大降低短路電流峰值和穩態值，且顯著減少母線電壓降落。所述裝置采用機械式快速開關，動作速度快，通流容量大，且不需要復雜的控制系統。由于所述裝置中全橋整流電容充電回路的存在，開關能夠安全斷開，不會產生電弧，且由于電容c處于整流狀態，所以所述一種基于整流電容電流自然換流的短路故障限制器不會與系統電感ls發生串聯諧振，以免造成更嚴重的危害。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施方法而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均應包含本發明的保護范圍之內。