新型固态短路限流器系统中耦 合变压 器 的研究

新型固态短路限流器系统中耦 合变压 器 的研究 洳?,、唼 硕士学位论文 ?论文题目 堑型国查丝整坠速墨亟绫主 作者姓名 至(益 指导教师 然堡墓塾撞 所在学院 塾氢兰猩鲎瞳 浙江大学硕士学位论文 摘要 随着经济的发展，电力需求日益增长，电力系统的规模也逐渐扩大，电网的短路电流水平迅速提高，越来越威胁着电力系统的安全稳定运行，近年来，世界上许多国家投入大量人力物力开展短路限流技术的研究和故障限流器的开发，浙江大学于上世纪九十年代中开始进行新型固态短路限流技术的研究工作，至今已近有十年的历史，已对适用于交流系统的限流技术进行了较为深入的研究，并获得多项专利成果，拥有自主的知识产权。 但大量短路故障限流器还处于实验和试验阶段，限流系统设备的重量、体积和成本问题是目前短路限流装置走向应用的主要障碍，本论文结合饱和型耦合变压器桥式固态限流器系统对耦合变压器的特殊要求，提出一种用场路耦合的方法分析饱和型耦合变压器运行特性以及此特殊变压器的设计要求，降低限流系统设备的重量、体积以及成本，使短路限流技术走向应用。 论文的第,章首先综述了电力系统的发展现状以及电力系统对短路技术的要求，并在大量文献的基础上对现有一些短路限流技术进行了介绍。 第,章主要结合浙江大学近十年来取得的专利成果介绍了新型固态限流器的研究现状，详细介绍了桥式固态限流器的工作原理以及拓扑结构，并就饱和型耦合变压器固态限流器系统运行状态研究了系统对饱和型耦合变压器的特殊要求。 第,章则在第,章的基础上主要分析了在线变压器的电磁性能，建立相应的数学模型，就变压器运行的状态进行有限元分析。本文提出用场路耦合的方法计算分析变压器的特性，并用能量扰动法计算变压器等效电感。最后实例试验分析，确定此特殊变压器的设计要求。 在确定了特殊变压器的设计要求后，在第,章中用,,,,,建立系统仿真计算模型进行系统仿真对比研究，并印证设计的合理性。同时在第,章节中用,,,,,,进行仿真对比试验。最后第,章进行论文的研究总结和分析，提出尚需要解决的问题和以后努力的方向。关键词:电力系统;短路故障;固态限流器;限流电感;饱和;耦合变压器;有 限元;场路耦合;能量扰动法 新型固态短路限流器系统中耦合变压器的研究 ,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,,,,,,,, ,, ,,, ,,;,,,,，,,, ,,,,,, ,, ,,, ,,,;,,,;,, ,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,,(,, , ,,,,,,，,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,,;,,;,,, ;,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,;,,,,, ,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,(，, ,,, ,,;,,, ,,,,,，,,,, ;,,,,,,,, ,,,, ,,, ,,,,, ,,,,, ,,, ,, , ,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,;,, ,, ,,,,,,;, ,,, ,,;,,,,,,, ,,,,,,,,;,,;,,, ;,,,,,, ,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,,,,,,(,,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,, ,,,,, ,,也, ;,,,,,,,,,,,,, ,,,,,;,,,, ,, ,,, ,, ,,,,, ,,,,,, ,,, ,,, ,,, , ,,,,,, ,, ,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,;,,,, ,,,,,,,, ,,,,,, ,,,;, ,,, ,,,,,,;, ,, ,,, ,,,,, ,,,,,,;,,;,,,;,,,,,, ,,,,,,, ,, ,,, ,,,, ;,,,,,, ,,,(,,,,, ,,,, ,,, ,,,, ,,,,,, , ,,;,,, ,,,,,,,( ,,,,,,,?, ,,,,, ,,,,,, ,, ,,,,,;,,;,,, ,,,,, ;,,,,,, ,,,,,,,, ,,, ,,,,, ,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,,, ,,,,,(,,, ,,, ,,,,, ,,,,,,，,,,,, ,,,,,, ,,, ,,,, ,,,, ,,,,, ;,,,,,,,,,,,,,,, ,？,,,,,,,, ,,;,,, ,,, ,,,, ,,,,,;,,, ,, ,,, ,,, ,,,,,;,,,,,(,,,,, ,,,,,，,;;,,,,,, ,, ,,, ,,,;,,, ,,,,,,,,,,, ,,,,,?, ,,？,,,,,,,,, ,, ,,, 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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，对电能的需求也曰益增加，为满足日益增加的电力需求，我国的电力建设不断加强，电力系统及输电技术得到了迅速发展，电网发展开始进入全面推进西电东送、南北互供和全国联网，实现更大范围资源优化配置的新阶段，这主要表现为:一、为满足远距离以及大容量电能输送的要求，输电电压越来越高。我国一次能源分布不均，电厂和负荷中心往往相距甚远，尤其是一次能源主要集中在西部而负荷中心又主要在东部，因此必须采用高压远距离输电。虽然直流系统在远距离输电、异地联网、跨海输电等方面有相当的优势，但考虑到造价和控制灵活等方面的因素，高压远距离交流输电和高压直流输电将会长期并存。二、电力系统越来越大，结构也越来越复杂，在人类消耗的各种形式的能量中，由电力系统供应的电能所占的比例越来越高。 但是，随着规模和容量的增大，现代电力系统正面,,笛着一系列新的矛盾和问题，面临着前所未有的挑战。其中，短路电流随着输电容量的增加而急剧增大，因为随着电力系统容量的不断增大，相当于在电网中任何一点接入的电源容量加大，短路电流水平也就迅速提高，现有的断路器往往无法满足急剧增大的断流容量的要求，载流导体及各类电气设备也无法满足不断提高的动稳定和热稳定等方面的要求，被迫更换不满足要求的大量电气设备，短路电流的急剧增大成为了现代电力系统建设的一个制约因素，短路限流技术应运而生。,(,、现国内外短路限流技术的发展状况 随着电力系统容量的增大，系统短路电流越大，对电气设备要求也越高，制造成本也相应提高，单纯用提高电气设备承受短路电流能力的方法是相当不经济、不现实的，应采取有效的 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 来限制短路电流的增长。在,,年代就有人提出了短路限流器，或称故障电流限制器(,,,(,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,，或,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,)，研制这种设备已有近三十多年的历史，人们作了大量研究工作，涌现出多种类型的限流器。美国电力科学研究院(,,,，(,,,;,,,; 新型固态短路限流器系统中耦合变压器的研究,,,,,,,,,,,;,，,,,,,,,,)在上个世纪,,年代初期，成立了一个专门的调查组织，面向电力系统和电力 用户，针对电力系统短路电流及其抑制，做了一个深入的调查研究，研究 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 认为研发故障限流器(,,,(,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,)势在必行嘲，国际大电网会议组织在,,,,年成立了专门的工作组(,，,,, ,,,,,?睿?,,,,,,,(,,)开始进行限流器的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化研究”,。,(,(,、国内外常规短路技术装置 电力系统中为限制短路电流，国内外常规的做法是在电网中串入一个限流的电抗器。这个电抗器在电网无故障运行时，由于在其上有电压降落以及损耗，对电网的输电质量有一定的影响。同时，由于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。 另有一类故障限流器是单次动作的，例如能限制故障电流的限制式熔断器，一旦熔断器熔断，便切断了故障电流。,(,(,、几种新型短路限流技术及其优缺点 而对电力用户而言，更需要能多次动作的故障限流器，现在随着计算机技术、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，由于电力电子技术以及大容量电力电子器件如普通晶闸管,,,、门极可关断晶闸管,,,、大功率双极型晶体管,,,、绝缘栅双极晶体管，,,,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，超导型,,,和电力电子型,,,是目前研究比较多的两种。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,,,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许多条件的限制，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,,,等产品价格日益下降，从 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 技术上而言，这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 已具备了可行性;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未成熟。 近十年来，先进国家如美国、瑞典、日本等都投入巨资积极开展较先进的短路限流技术的研究，并取得了一些有实际应用价值的成果。下面针对目前国内外有关文献报道较多的超导故障限流器、,,,电阻限流器、谐振式短路限流器、以 , 浙江大学硕士学位论文及固态短路限流器的优缺点作简单介绍。,、超导型故障限流器,田 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(,,,)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，因此，超导故障限流器(,,,,,;,,,,;,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,，简称,,,,)的研究在世界范围内己引起广泛的关注。 超导故障限流器(,,,,)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,，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”(？,,,;,)产生非线性高电阻，从而限制了短路电流。超导故障限流器正是利用超导体的,,,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，,,,,还具有以下卓越性能:(,)保证电流不超过阙值，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;(,)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:(,)正常运行时，发热和损耗都小。 ,,,,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,倍,,倍，可以减小现有开关设备、断路器的损耗，节省电力部门的投资。目前国内外超导限流器有多种型式，主要有四种类型:电阻型、电感型(又称变压器型)、磁屏蔽型、饱和铁芯型，此外还有其他型式的,,,,， 其原理均为利用超导体的,,,态转变来限流。但目前超导技术在电工领域的应用还受到许多条件的限制，特别是在大功率场合的应用技术尚不成熟，成本也极其昂贵。超导体在失超后需要较长的时间才能恢复到超导态，这对需要快速重合闸的应用场合就无法满足。也就是说，超导技术目前的实用化、商品化程度还不能满足作为新产品开发的要求。同时,,,,的研制还有赖于超导技术的发展和其他相关技术的进步。,、,,,电阻限流器 ,,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,;,,,,)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,,,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。,,,电阻限流器是由能导 新型固态短路限流器系统中耦合变压器的研究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,,,电阻发热膨胀，热量来不及散发使电阻温度迅速增加，,,,电阻阻值在伽时间内增加为高电阻值，从而起到限制故障电流的作用，已有相关应用于美国海军新型战略舰上。 由于,,,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,,,电阻两端必须并联限过压设备。,,,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。,,,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。,,,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。,、谐振式短路限流器嘲 谐振式短路限流器是利用电感,和电容,组成的谐振电路，其等效阻抗,在谐振态和失谐状态下可以有很大的差异。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分别设计成串联谐振限流器(如图,(,)和并联谐振限流器(如图,(,)。采取适当的控制措施，可使其在谐振或失谐状态下工作，并使其在系统正常情况下呈现低阻抗，而在系统发生短路故障时阻抗迅速增高，从而达到正常情况下基本不影响系统运行、故障情况下限制短路电流的目的。 图,(,为串联谐振限流器，正常运行时，,,,发生串联谐振，阻抗为,。故障时，,,,闭合，,,串入电路限流。其中,，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。 , 浙江大学硕士学位论文 ,一卜 图,(,串联谐振限流器 图,(,(,)、(,)为并联谐振式限流器结构图【,】，其中图(,)中，电容,与线路串联，提供串联补偿，当短路发生时，晶闸管,,,触发导通，使电感,与电容,并联谐振电路工作，限制故障电流。图(,)中，正常运行情况下，电流流过,,,开关，当故障发生时，,,,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(,)中,,,只在故障时才接通，而(,)中,,,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,,, ,作，比较可知图(,)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,,,个储能元件组成，在短路故障发生而使,;,(或,,,)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。 (,) (,) 图,(,并联谐振限流器,、固态 短路限流器 固态短路限流器(,,,,, ,,,,, ,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,，简称,,,,,),”原理图如图,(,所示，其主要由三部分组成:一个快速动作的,,,开关，一个限制电流的阻抗，一个氧化锌(,,,)避雷器，此外，还有一套检测电流的装置及一套控 , 新型固态短路限流器系统中耦合变压器的研究制装置。在正常负荷条件下，,,,开关闭合并处于完全导通状态。,,,开关由电流大小或电流上升率驱动，在几十微秒内可转换为断开状态，并可断开很大的电流，使故障电流在达到所有破坏性的数值前很快受到限制。在,,,关断瞬间，电流流向吸收保护的电容，吸收保护在晶闸管电压达到避雷器动作电压之前，限制了电压的上升速度。该电压也加在限流阻抗上，由于限流阻抗的作用，故障电流受到了限制。当故障被清除，线路电流恢复正常，,,,开关则在电压为零或接近零时接通，这样可以避免吸收电容放电电流太大，限制阻抗上的电流将在零点几秒内衰减掉。 ,,,避雷器 图,,,(固态限流器原理接线图,(,、本文研究内容 浙江大学于上世纪九十年代中期开始进行新型固态短路限流技术“”的研究工作，至今已有十年的历史，已对适用于交流系统的限流技术进行了较为深入的研究，并曾获得国家自然科学基金的支持，先后发展了直流短路限流技术、交流短路限流技术、新型桥式固态限流技术;在此基础上开发了基于电力电子器件的变压器耦合三相桥式限流器、带旁路电感的变压器耦合三相桥式限流器等，并获得了多项专利成果，拥有自主的知识产权。 相对短路限流原理的探索和固态限流器设备的开发，如何将固态限流器应用于电力系统，如何降低限流直流电感容量与耦合变压器等电气设备体积还较少为人们讨论，然而，对于固态限流器的研究而言，经济运行于电网将是不可回避的 , 浙江大学硕士学位论文重要问题，也是目前固态限流器没有广泛运用于电力系统的关键问题，成本和装置体积问题是目前短路限流装置走向商业应用的主要障碍。 降低电气设备的体积，特别是耦合变压器的体积和限流电感的容量，使限流器能够经济广泛的运行于电力系统，成为了研究的热点。本论文主要研究内容由三大部分组成，首先本文结合国内外诸多文献的相关研究及固态限流器在电力系统中应用的条件和特点，重点研究分析耦合变压器桥式固态限流器系统，针对系统对该变压器的要求，提出饱和型变压器替代常规变压器,,、或带旁路电感的变压器。”、或变阻抗变压器嘲;其次建立饱和型变压器性能分析模型、计算方法和设计方法，提出一种求解在线运行变压器电磁场分布的分析方法，用,,,,,进行有限元场路耦合分析计算和试验仿真并进行改进设计;最后采用,,,,,与,,,,,,相结合的方法进行系统仿真分析，与实验结果比较以论证本文所用方法的正确性，进一步计算饱和型耦合变压器桥式固态限流器系统在系统故障过程中的限流特性，并与具有旁路电感的短路故障限流器系统进行比较。 短路限流器在电力系统中的应用是一个很大的课题，本文只是针对新型桥式固态限流器如何并入电网，降低电气设备成本与体积，和将桥式固态限流器广泛经济的运用于电力系统作了初步的探讨和分析，对于上述问题的解决还需要更深入的研究和试验。 新型固态短路限流器系统中耦合变压器的研究 第,章耦合变压器固态限流器工作原理及特性 导言;相对而言，在众多的固态限流器中，基于现代电力电子学的固态限流器方案具有兼顾可靠性、快速性、成本低等综合性能的优势。在本文后面内容中对耦合变压器的研究是应用于桥式固态限流器系统，在对耦合变压器的研究前，首先有必要先对桥式固态限流器系统的电路拓扑和工作原理进行介绍，并比较 具有旁路电感的短路故障限流器系统和饱和型耦合变压器桥式固态限流器系统，本章将就固态限流器的工作原理以及固态短路限流系统对耦合变压器的特殊要求作详细论述。,(,、拓扑结构与基本工作原理 文献〔,,,提出的桥式固态限流器具有对电力系统的正常运行无明显影响，在短路故障发生时无延时自动插入限流电抗，断开故障电流时不会引起附加振荡和过电压，可实现无电流冲击的软自动合闸等优点。 图,(,所示为桥式固态短路限流器单相拓扑结构原理图“”，图中,,为系统电压，,，为负载阻抗。如对晶闸管,,、,,常加触发脉冲，其工作就象二极管，电感电流可经,,、,,流通(续流)。,,、,,作为固态开关，控制负载电流,在正负半波的正常导通。若调节,使满足，。。,,，则砣、,,恒续流导通，正常的负载电流流经该限流器时?。。,,，即限流器几乎呈现零阻抗。当负载侧发生短路(例如在电源电压正半波)时，电流,跳至屯值时,,截止，电感厶立即自动串入短路回路限制了短路电流的上升速率及其最大峰值，只要及时封锁,，、,,的门控脉冲，则最多在,,,,左右时间内，当电源电压过零时,,以及,,关断，短路故障被迅速切除，而较大的电感电流经他、,,续流而短接，不会产生过电压。 , 浙江大学硕士学位论文 „，,文,,, ,,;, , „,牛童 (,)桥式固态限流器 (,)在电网中应用结构 图,(,矫式固态短路限流器单相拓扑结构 图,(,桥式限流器实际上是一个全控桥，控制各管的触发脉冲即可控制其工作在整流或逆变状态【,,】。短路时及时控制使其工作在逆变状态使电感中的能量反馈至电网，相当于短路电流的即可迅速下降到零。当控制桥路各管的触发角在,,。附近范围内工作时还可调节稳态短路电流的大小以及满足时限配合保护的要求。当需要重合闸时，开始将触发角拉至极大，使重合闸以较小的电流开始，再逐步减小触发角直至正常工作，以这种软启动重合闸方式工作可避免重合于永久性故障所造成的巨大冲击电流的损害。 单相拓扑线路可应用于三相电力系统，其优点是三相相互独立，故障时相间不影响，控制简单，缺点是需要三台单相耦合变压器和三套单相桥式固态限流器，基于专利短路限流式三相变压器咖,，用一台三相变压器代替三台单相变压器，则三相不接地系统拓扑和三相接地系统拓扑可以简化图,(,与图,(,，三相变压器采用,绕组的三相变压器，限流电感跨接在三相整流桥，每个限流单元由限流电感和反并联二极管构成，,绕组各与三相整流桥上、下臂的中点相连。工作时，限流电感的电流值乙恒大于负载电流的峰值，二极管在正常工作时恒导通，等效于变压器中点短接;当输出端发出任何形式的短路时，两个二极管或至少其中一个被截止，限流电感即自动串入短路回路，可限制短路电流的上升。采用三相变压器,绕组中点的特性接入共同的限流单元，不仅能有效地限制各种相间和对地短路的短路电流，而且使限流单元和变压器有机结合，可大大简化整体结构。图,(,中,,、,,、,;分别表示变压器副边。 , 新型固态短路限流器.