[发明专利]一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器

说明书

技术领域

本发明涉及一种串联谐振型限流器。

背景技术

随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高，短路故障对电力系统及其相连的电气设备的破坏性也越来越大。而且，在对电能的需求量日益增长的同时，人们对电能质量、供电可靠性和安全性等也提出了更高的要求。然而，大电网的暂态稳定性问题比较突出，其中最重要的原因之一是由于常规电力技术缺乏行之有效的短路故障电流限制技术。目前，世界上广泛采用断路器对短路电流全额开断，由于短路电流水平与系统的容量直接相关，在断路器的额定开断电流水平一定的情况下，采用全额开断短路电流将会限制电力系统的容量的增长，并且断路器价格昂贵且其价格随其额定开断电流的增加而迅速上升。随着电网容量和规模的扩大，断路器的开断能力已经越来越难以适应电网运行的需要。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。当前比较成熟的故障限流器技术主要有串联限流电抗器、串联谐振型限流器、可控串补限流器等，而处于研究阶段的故障限流器技术主要是应用新材料实现的限流技术，包括超导限流器、PTC热敏电阻限流器。

PTC热敏电阻限流器（Repetitive current limiter basedon polymeter PTC resistor.IEEE Transon Power Delivery，1998,13(2):489-494.）是一种基于绝缘体-金属相变材料的电阻型限流器，目前采用的绝缘体-金属相变材料主要有BaTiO3和有机高分子聚合物等热敏材料。

中国专利200710036527“基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法”还提出了一种基于硫系化合物相变材料的限流器及制作方法。另外，超导电阻型限流器也是一种基于相变材料的限流器。PTC绝缘体-金属相变材料制作的热敏电阻，在温度作用下能够发生相变，从而引起其电阻性能产生巨大的变化，在低于相变温度时处于低阻态，在高于相变温度时处于高阻态，两种状态下的电阻相差可达五个数量级以上。基于PTC材料和超导材料的限流器，在发生短路故障时，由于电阻的阻值增加，同时又承受大电流，因此电阻的发热量和损耗非常大，这对制作电阻提出了很高的要求，制约了其大规模的发展。

在当前的限流器技术中，串联谐振型限流器的技术较为成熟，可靠性也较高。串联谐振型限流器没有无功功率损耗，具有很大的应用前景。对于串联谐振型限流器而言，电容器旁通电路是一个关键技术，主要有以下几种旁通电路：基于饱和电抗器的旁通电路（两种经济型故障限流器的工作特性比较，电力系统及其自动化学报，2005，17（4）：71-75）、基于避雷器的旁通电路（氧化锌避雷器式故障限流器对电力系统暂态稳定性的影响，电力自动化设备，2007,27（8）：51-54）。采用避雷器作为旁通电路，尽管响应速度快，但是避雷器有一定残压，通过短路电流时损耗很大。

发明内容

为了克服常规串联谐振型限流器的缺点，本发明提出一种基于绝缘体-金属相变电阻的谐振型限流器。

本发明基于绝缘体-金属相变电阻的限流器采用VO₂、V₂O₃等负温度系数相变材料的片、块或薄膜制成的电阻模块串联和并联组合而成。将绝缘体-金属相变电阻作为电容器的旁通电路，或者采用绝缘体-金属相变电阻与避雷器配合使用，可进一步加快电容器旁通电路的响应速度，并有效保护避雷器。本发明提出的基于绝缘体-金属相变电阻的限流器，灵活、易实施，可应用于各种不同电压等级、不同容量的电网系统中。

以VO₂绝缘体-金属相变材料为例，随着温度的升高，在68°C附近会发生单斜结构和金红石结构的晶型转变，与此同时由半导体态转变为金属态，此转变在纳秒级时间范围内发生，随之伴随着电阻率、磁化率、光的透过率和反射率的可逆突变。应用VO₂绝缘体-金属相变材料可比较方便制作出绝缘体-金属相变电阻单元模块，由于相变材料的高、低阻两种状态之间是可逆变化的，这种新型限流器可重复使用，在电力系统和电气电子线路领域具有非常广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明可以采用以下两种技术方案：