一种储能型大电流快速灭磁装置的制作方法

本发明涉及快速灭磁技术领域，尤其涉及一种储能型大电流快速灭磁装置。

背景技术：

直流励磁绕组(也叫激磁绕组)是可以产生恒定直流磁场的线圈绕组。直流励磁绕组一般用于电动机和发电机内，有串励和并励之分。发电机内使用励磁绕组，可以替代永磁体，产生永磁体无法产生的强大的磁通密度，且方便调节，从而实现大功率发电。直流励磁绕组还常用于饱和铁芯型限流电抗器中，在正常运行状态下产生恒定的直流磁场使限流器的铁芯处于饱和状态，保证限流器不影响线路的功率传输。

近年来，直流励磁绕组的额定励磁电流随着发电机、电动机和限流器容量的提高而逐渐增大。在同步发电机发生故障时，要迅速转移或消灭励磁绕组磁场内的大量能量以减小事故扩大，保护发电机组；在电网系统发生短路故障时，需要迅速断开直流励磁电源，并转移或消灭直流励磁绕组中的大量能量以使限流器迅速投入使用，限制电流的峰值以保护线路中的各种设备。由于直流励磁绕组通常具有大电感特性，要迅速转移或消灭其中的能量较为困难。因此，提高灭磁保护装置的性能是非常必要的。一般要求灭磁装置在保证安全性的前提下，可以应对不同的恶劣工况，快速可靠地转移或消耗存储在直流励磁绕组中的能量。此外，灭磁装置还应当易于操作和维护。

对于直流励磁绕组的快速灭磁装置而言，除了满足灭磁装置基本操作要求外，还应当满足以下三点基本要求：

1.灭磁速度要尽可能快，即时间要尽量缩短。

2.在灭磁过程中，直流励磁绕组两端的电压不能超过规定的限值。

3.灭磁过程最后，必须保证剩余励磁电流低于限值。

在上述三点基本要求中，灭磁时间是评判灭磁装置性能最重要的一个指标，通常规定灭磁时间为灭磁装置动作到灭磁结束之间的时间。灭磁装置的快速性涉及到设备乃至电网系统的安全性和稳定性，因此需要优先保证灭磁时间这一指标。

按照原理的不同，可以将灭磁分为以下三种：

1.耗能型灭磁

早期的串联灭磁属于耗能型灭磁，其工作原理为：利用灭磁开关消耗励磁绕组中的能量，当灭磁开关跳变后，存在于励磁回路中的磁能，在燃烧室中形成电弧，当能量耗尽后电弧熄灭。上世纪八十年代之前，由于励磁系统大多选用直流或者多机励磁的方法，因此，灭磁的方式也基本选取串联灭磁方法，主要在中国和前苏联有应用。但是由于其开关动作可靠性较差、故障率偏高、灭磁效率低、断弧能力差等诸多缺点，世界其他国家没有发展和应用该灭磁系统，目前此类灭磁开关已被市场淘汰。

2.移能型灭磁

随着可控硅自并励系统的出现，灭磁方式也从利用断路器实现的耗能型向移能型方式转变，移能型方式是指利用断路器和跨接器来转移灭磁时励磁回路中的磁场能量的方式。此类灭磁方法的作用原理是：灭磁系统通过动作灭磁开关，将励磁绕组接入到灭磁回路中，灭磁回路接有耗能型元件，利用该元件将励磁绕组中的能量消耗掉。耗能元件可分为线性电阻和非线性电阻，因此移能型灭磁可以大致分为以下两种形式：

(1)移能型灭磁开关与线性电阻组合

此种灭磁方法的灭磁电路构成比较简单，但也存在很多缺点，例如灭磁时间过长，拖尾现象严重，不能在发生故障需要时实现迅速灭磁。除此之外，此类灭磁开关经常发生误动作，检修困难，威胁设备的安全。

(2)移能型灭磁开关与非线性电阻组合

80年代以来，越来越广泛地选取非线性电阻灭磁方式。非线性电阻灭磁方式能够有效地提高灭磁速度，常见的有氧化锌(zno)和碳化硅(sic)电阻。

现在普遍采用的灭磁方法是移能型灭磁开关与非线性电阻组合的移能型灭磁方法，其借助于灭磁开关转移励磁绕组中的能量，由灭磁回路中的非线性电阻消耗这部分能量。虽然该方法可以实现快速灭磁，但其直流励磁绕组中的能量被非线性电阻所消耗，无法再利用，会造成能量的浪费，因此该方法不符合电力系统节能发展的需要。

3.储能型灭磁

为了利用灭磁时直流励磁绕组中储存的大量能量，有学者提出储能型灭磁方法。储能型灭磁方法主要包括以下两种：

(1)电池储能

在灭磁回路中接入电池，可以在灭磁过程中将励磁绕组中的能量转移到电池中，实现能量的存储和转化。电池灭磁的优点是可以实现励磁能量的再利用，且灭磁速度较为稳定；缺点是灭磁速度慢，且容易导致电池的损坏，进而影响灭磁回路的可靠性。

(2)电容储能

在灭磁回路中接入大电容，可以在灭磁过程中将励磁绕组中的能量迅速转移到大电容中。其优点是灭磁速度快，存储至电容中的能量可通过后续放电步骤实现再利用；缺点是在快速灭磁的过程中，能量迅速转移至电容，若选取的电容容量较小，电容两端的端电压将迅速升高，可能对电容产生危害；若选取的电容容量较大，则会降低灭磁的速度。另外，由于装置中没有隔离设备，电容的存在可能会危害直流励磁绕组的再励磁过程。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种储能型大电流快速灭磁装置，通过在灭磁回路中增加隔离变压器，改进电容储能型灭磁装置，旨在优先保证灭磁快速性的基础上，实现励磁绕组中能量的存储和再利用，同时可增加电容的容量以保证电容的安全性，并在灭磁回路中增加隔离设备，避免电容元件危害直流励磁绕组的再励磁过程。

本发明的第一方面提供了一种储能型大电流快速灭磁装置，包括：

直流励磁电源、直流励磁绕组、灭磁开关、隔离变压器、一次侧定向二极管、二次侧定向二极管、电容、第一放电开关和放电回路；

灭磁开关串联在直流励磁电源和直流励磁绕组之间，灭磁开关、直流励磁电源和直流励磁绕组构成第一串联回路；

一次侧定向二极管串联在隔离变压器的一次侧，一次侧定向二极管并联在直流励磁绕组两端；

隔离变压器的二次侧、二次侧定向二极管和电容串联；

第一放电开关与放电回路串联后并联于电容构成第二串联回路。

可选的，装置还包括：

第二放电开关和放电回路；

第二放电开关与放电回路串联后，并联在电容两端。

可选的，隔离变压器的匝数比为n：1，n大于第一阈值。

可选的，灭磁开关用于在励磁时接通直流励磁电源与直流励磁绕组，在灭磁时断开直流励磁电源。

可选的，放电开关用于在灭磁过程完成后将电容与放电回路接通。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中，提供了一种储能型大电流快速灭磁装置，包括：直流励磁电源、直流励磁绕组、灭磁开关、隔离变压器、一次侧定向二极管、二次侧定向二极管、电容、第一放电开关和放电回路；灭磁开关串联在直流励磁电源和直流励磁绕组之间，灭磁开关、直流励磁电源和直流励磁绕组构成第一串联回路；一次侧定向二极管串联在隔离变压器的一次侧，一次侧定向二极管并联在直流励磁绕组两端；隔离变压器的二次侧、二次侧定向二极管和电容串联；第一放电开关与放电回路串联后并联于电容构成第二串联回路。通过上述方式，通过引入隔离变压器与电容相配合，同时实现快速灭磁和能量转移、存储和再利用的功能，通过定向二极管和隔离变压器的隔离作用，不影响直流励磁电源的接入和励磁绕组的再励磁过程。

附图说明

图1为本发明实施例中储能型大电流快速灭磁装置的一个结构示意图；

图2为储能型大电流快速灭磁装置处于直流励磁状态时等效电路的示意图；

图3为储能型大电流快速灭磁装置处于灭磁状态时等效电路的示意图；

图4为储能型大电流快速灭磁装置灭磁时直流励磁绕组的电流曲线示意图；

图5为储能型大电流快速灭磁装置处于电容放电状态时等效电路的示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种储能型大电流快速灭磁装置，通过引入隔离变压器与电容相配合，同时实现快速灭磁和能量转移、存储和再利用的功能，通过定向二极管和隔离变压器的隔离作用，不影响直流励磁电源的接入和励磁绕组的再励磁过程。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1，本发明实施例中储能型大电流快速灭磁装置一个实施例包括：

直流励磁电源、直流励磁绕组、灭磁开关、隔离变压器、一次侧定向二极管、二次侧定向二极管、电容、第一放电开关和放电回路；

灭磁开关串联在直流励磁电源和直流励磁绕组之间，灭磁开关、直流励磁电源和直流励磁绕组构成第一串联回路；

一次侧定向二极管串联在隔离变压器的一次侧，一次侧定向二极管并联在直流励磁绕组两端；

隔离变压器的二次侧、二次侧定向二极管和电容串联；

第一放电开关与放电回路串联后并联于电容构成第二串联回路。

可选的，装置还包括：

第二放电开关和放电回路；

第二放电开关与放电回路串联后，并联在电容两端。

可选的，隔离变压器的匝数比为n：1，n大于第一阈值。

可选的，灭磁开关用于在励磁时接通直流励磁电源与直流励磁绕组，在灭磁时断开直流励磁电源。

可选的，放电开关用于在灭磁过程完成后将电容与放电回路接通。

灭磁开关k1串联于直流励磁电源与直流励磁绕组之间，用于在励磁时接通直流励磁电源与直流励磁绕组，在灭磁时断开直流励磁电源，并将能量转移至灭磁回路中。r和l为直流励磁绕组的等效电阻和等效电感。隔离变压器的一次侧ax与一次侧定向二极管d1串联后并联于直流励磁绕组两端，二次侧ax与二次侧定向二极管d2、电容c串联。隔离变压器的一次侧与二次侧的匝数比为n:1；二极管d1和d2确定了隔离变压器一次侧和二次侧的电流流向。ul、il、uc分别为直流励磁绕组两端电压、直流励磁绕组电流和电容两端电压，其方向规定如图1所示。放电开关k2与放电回路串联后并联与电容c两端，用于在灭磁过程完成后将电容上储存的能量通过放电回路进行再利用。

本发明的储能型大电流快速灭磁装置共有直流励磁状态、灭磁状态、电容放电状态及励磁绕组再励磁状态共四种状态。下面针对储能型大电流快速灭磁装置的各种工作状态进行分析。

1.直流励磁状态

图2为储能型大电流快速灭磁装置处于直流励磁状态时的等效电路。此时，灭磁装置的灭磁开关k1闭合，直流励磁电源给直流励磁绕组供电，直流励磁绕组通过恒定电流il。由于此时一次侧定向二极管d1承受反压，故隔离变压器与励磁绕组之间相当于断开，没有能量流过。

2.灭磁状态

图3为储能型大电流快速灭磁装置处于灭磁状态时的等效电路。当直流励磁绕组收到快速灭磁的指令时，灭磁装置的灭磁开关k1断开，放电开关k2断开。由于直流励磁绕组的电感l具有续流作用，二极管d1、d2承受正电压而导通，等效电路为具有隔离变压器的rlc串联电路。由二阶电路分析可知电感l中的能量将迅速通过变压器向电容转移，电感l上的电流il将从初值il(0+)＝il(0_)迅速减小至0，il(0_)为灭磁开关k1断开时电感l上的电流。当电感l的电流il减小至0后，由于二极管d1、d2承受反电压而关断，电容c上储存的能量无法返回至电感l。因此当直流励磁绕组上的能量全部转移至电容c后，灭磁状态结束即灭磁装置完成灭磁。

为简化分析，将隔离变压器视为理想变压器，可用式(1)的二阶微分方程描述图3的等效电路。根据kvl和kcl理论可得：

此方程为齐次微分方程，其特征方程为式(2)：

特征根为：

式中：β＝r/2l，对不同的电路参数r、l、c和匝数比n，特征根有以下三种不同情况。

(1)当2β＞ω0时，s1和s2为两个不等实根

微分方程的解为式(3)：

待定系数a1和a2可由il和dil/dt的初值求得。最后可得il的表达式为式(4)：

由式(4)可以看出，il按指数规律衰减，最后趋向于0。即过阻尼非震荡过程。

(2)当2β＝ω0时，s1和s2为一重根，即

s1＝s2＝-β

微分方程的解为式(5:)：

il＝il(0+)(1+βt)e^-βt(t≥0)(5)

由式(5)可以看出，il的变化情况与过阻尼非震荡过程相仿，但衰减速度比过阻尼非震荡过程更快，即处于临界状态。

(3)当2β＜ω0时，s1和s2为一对共轭复根，经过进一步确定待定系数a1和a2，可得il的表达式为式(6)：

由式(6)可以看出，il为幅值按指数规律衰减的正弦波，即欠阻尼震荡过程。

根据式(4)-(6)以及对灭磁过程的分析，可以得到电感l的电流il随时间变化的曲线示意图。图4为储能型大电流快速灭磁装置灭磁时直流励磁绕组的电流曲线，其中：

ω0(4)＞ω0(3)＞2β＝ω0(2)＞ω0(1)

由图4可知，在β不变的情况下，电流il从初值il(0+)减小至0的时间随着ω0的增大而减小。由于β＝r/2l，其中r、l为直流励磁绕组的等效参数，不可更改，因此在确定的系统中，β保持不变，影响灭磁时间的因素为ω0，即增大隔离变压器的匝数比n或减小电容c都可以提升直流励磁绕组的灭磁速度，实现快速灭磁。

接下来考虑灭磁前后能量转移问题。在开始灭磁时，所有的能量储存在电感l中，灭磁完成后，除去电阻r上消耗的小部分能量外，基本上所有的能量都转移并存储在电容c中。电感l中的能量为wl＝lil²/2，在确定的系统中等效电感l中的初始能量是确定的；电容中的能量为wc＝cuc²/2，若忽略等效电阻r上消耗的能量，可近似认为wc＝wl。因此，电容c的大小不仅与灭磁时间相关，还与电容存储的能量相关。虽然减小电容c可以提升灭磁速度，实现更快速的灭磁，但同时电容c两端的电压uc就必须相应增大，以保证能够存储相同的能量。而电容是有一定的电压承受等级的，不能无限制的增大其两端的电压，否则可能对电容产生危害。这就是普通的电容储能型灭磁装置无法解决的矛盾。

本发明的储能型大电流快速灭磁装置引入隔离变压器的匝数比n，即可解决上述问题。根据电容c和电感l的能量公式，可以得到在保证电容c两端电压不超过限制值ucmax的情况下，电容c的取值范围为

在确定了电容c的取值后，即可根据实际工程对快速灭磁时间的需要，确定隔离变压器的匝数比n的取值。这样，即可在保证电容两端的电压不超过额定值、实现电容的安全和稳定工作的前提下，同时实现快速灭磁和能量转移、存储的功能。

3.电容放电状态

图5为储能型大电流快速灭磁装置处于电容放电状态时等效电路的示意图。此时放电开关k2闭合，电容向放电回路放电，将能量转移出去进行再利用。放电回路用于实现电能的再利用，可以是储能电池、装置或系统，也可以是各种变流设备。由于该状态下灭磁已完成，隔离变压器和二极管d1和d2的隔离作用保证了电容放电时不会影响到直流励磁绕组。这样就实现了能量再利用的功能。

4.励磁绕组再励磁状态

储能型大电流快速灭磁装置处于直流励磁绕组再励磁状态的等效电路与图2相同。此时灭磁开关k1闭合，直流励磁系统接入，直流励磁绕组进行再励磁。由于隔离变压器和二极管d1和d2的隔离作用，即使此时电容上的能量尚未完全放出，也不会影响到励磁绕组的再励磁过程。

本发明实施例中，提供了一种储能型大电流快速灭磁装置，包括：直流励磁电源、直流励磁绕组、灭磁开关、隔离变压器、一次侧定向二极管、二次侧定向二极管、电容、第一放电开关和放电回路；灭磁开关串联在直流励磁电源和直流励磁绕组之间，灭磁开关、直流励磁电源和直流励磁绕组构成第一串联回路；一次侧定向二极管串联在隔离变压器的一次侧，一次侧定向二极管并联在直流励磁绕组两端；隔离变压器的二次侧、二次侧定向二极管和电容串联；第一放电开关与放电回路串联后并联于电容构成第二串联回路。通过上述方式，通过引入隔离变压器与电容相配合，同时实现快速灭磁和能量转移、存储和再利用的功能，通过定向二极管和隔离变压器的隔离作用，不影响直流励磁电源的接入和励磁绕组的再励磁过程。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。