CN101373895B - 混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法 - Google Patents

混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于快速限制故障电流的混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法，该混合型超导故障限流器具有彼此并联连接的第一电路和第二电路，其中，第一电路包括彼此串联连接的超导体和断路器，第二电路包括具有驱动线圈和电磁排斥器的驱动器、与驱动器并联连接的短路接触器、与包括驱动器和短路接触器的第三电路串联连接的限流单元。该混合型超导故障限流器包括与第一电路串联连接的功率半导体元件开关，功率半导体元件开关在正常情况下保持在ON状态，并由于根据故障电流的流入产生的故障感测信号而被激活并变成OFF状态。

Description

混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法
本申请要求于2007年8月20日提交的第2007-0083221号韩国专利申请的优先权，其内容通过引用被完全包含于此。
技术领域
本发明涉及一种混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法，更具体地讲，涉及一种操作可靠性得到改进的混合型超导故障限流器及限制故障电流的方法，该混合型超导故障限流器能够在故障电流流入该混合型超导故障限流器时消除在高速开关将故障电流传输到限流单元的同时断路器会出现的弧电流。
背景技术
超导体在系统(system)中在该系统正常操作状态期间表现出零电阻，然而，当故障电流流入该系统时，超导体失超，并由此产生限制故障电流的电阻。此时，该电阻会导致相当大的能量被施加到限流器。当施加到运行超导体的系统的电压高时，由于超导体产生的阻抗而导致流入超导体的能量相应地增大。因此，需要许多超导体来分散能量。
然而，超导体的价格昂贵且许多超导体意味着大的体积，大的体积会提高安装和冷却超导体的成本。为了克服上述问题，已经公开了包括现有的断路装置和少量的超导体的混合型超导故障限流器(参见2006年8月17日提交的第10-2006-0077520号韩国专利申请)。
图1是示出了根据现有技术的混合型超导故障限流器的结构的电路图。
参照图1，故障限流器包括主电路和辅电路。主电路包括：高速开关2，具有断路器2a、驱动线圈2b、电磁排斥器(electromagnetic repeller)2c和短路接触器(short contact)2d；超导体1，与断路器2a串联连接。辅电路包括用于限制故障电流的限流单元3。断路器2a与电磁排斥器2c和短路接触器2d机械地连接，从而，在电流施加到驱动线圈2b的情况下，穿过电磁排斥器2c出现涡电流，因此，断路器2a与短路接触器2d一起被操作。限流单元3可包括具有限制故障电流的阻抗的电力熔断器(a power fuse)、电阻器、电抗器、超导体、半导体元件等。
图2是示出了混合型超导故障限流器的测试结果的曲线图，图3是示出了基于图2的测试结果的混合型超导故障限流器的操作时间点的曲线图。在图2和图3中，限流单元3包括彼此并联连接的限流熔断器和电阻器。
参照图1至图3，在没有任何故障的正常操作状态期间，电流Itot流过闭合的断路器2a和超导体1，使得由于电阻的产生导致的损失基本上为“0”。然而，在故障电流流入故障限流器的情况下，超导体1开始非常高速地失超(6-1)，超导体1处出现的阻抗使故障电流旁路到驱动线圈2b。由于故障限流器被设计成阻抗非常小，因此只有低电压立即从电力系统施加到故障限流器，从而少量的超导体可足以实现故障限流器。此时，通过流入驱动线圈2b的电流产生磁场，在位于驱动线圈2b上方的电磁排斥器2c处感应出具有抗磁分量的涡电流。因此，电磁排斥器2c快速移动并开启与电磁排斥器2c机械连接的断路器2a，从而切断流入超导体1的故障电流(6-2)。在断路器2a开启的瞬间，穿过断路器2a出现弧电流，这导致故障电流继续流入超导体1。为了消除弧电流，故障限流器被设计成闭合与电磁排斥器2c机械连接的短路接触器2d(6-3)。短路接触器2d用于去除穿过与超导体1串联连接的断路器2a出现的弧电流，并防止故障电流流入驱动线圈2b。整体故障电流通过短路接触器2d被传输到辅电路，因此，消除了穿过断路器2a的弧电流(6-4)，随后，故障电流被传输到辅电路并被限流单元3减小(6-5)。这里，限流单元3被设计成在操作上滞后于超导体1和高速开关2。
图4是示出了当电弧没有被故障限流器的主电路阻挡时的测试结果的曲线图，图5是示出了当电弧没有被故障限流器的主电路阻挡时的Imain的测试结果的曲线图。参照图4和图5，由于主电路和用于限制电流的辅电路之间的阻抗差异，导致在限流单元3开始操作之前，穿过与超导体1串联连接的断路器2出现的电弧不能被充分地去除(7-1)。因此，由于主电路和辅电路之间的阻抗差异导致穿过断路器2a再现电弧(7-2)(这样可降低弧阻抗)，使得故障电流会经过变成正常导电状态的超导体1和由于电弧变得导电的断路器2a。此时，大部分电压被施加到处于正常导电状态的超导体1，使得故障能量会流入超导体1中，从而损坏超导体1。
发明内容
本发明提供了一种混合型超导故障限流器，该混合型超导故障限流器能够通过消除由断路器剩余的弧电流导致的混合型超导故障限流器的误操作或使断路器在空载的状态下运行，来提高其操作的可靠性。在示例性实施例中，本发明的示例性实施例提供了一种用于快速限制故障电流的混合型超导故障限流器，该混合型超导故障限流器具有彼此并联连接的第一电路和第二电路，其中，第一电路包括彼此串联连接的超导体和断路器，第二电路包括具有驱动线圈和电磁排斥器的驱动器、与驱动器并联连接的短路接触器、与包括驱动器和短路接触器的第三电路串联连接的限流单元，该混合型超导故障限流器包括与第一电路串联连接的功率半导体元件开关，功率半导体元件开关在正常情况下保持在ON状态，并由于根据故障电流的流入产生的故障感测信号而被激活并变成OFF状态。
该混合型超导故障限流器还可包括：功率二极管，与第二电路串联连接，以防止由于功率半导体元件开关而产生反向电压。
该混合型超导故障限流器还可包括：功率二极管，与驱动线圈串联连接，以防止由于功率半导体元件开关而产生反向电压。
功率半导体元件开关可被超导体失超时在绝缘变压器处感应出的电信号激活，其中，绝缘变压器与超导体并联连接。
功率半导体元件开关可被来自操作传感器的电信号激活，该操作传感器检测由于故障电流流入驱动线圈产生的磁场导致的电磁排斥器的移动。功率半导体元件开关可被由于故障电流流入驱动线圈产生的磁场导致的电信号激活。
功率半导体开关元件可被短路接触器根据故障电流的流入导致的电磁排斥器的移动而闭合时产生的电信号激活。
超导体可包括薄膜超导体或薄膜线型超导体。
超导体可包括Y-Ba-Cu-O类高温超导体或Bi-Sr-Ca-Cu-O类高温超导体。
限流单元可包括故障电流切断组件和与故障电流切断组件并联连接的负载电阻器，其中，故障电流切断组件阻挡故障电流。
故障电流切断组件可选自于由电力熔断器、非线性可变导体和超导体组成的组。功率半导体元件开关可选自于由绝缘栅双极晶体管(IGBT)、门极关断晶闸管(GTO)、集成门极换流晶闸管(IGCT)和晶闸管组成的组。
本发明的另一示例性实施例提供了一种利用根据本发明示例性实施例的混合型超导故障限流器来限制故障电流的方法。
附图说明
下文中，参照附图来更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，而不应该被理解为限于在此阐述的实施例。
图1是示出了根据现有技术的混合型超导故障限流器的结构的电路图；
图2是示出了图1中的混合型超导故障限流器的测试结果的曲线图；
图3是示出了基于图2中的测试结果的混合型超导故障限流器的操作时间点的曲线图；
图4是示出了当电弧没有被图1中的故障限流器的主电路阻挡时的测试结果的曲线图；
图5是示出了当电弧没有被图1中的故障限流器的主电路阻挡时的Imain的测试结果的曲线图；
图6是示意性示出了根据本发明第一示例性实施例的包括功率半导体元件开关(power semiconductor element switch)的混合型超导故障限流器的电路图；
图7是示意性示出了根据本发明第二示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的电路图；
图8是示意性示出了根据本发明第三示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的电路图；
图9是示出了根据本发明示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的测试结果的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参照附图来描述本发明的构造和操作。
图6是示意性示出了根据本发明第一示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的电路图。
参照图6，混合型超导故障限流器包括超导体1、高速开关2、限流单元3和功率半导体元件开关5。
超导体1可包括当失超时电阻快速增大的薄膜线型(wire-type)超导体和薄膜型超导体。超导体1可包括Y-Ba-Cu-O类高温超导体或Bi-Sr-Ca-Cu-O类高温超导体，但不限于此。
高速开关2包括：短路接触器2d，由两个分离的端子组成；电磁排斥器2c；驱动线圈2b，用于通过电流来产生电磁力；断路器2a。这里，电磁排斥器2c可以由轻质且导电性强的金属性材料制成，以易于感应出具有抗磁分量的涡电流。
限流单元3包括故障电流切断组件(比如电力熔断器)和负载电阻器，其中，负载电阻器与故障电流切断组件并联连接且用于限制旁路电流。故障电流切断组件可选自于由电力熔断器、非线性可变导体和超导体组成的组，但不限于此。
功率半导体元件开关5在正常情况下保持在ON(导通)状态，但受由于故障电流的流入产生的故障检测信号的驱动而变成OFF(截止)状态。因此，可以完全去除经过超导体1的电流。即，根据本发明示例性实施例的混合型超导故障限流器可以通过利用功率半导体元件开关5去除剩余的弧电流，来防止由于利用超导体1阻挡高的故障电流而使超导体受损。功率半导体开关元件5可选自于由集成门极换流晶闸管(IGCT)、门极关断晶闸管(GTO)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和晶闸管组成的组，但不限于此。
下文中，将根据本发明的示例性实施例来描述包括功率半导体元件开关5的混合型超导故障限流器的操作。
当混合型超导故障限流器以正常操作状态来操作时，处于低温状态的超导体1没有电阻且功率半导体元件开关5处于ON状态。此时，电流流过级联的超导体1、功率半导体元件开关5和断路器2a，使得故障限流器可以稳定地操作而没有任何线损(line loss)。
然而，当电流值超过超导体1的临界电流值的电流被施加到超导体1时，超导体1丧失了其超导性而变成普通的导电状态，因此，超导体1的电阻急剧增大。因此，当故障电流流入故障限流器时，在超导体1中即刻产生电阻，故障电流旁路到驱动线圈2b。此时，产生电磁力，该电磁力使得位于驱动线圈2c上的电磁排斥器2c快速移动，从而激活彼此机械连接的断路器2a和短路接触器2d。因此，断路器2a开启，以切断经过超导体1的电流，同时，短路接触器2d闭合，从而将经过驱动线圈2b的故障电流旁路。结果，整体故障电流通过短路后的短路接触器2c被传输到限流单元3，然后受限流单元3限制。
在故障电流受限流单元3限制之前没有出现电阻的情况下，故障限流器可以如图2和图3中所示地稳定地操作。然而，当如图4和图5所示故障电流增大且在限流单元3处产生电阻时，去除穿过断路器2a的弧电流(7-1)所需的时间被延长。因此，穿过断路器2a再现电弧(7-2)且故障电流返回到主电路，从而会向超导体1施加高电压，使得故障限流器会被完全击穿(break down)。
为了避免这种情况，需要通过保持超导体1的电阻高来尽可能快地消除当断路器2a开启时产生的弧电流(7-1)或者完全去除限流单元3中的初始电阻。为此，如图6所示，功率半导体元件开关5与主电路串联连接。功率半导体元件开关5在正常情况下保持在ON状态，而当接收到故障检测信号时立即变为OFF状态，从而可以快速并完全地去除穿过断路器2a出现的弧电流。因此，断路器2a可以以空载(no-load)状态进行操作，且可完全执行线通信(line communication)，从而能够提高故障限流器的可靠性。
这里，功率半导体元件开关5可以在超导体1失超时通过与超导体1并联连接的绝缘变压器(transformer)感应出的电信号开始操作，或者可以通过来自操作传感器的信号开始操作，其中，操作传感器检测因故障电流流入驱动线圈2b产生的磁场导致的电磁排斥器2c的移动。此外，功率半导体元件开关5可以通过指示由于故障电流的流入导致在驱动线圈2b产生磁场的信号来进行操作，或者可以通过由于故障电流的流入导致当短路接触器通过电磁排斥器2c的移动而闭合时产生的信号来进行操作，但不限于此。
当完成限制故障电流的过程并由此切断故障电流时，超导体1返回到其超导状态，且功率半导体元件开关5变为ON状态以准备用于限制故障电流的另一过程。
图7和图8分别是示意性示出了根据本发明第二示例性实施例和第三示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的电路图。图7示出了如下情况，即，功率二极管6附加地与限流单元3串联连接，以防止紧接着故障电流出现之后的功率半导体元件开关5的操作期间会产生的反向电压。然而，图7中所示的故障限流器的缺点在于，由于受限制的故障电流需要一直流过功率二极管6，因此应该使用大容量的二极管。在如图8所示的用于防止反向电压的功率二极管6与驱动线圈2b串联连接的情况下，在故障电流发生之后立即阻挡反向电压，然后短路接触器2d闭合，使得故障电流不再经过功率二极管6。因此，可以使用容量比图7中使用的二极管的容量低的二极管。
图9是示出了根据本发明示例性实施例的包括功率半导体元件开关的混合型超导故障限流器的测试结果的曲线图。测试电路如图7的构造，YBCO薄膜超导体用作超导体1，IGBT元件用作功率半导体元件开关5。限流单元3由彼此并联连接的限流熔断器和电阻器组成。此外，功率半导体元件开关5被构造成当短路接触器2d机械地闭合时通过单独的电路产生的信号被激活。参照图9，在事故发生后，紧接着，超导体1失超(9-1)且同时故障电流被旁路到驱动线圈2b(9-2)，从而产生磁场，由此激活电磁排斥器2c。因此，短路接触器2d闭合(9-3)，断路器2a开启，使得穿过断路器2a的弧电流得以保持。在短路接触器2d闭合的瞬间，产生用于激活功率半导体元件开关5的信号(9-5)。因此，被信号激活的功率半导体元件开关造成了高阻抗(9-6)，从而去除穿过断路器2a出现的电弧。然后，故障电流被旁路到限流单元3，限流单元3中的限流熔断器在故障发生后的3.7ms开始操作(9-7)，由此来限制故障电流。
如上所述，根据本发明示例性实施例的混合型超导故障限流器，可通过使断路器以空载状态操作或者完全去除断路器的剩余弧电流来消除混合型超导故障限流器的误操作，从而提高其操作的可靠性。

Claims (8)

1.一种混合型超导故障限流器，所述混合型超导故障限流器用于快速限制故障电流，并具有彼此并联连接的第一电路和第二电路，其中，第一电路包括彼此串联连接的超导体和断路器，第二电路包括具有驱动线圈和电磁排斥器的驱动器、与驱动器并联连接的短路接触器、与驱动器和短路接触器串联连接的限流单元，其特征在于，所述混合型超导故障限流器包括与第一电路串联连接的功率半导体元件开关，所述功率半导体元件开关在正常状态下保持在导通状态，并由于根据故障电流的流入产生的故障感测信号而被激活并变成截止状态，
其中，当超过使超导体丧失其超导性的临界电流的故障电流流过时，电流旁路到驱动线圈，导致电磁排斥器将断路器激活为开启，并且将短路接触器同时激活为关闭，
在短路接触器闭合之后，功率半导体元件开关被当超导体失超时与超导体并联连接的绝缘变压器处感应出的电信号激活为截止状态，或者被来自操作传感器的电信号激活为截止状态，或者被由于故障电流流入驱动线圈产生的磁场导致的电信号激活为截止状态，或者被短路接触器根据故障电流的流入导致的电磁排斥器的移动而闭合时产生的电信号激活为截止状态，其中，所述操作传感器检测由于故障电流流入驱动线圈产生的磁场导致的电磁排斥器的移动。
2.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，还包括：
功率二极管，与第二电路串联连接，以防止由于功率半导体元件开关而产生反向电压。
3.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，还包括：
功率二极管，与驱动线圈串联连接，以防止由于功率半导体元件开关而产生反向电压。
4.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，其中，超导体包括薄膜超导体。
5.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，其中，超导体包括Y-Ba-Cu-O类高温超导体或Bi-Sr-Ca-Cu-O类高温超导体。
6.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，其中，限流单元包括故障电流切断组件和与故障电流切断组件并联连接的负载电阻器，所述故障电流切断组件阻挡故障电流。
7.如权利要求6所述的混合型超导故障限流器，其中，故障电流切断组件选自于由电力熔断器、非线性可变导体和超导体组成的组。
8.如权利要求1所述的混合型超导故障限流器，其中，功率半导体元件开关选自于由绝缘栅双极晶体管、门极关断晶闸管、集成门极换流晶闸管和晶闸管组成的组。
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