CN101741076B

CN101741076B - 一种基于ybco高温超导带材的短路故障限流器

Info

Publication number: CN101741076B
Application number: CN201010034140.2A
Authority: CN
Inventors: 张志丰; 张京业; 周义刚; 戴少涛; 肖立业
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2030-01-15
Also published as: CN101741076A

Abstract

一种基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器。该限流器在二极管整流桥的直流端并联限流线圈，限流线圈由YBCO高温超导带材绕制而成。限流线圈呈现直流电抗器特性。电网稳态时，限流器对电网无影响。一旦发生短路故障，故障电流通过限流线圈时，YBCO高温超导带材失超而产生电阻来实现故障限流。本发明超导限流器可实现自动故障触发和自动限流，并且可根据故障电流的大小自动产生不同大小的限流阻抗。该限流器限流能力强，对电网稳态影响小。

Description

一种基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器

技术领域

本发明涉及一种输配电网的故障限流器，特别涉及基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器。

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，这一问题将变得更为严重。

短路故障限流器为这一问题的解决提供了新思路。比如，固态短路故障限流器它在检测到短路故障时，通过快速改变故障电网的阻抗和感抗参数，可以将故障电流限制在较低的水平，以保护电力设备，并保证在已有断路器遮断能力的前提下切断短路故障。美国发明专利US 4490769，其电路主要是由构成整流桥的二极管或晶闸管、限制故障电流的直流电抗器和偏压电源等组成。在正常运行时，限流器对电网无压降、几乎无功耗；一旦系统发生短路故障，当电网电流达到直流电抗器的电流时，电抗器便自动串入线路对故障电流及其上升率进行限制，从而使故障电流限制在一定的水平，以保证断路器及时切断故障电流。这样，可以通过短路故障限流器配合断路水平较低的断路器来实现较高水平的故障电流切断操作。同时，该限流器也可实现电网重合闸。美国发明专利US 4490769的技术方案如图1所示，其主电路由二极管T1、T2、T3、T4，直流电感L和偏压电源Vb组成。在发生短路故障时，均可以无延时地自动投入线路，对故障电流及其上升率进行限制。

但是，已有的固态短路故障限流器仍然存在许多不足之处，只有在电网电流达到磁体电流时，其限流磁体(L0)才会自动串入电网来实现限流，并且，随着磁体电流的不断增大，磁体的限流能力不断减小。严格地说，二极管组成的桥路无法实现真正的限流，必须采用可控开关管(如图1)，通过控制，减小整流桥桥臂上的开关管的导通角来增大磁体的放电时间，从而达到较好的限流效果。同时，流过偏压电源的电流往往是电网电流的2～3倍，而且必须满足非故障态和故障态的电流变化的要求，因此，偏压电源的实现有一定的技术难度和较高的成本。

发明内容：

本发明的目的是克服已有技术的不足，提出一种基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，本发明不但能够自动串入线路限制故障电流，而且结构简单。

本发明采用的技术方案是：

本发明的短路故障限流器由第一、第二、第三和第四四个二极管组成的整流桥、保护二极管、保护电阻和高温超导线圈组成。其中，第一二极管和第二二极管的连接点为第一交流端，第三二极管和第四二极管的连接点为第二交流端，第一二极管和第三二极管的连接点为第一直流端，第二二极管和第四二极管的连接点为第二直流端。保护二极管和保护电阻的串联电路与高温超导线圈的并联支路连接在整流桥的第一直流端和第二直流端。基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器和交流电源、负载阻抗和断路器组成的串联支路连接在整流桥的第一交流端A和第二交流端B之间。高温超导线圈SL采用YBCO高温超导带材裸带绕制，采用环氧筒作为线圈的骨架，采用螺线管绕制方式。高温超导线圈SL浸泡在液氮中工作，以保证高温超导线圈SL的失超能量迅速散失，达到保护高温超导线圈SL的目的。

本发明可以是单相短路故障限流器结构、也可以是单相带有耦合变压器的短路故障限流器结构，还可以是三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相短路故障限流器结构；可以是三相耦合短路故障限流器结构。

本发明的主要优点：

1.本发明不但能够限制故障电流峰值，而且能够限制故障电流稳态值。本发明的短路故障限流器，在电路发生断路故障时，大电流引起超导线圈失超，产生限流阻抗和线圈的电感共同限流。从而获得比已有短路故障限流器更好的限流效果。

2.本发明的超导线圈自动串入电路限流，并且大电流通过时，引起超导线圈自身失超，所产生的电阻也自动串入限流。因此，该短路故障限流器故障响应速度快，结构简单、易实现、可靠性高。

3.本发明的限流器对电网的稳态影响小。由于超导线圈连接在限流器的直流侧，相当于直流电抗器，并且，在电网正常态，即小电流情况下，超导线圈处于超导态，不会产生电阻。因此，本发明的限流器在稳态时，对电网的影响很小。

4.本发明有利于实现大型故障限流器。采用多个相同规格的超导线圈串并联来实现大电压下的限流，简单易行。本发明的限流器更容易大型化，更有市场竞争力。

附图说明：

图1为已有的短路故障限流器的电路原理示意图；

图2为本发明具体实施例1组成结构示意图；

图3为本发明具体实施例1的等效电路图；

图4a和图4b为本发明具体实施例1的高温超导线圈结构图；

图5为本发明具体实施例2的电路原理图；

图6为本发明具体实施例3的电路原理图；

图7为本发明具体实施例4的电路原理图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图2所示，本发明的具体实施例1为单相短路故障限流器。该短路故障限流器由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃和第四二极管D₄组成的整流桥、保护二极管Ds、保护电阻Rs和高温超导线圈SL组成。其中，第一二极管D₁和第二二极管D₂的连接点为第一交流端A，第三二极管D₃和第四二极管D₄的连接点为第二交流端B，第一二极管D₁和第三二极管D₃的连接点为第一直流端M，第二二极管D₂和第四二极管D₄的连接点为第二直流端N。保护二极管Ds和保护电阻Rs的串联电路与高温超导线圈SL并联，并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第二直流端N。基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器和交流电源U_AC、负载阻抗R_L和断路器SW组成的串联支路连接在整流桥的第一交流端A和第二交流端B之间。

图2所示的单相的短路故障限流器的高温超导线圈SL采用YBCO高温超导带材裸带绕制，采用环氧筒作为线圈的骨架，采用螺线管绕制方式。高温超导线圈SL浸泡在液氮中工作，以保证高温超导线圈SL的失超能量迅速散失，达到保护高温超导线圈SL的目的。

图3所示为本发明的具体实施例1为单相的的短路故障限流器的等效电路图。其中，虚线框内为高温超导线圈SL的等效电路。高温超导线圈SL等效为电感L_SL和可变电阻R_SL的串联电路。

线路无故障，即稳态时，线路电流较小，高温超导线圈SL处于超导态，其可变电阻R_SL为零，电感L_SL工作在整流桥的直流侧，高温超导线圈SL两端的电压接近于零，保护二极管Ds偏置电压过低而处于截止状态。因此，短路故障限流器对线路不会造成影响。

在系统发生短路故障时，若故障电流正向流过限流器，即故障电流的瞬时值等于电感L_SL的电流值，故障电流将通过第一二极管D₁-电感L_SL-第四二极管D₄，使电感L_SL串入电路。同时，随着故障电流的增加，高温超导线圈SL失超，可变电阻R_SL从零逐渐增大，从而形成了电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时，第二二极管D₂和第三二极管D₃由于反偏而处于截止状态。当线路电流的负值等于限流电感L_SL的电流时，故障电流将通过第二二极管D₂-电感L_SL-第三二极管D₃，使电感L_SL串入电路。同时，随着故障电流的增加，高温超导线圈SL失超，可变电阻R_SL从零逐渐增大，从而形成了电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时，第一二极管D₁和第四二极管D₂由于反偏而处于截止状态。同时，在可变电阻R_SL增大过程中，保护二极管Ds开始导通，保护电阻R_S和可变电阻R_SL并联来达到分流和保护的作用。在限流器限制故障电流过程中，打开断路器SW，从而达到切除短路故障和保护线路的目的。从上述的分析可以看出，电感L_SL限制故障电流峰值，可变电阻R_SL的自动投入限制故障电流稳态值，从而有效限制了故障电流对线路的冲击。

图4(a)和图4(b)分别是本发明具体实施例1的高温超导线圈SL的一种结构图和等效电路图。为了满足高电压和提高高温超导线圈SL的失超限流速度的要求，采用多单元串联结构。图4(a)所示的高温超导线圈SL由第一线圈U₁、第二线圈U₂、……、第n线圈U_n等n(n≥1)个超导线圈组成，第一线圈U₁与第一保护二极管D_S1和第一保护电阻R_S1的串联支路并联、第二线圈U₂与第二保护二极管D_S2和第二保护电阻R_S2的串联支路并联、……、第n线圈U_n与第n保护二极管D_Sn和第n保护电阻R_Sn的串联支路并联。图4(b)的等效电路图中，第一线圈U₁等效为第一电感L_SL1和第一可变电阻R_Sl1的串联电路、第二线圈U₂等效为第二电感L_SL2和第二可变电阻R_SL2的串联电路、……、第n线圈U_n等效为第n电感L_SLn和第n可变电阻R_SLn的串联电路。每个超导线圈和图2中的高温超导线圈SL所用的带材、绕制方法相同，并且具有相同的绕制方向。每个线圈单元具有相同的参数，因此，每个线圈单元具有相同的等效电感和可变电阻。多单元串联结构能够提高高温超导线圈限流过程中的失超限流速度，并保证各个单元的均匀，提高了高温超导线圈运行的安全性。

如图5所示，本发明的具体实施例2为单相带有耦合变压器的短路故障限流器。单相短路故障限流器结构和具体实施例1相同。TR为限流器的耦合变压器，SW为断路器，Uac为交流电源，RL为负载阻抗。单相短路故障限流器并联在耦合变压器TR的副边绕组上，耦合变压器TR的副边绕组的两端分别连接在第一交流端A和第二交流端B上。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构，也可以采用图4(a)的多单元串联结构。耦合变压器TR的原边绕组串入交流电源Uac、断路器SW和负载R_L的串联线路，构成单相带有耦合变压器的短路故障限流器；对于高压或超高压变压器来说，通过将变压器耦合，可以降低限流器中功率器件的额定电压和绝缘级别，从而降低限流器的成本，提高其限流性能。单相带有耦合变压器的短路故障限流器的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。

图6所示为本发明的具体实施例3，为三个单相短路故障限流器应用于三相系统组成的三相短路故障限流器。三个单相短路故障限流器的每个单相短路故障限流器的结构和图2所示的具体实施例1相同。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构，也可以采用图4的多单元结构。SWa、SWb、SWc分别为A、B、C三相断路器，Ua、Ub、Uc为三相交流电源，R_La、R_Lb、R_Lc分别为A、B、C三相负载阻抗。三相短路故障限流器每一相的工作原理和本发明的单相短路故障限流器的工作原理相同。

如图7所示，本发明的具体实施例4为三相耦合短路故障限流器。第一、第二、……第八二极管D₁、D₂、……、D₈组成的三相整流桥、A、B、C三相耦合变压器Tra、Trb和Trc、保护二极管Ds、保护电阻Rs和高温超导线圈SL组成。其中，第一二极管D₁和第二二极管D₂通过连接点W串联、第三二极管D₃和第四二极管D₄通过连接点V串联、第五二极管D₅和第六二极管D₆通过连接点U串联、第七二极管D₇和第八二极管D₈通过连接点G1串联，并且，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅和第七二极管D₇连接在第一直流端M上，第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆和第八二极管D₈连接在第二直流端N上。高温超导线圈SL等效为电感L_SL和可变电阻R_SL的串联支路，保护二极管Ds和保护电阻Rs组成串联支路，两串联支路并联在三相整流桥的第一、第二直流端M和N之间。高温超导线圈SL可以采用图2的单个线圈结构，也可以采用图4(a)的多单元串联结构。

A相耦合变压器Tra的副边绕组连接在连接点U和连接点G1之间，B相耦合变压器Trb的副边绕组连接在连接点V和连接点G1之间，C相耦合变压器Trc的副边绕组连接在连接点W和连接点G1之间。A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源Ua、Ub、Uc和三相断路器Swa、SWb、SWc之间，并与三相负载阻抗R_La、R_Lb、R_Lc串联。三相负载阻抗R_La、R_Lb、R_Lc和三相电源Ua、Ub、Uc连接到接地点G上，组成三相耦合短路故障限流器。

在稳态时，即电路未发生故障时，第一二极管D₁、第三二极管D₃、第五二极管D₅、第八二极管D₈与第二二极管D₂、第四二极管D₄、第六二极管D₆、第七二极管D₇因正偏而导通，可变电阻R_SL因流过的电流较小而呈零电阻状态。三相耦合短路故障限流器对电路的不产生电压跌落。

在系统发生短路故障(以A相为例)时，若故障电流正向流过限流器，即故障电流的瞬时值等于限流电感L_SL的电流值，故障电流将通过A相耦合变压器Tra后，经过第一二极管D₁-线圈SL(电感L_SL和可变电阻R_SL)-第八二极管D₈，使电感L_SL串入电路。同时，随着故障电流的增加，高温超导线圈SL失超，可变电阻R_SL从零逐渐增大，从而形成了电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时，第二二极管D₂和第七二极管D₇由于反偏而处于截止状态。当线路电流的负值等于线圈SL的电流时，故障电流将通过第二二极管D₂-线圈SL(电感L_SL和可变电阻R_SL)-第七二极管D₇，使电感L_SL串入电路。同时，随着故障电流的增加，高温超导线圈SL失超，可变电阻R_SL从零逐渐增大，从而形成了电感L_SL和可变电阻R_SL共同限流。这时，第一二极管D₁和第八二极管D₈由于反偏而处于截止状态。同时，在可变电阻R_SL增大过程中，保护二极管Ds开始导通，保护电阻RS和可变电阻R_SL并联来达到分流和保护的作用。在限流器限制故障电流过程中，打开断路器Swa，从而达到切除短路故障和保护线路的目的。从上述的分析可以看出，电感L_SL限制故障电流峰值，可变电阻R_SL的自动投入限制故障电流稳态值，从而有效限制了故障电流对线路的冲击。这种方案优化了限流器的结构，降低了成本，并且，在采用降压变压器的前提下，可以降低限流器中功率器件的额定电压，更进一步降低系统的成本。

在单相220V电路和三相380V电路试验中，均能较好地实现短路故障限流，故障电流的瞬时值和稳态值都可以限制在最大故障电流的50％以下。并且，根据电路的故障特点和阻抗情况，进一步调节高温超导线圈的参数，可以达到更好的限流效果。

Claims

1.一种基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是所述的短路故障限流器由第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）组成的整流桥、保护二极管（Ds）、保护电阻（Rs）和高温超导线圈（SL）组成；第一二极管（D₁）和第二二极管（D₂）的连接点为第一交流端A，第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）的连接点为第二交流端B，第一二极管（D₁）和第三二极管（D₃）的连接点为第一直流端M，第二二极管（D₂）和第四二极管（D₄）的连接点为第二直流端N；保护二极管（Ds）和保护电阻（Rs）串联，保护二极管（Ds）和保护电阻（Rs）的串联支路与高温超导线圈（SL）并联，所述的并联支路连接在整流桥的第一直流端M和第二直流端N之间；所述的高温超导线圈（SL）采用YBCO高温超导带材裸带绕制，采用环氧筒作为线圈的骨架，采用螺线管绕制方式；高温超导线圈（SL）浸泡在液氮中工作；所述的高温超导线圈（SL）等效为电感（L_SL）和可变电阻（R_SL）的串联电路。

2.按照权利要求1所述的基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是所述的短路故障限流器和交流电源（U_AC）、负载阻抗（R_L）和断路器（SW）的串联支路连接在所述整流桥的第一交流端A和第二交流端B之间。

3.按照权利要求1所述的基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是所述的高温超导线圈(SL)或者由第一线圈(U₁)、第二线圈(U₂)、……、第n线圈(U_n)等n（n≥1）个超导线圈组成，第一线圈（U₁）与第一保护二极管（D_S1）和第一保护电阻（R_S1）的串联支路并联，第二线圈（U₂）与第二保护二极管（D_S2）和第二保护电阻（R_S2）的串联支路并联，…，第n线圈（U_n）与第n保护二极管（D_Sn）和第n保护电阻（R_Sn）的串联支路并联；每个高温超导线圈所用的带材、绕制方法和绕制方向相同。

4.按照权利要求1或3所述的基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是所述的短路故障限流器并联在耦合变压器（TR）的副边绕组上，耦合变压器（TR）的副边绕组的两端分别连接第一交流端A和第二交流端B；耦合变压器（TR）的原边绕组串入交流电源（Uac）、断路器（SW）和负载阻抗（R_L）的串联线路。

5.按照权利要求1或3所述的基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是应用于三相负载系统的三个单相短路故障限流器组成三相短路故障限流器：所述的三相短路故障限流器由三相整流桥、A、B、C三相耦合变压器（Tra、Trb、Trc）、保护二极管（Ds）、保护电阻（Rs）和高温超导线圈（SL）组成；第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、……、第八二极管（D₈）组成所述的三相整流桥；所述的三相短路故障限流器中，第一二极管（D₁）和第二二极管（D₂）通过连接点W串联、第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）通过连接点V串联、第五二极管（D₅）和第六二极管（D₆）通过连接点U串联、第七二极管（D₇）和第八二极管（D₈）通过连接点G1串联；第一二极管（D₁）、第三二极管（D₃）、第五二极管（D₅）和第七二极管（D₇）连接在第一直流端M上，第二二极管（D₂）、第四二极管（D₄）、第六二极管（D₆）和第八二极管（D₈）连接在第二直流端N上；高温超导线圈（SL）等效为电感（L_SL）和可变电阻（R_SL）的串联支路，保护二极管（Ds）和保护电阻（Rs）组成串联支路，两个所述的串联支路并联在三相整流桥的第一直流端M和第二直流端N之间。

6.按照权利要求5所述的基于YBCO高温超导带材的短路故障限流器，其特征是A相耦合变压器（Tra）的副边绕组连接在连接点U和连接点G1之间，B相耦合变压器（Trb）的副边绕组连接在连接点V和连接点G1之间，C相耦合变压器（Trc）的副边绕组连接在连接点W和连接点G1之间；A、B、C三相的耦合变压器的原边绕组分别串联在三相电源（Ua）、（Ub）、（Uc）和三相断路器（Swa）、（SWb）、（SWc）之间，并与三相负载阻抗（R_La）、（R_Lb）、（R_Lc）串联；三相负载阻抗（R_La）、（R_Lb）、（R_Lc）和三相电源（Ua）、（Ub）、（Uc）连接到接地点G上。