CN101997306B - 矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器 - Google Patents

Abstract

一种矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器，该电压均衡器包括两个电感，所述两个电感分别与一个限流单元并联，且两个电感以磁场抵消的方式相互磁耦合。本发明提出的矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡的装置能够在对故障电流的抑制过程中有效地实现限流单元之间电压的均衡，促进限流单元同时实现超导态-正常态转变，另外，该装置还不会影响矩阵式电阻型超导限流器在对故障电流的抑制过程中所表现出的电阻值。

Description

矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器

技术领域

本发明涉及一种超导电力装置，特别是涉及一种在矩阵式电阻型超导限流器限流单元间实现电压均衡的装置。

背景技术

电阻型超导限流器是利用超导材料的超导态-正常态转变的物理特性来实现对故障电流的限制作用的，在短路故障状态下，短路电流很快超过超导材料流，超导材料失去超导态，出现高电阻，从而限制了故障电流。对于高电压等级、大容量的应用领域，目前世界上广泛采用矩阵式电阻型超导限流器。所谓矩阵式电阻型超导限流器，是利用多个小规模限流单元之间串并联来满足高电压等级、大额定电流的要求。矩阵式电阻型超导限流器有结构灵活、制造方便、对单根带材单根长度要求低等特点，是一种有应用前景的电阻型超导限流器。

限流单元在通过故障电流时，其超导态-正常态过程是一个比较复杂的过程，电阻的增长情况并非简单的阶跃变化或线性增加，而是与限流单元的临界电流特性、n值特性(表征超导材料超导态-正常态转变快慢的一个拟合参数)、外电路参数密切相关。在此转变过程中，限流单元有时难以实现同步转变，亦即部分限流单元提前进入转变过程。这种状况会造成对故障电流的抑制过程中限流单元间电压或温度分布的不均衡，被称为电压或温度的集中(Localization)。这种集中现象会降低矩阵式电阻型超导限流器可适用电压等级，并且可能造成部分限流单元的性能退化甚至烧毁。

目前针对此问题的解决方法是：给各限流单元并联以分流电阻(通常小于限流单元完成超导态-正常态转变后的电阻)。这种方法在一定程度上，通过分流达到电压均衡的母的。如图1所示为已有的电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器的示意图。限流单元001和002分别并联分流电阻003和004，电路阻抗为005。其分流均压由限流单元和分流电阻的阻值关系来决定，在故障初期，由于限流单元阻抗很小，分流电阻达不到分流均压的作用；随着限流过程的进行，限流单元的阻抗增大，限流单元和分流电阻之间形成明显的分流关系，通过分流达到均衡电压的目的。这种方法存在的主要缺陷在于：

(1)由于并联了分流电阻，因而降低了限流单元的电阻值，也就降低了对故障电流抑制过程中各限流单元上电压的差值。但采用这种方法时，为了实现较好的均衡电压的效果就必须选择足够小的分流电阻，此时会大大降低矩阵式电阻型超导限流器在对故障电流抑制过程中所表现出的电阻值，进而削弱矩阵式电阻型超导限流器对故障电流的抑制能力。

(2)在故障初期，无法实现限流单元之间的电压均衡，对于故障电流快速增加而引起的过压，无法产生抑制和均衡作用。

发明内容

本发明的主要目的在于克服已有的限流器电压均衡电路的缺陷，提供一种在抑制故障电流过程中均衡矩阵式电阻型超导限流器各限流单元间电压的电路。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器，该电压均衡器包括两个电感，所述两个电感分别与一个限流单元并联，且两个电感以磁场抵消的方式相互磁耦合。该电压均衡器还包括铁芯，两个电感分别绕制在铁芯上。该电压均衡器还可以包括两个并联电阻，所述两个并联电阻分别与两个电感串联后，并联至所述限流单元。

本发明提出的矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器，能够在对故障电流的抑制过程中有效地实现限流单元之间电压的均衡的同时，促进限流单元同时实现超导态-正常态转变，另外，该电压均衡器不会影响矩阵式电阻型超导限流器在对故障电流的抑制过程中所表现出的电阻值，亦即不会削弱矩阵式电阻型超导限流器对故障电流的抑制能力。总之，所发明的电压均衡器不但能够达到实现限流单元电压均衡的目的，而且，能够实现限流单元限流全过程的电压均衡，并且，不会造成限流器的限流能力的下降。

附图说明

图1为已有的电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器的示意图；

图2为本发明矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器的实施例1的原理图；

图3为本发明矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器实施例1的第一种结构图；

图4为本发明矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器实施例1的第二种结构图；

图5a和图5b为利用图2中实施例来实现限流单元间电压均衡的效果图；

图6为本发明矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器实施例2的原理图；

图7a和图7b为利用图5中实施例2来实现限流单元间电压均衡的效果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

图2所示为本发明的矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器的一个实施例1，包括超导限流器的第一限流单元101、第二限流单元102和两个互相磁耦合的第一电感103、第二电感104。其中，第一限流单元101和第一电感103并联，第二限流单元102和第二电感104并联，线路阻抗105和第一限流单元101、第二限流单元102串联。电网稳态时，第一限流单元101、第二限流单元102处于无阻状态，并且，第一电感103和第二104因磁场相互抵消，对电网不产生损耗。一旦电网发生故障，超导限流器进行故障限流，如果第一限流单元101、第二限流单元102所产生的阻抗不均衡，导致第一限流单元101、第二限流单元102上的电压分布不均衡时，就会造成两个互耦电感：第一电感103和第二电感104之间电流的不等，由此两个互耦电感103、104无法抵消磁场，互耦电感之间会产生感应电动势来抵消第一限流单元101与第二限流单元102之间电压的不均衡分布。

第一电感103和第二电感104的电感值分别为L₁、L₂、电感之间的互感为M。第一限流单元101和第二限流单元102的电阻分别为R_s1、R_s2时，如果通过第一电感103、第二电感104、第一限流单元101和第二限流单元102的电流分别为I₁、I₂、I_s1和I_s2，则电路方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{S1}{R}_{S1}=L_1\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{dI}}_2}{\mathrm{dt}}\\ I_{S2}{R}_{S2}=L_2\frac{{\mathrm{dI}}_2}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dt}}\\ I_{S1}+I_1=I_{S2}+I_2=I\\ R_{S1}{I}_{S1}+R_{S2}{I}_{S2}+{\mathrm{IR}}_w=U\end{array}\right.$

其中U是两个限流单元上的总电压，而I为线路中的总电流。

解析上述关系式有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_{S1}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\mathrm{CF}}{\mathrm{AF}-\mathrm{BE}}\×I_{S1}+\frac{\mathrm{BG}}{\mathrm{AF}-\mathrm{BE}}\×I_{S2}+\frac{\mathrm{DF}-\mathrm{BH}}{\mathrm{AF}-\mathrm{BE}}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_{S2}}{\mathrm{dt}}=\frac{-\mathrm{CE}}{\mathrm{BE}-\mathrm{AF}}\×I_{S1}+\frac{\mathrm{AG}}{\mathrm{BE}-\mathrm{AF}}\×I_{S2}+\frac{\mathrm{DF}-\mathrm{AH}}{\mathrm{BE}-\mathrm{AF}}\end{array}\right.$

其中：

$A=\frac{(L_1+M)(R_{S1}+R_w)}{R_w}-M$

B＝(L₁+M)R_S2+M

C＝R_S1

$D=\frac{(L_1+M)}{R_w}\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}$

$E=\frac{(L_2+M)(R_{S2}+R_w)}{R_w}-L_2$

F＝(L₂+M)R_S2+L₂

G＝R_S2

$H=\frac{(L_2+M)}{R_w}\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}$

式中A为等效电感、B为等效阻抗、C为等效电阻、D为电压扰动量、E等效电感、F等效阻抗、G为等效电阻、H为电压扰动量。

图3所示为电压均衡器的实施例1的一种结构。两个电感103、104采用双线并绕方法，即可实现两个电感的磁场相互抵消。两个电感103、104绕制在同一个铁芯105上，电感103、104采用双线并绕方法。第一限流单元101的一端，以及第二限流单元102的一端连接在第一电感103和第二电感104的连接点C上，第一限流单元101的另一端，以及第二限流单元102的另一端分别连接在第一电感103的另一端A、第二电感104的另一端B上，从而实现所述的两个电感之间的磁场反向耦合。

图4所示为电压均衡器的实施例1的第二种结构。两个电感103、104绕制在同一个铁芯105上，它们的绕制方向相反，利用铁的磁导率远高于空气的特点，将两个电感103、104的磁路固定在铁芯105内，从而实现两个电感之间的磁耦合。

采用如图2中所示的实施例1来实现限流单元间电压均衡的效果图如图5所示，图5a为两个限流单元101、102的电压信号，图5b为两个电感103、104中的电流信号。可以看出，此时第一限流单元101、第二限流单元102上的电压经过短时间的震荡之后，迅速归于相等，表现出了较好的电压均衡效果；两个电感支路上出现了较大的瞬时电流，幅值达到了接近3kA。

图6为矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器实施例2的原理图。第三电感203和第一电阻205串联，第三限流单元201与此串联支路并联；第四电感204和第二电阻206串联，第四限流单元202与此串联支路并联，两个并联线路串联后与线路阻抗207串联。电网稳态时，第三电感203与第四电感204的磁场相互抵消，第三限流单元201和第四限流单元202处于无阻状态，电流通过两个限流单元而导通，第一电阻205、第二电阻206对电网不产生损耗。一旦线路发生故障，超导限流器进行故障限流，如果第三限流单元201、第四限流单元202所产生的阻抗不均衡，导致这两个限流单元201、202上的电压分布不均衡时，就会造成两个互耦电感203、204之间电流的不等，由此两个互耦电感：第三电感203、第四电感204无法抵消磁场，所述的两个互耦电感之间会产生感应电动势来抵消两个所述的限流单元201、202之间电压的不均衡分布。

第三电感203和第四电感204的电感值分别为L₁、L₂、两个电感之间的互感为M，第三限流单元201、第四限流单元202的电阻分别为R_s1、R_s2，第一电阻205、第二电阻206的阻值分别为R₁和R₂，如果通过两个电感203、204，以及第三限流单元201和第四限流单元202的电流分别为I₁、I₂、I_s1和I_s2，则对故障电流的抑制过程中满足以下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{S1}{R}_{S1}=L_1\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{dI}}_2}{\mathrm{dt}}+R_1{I}_1\\ I_{S2}{R}_{S2}=L_2\frac{{\mathrm{dI}}_2}{\mathrm{dt}}+M\frac{{\mathrm{dI}}_1}{\mathrm{dt}}+R_2{I}_2\\ I_{S1}+I_1=I_{S2}+I_2=I\\ R_{S1}{I}_{S1}+R_{S2}{I}_{S2}+{\mathrm{IR}}_w=U\end{array}\right.$

有：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{dI}}_{S1}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{BH}-\mathrm{CG}}{\mathrm{AG}-\mathrm{BF}}\×I_{S1}+\frac{\mathrm{BI}-\mathrm{DG}}{\mathrm{AG}-\mathrm{BF}}\×I_{S2}+\frac{\mathrm{EG}-\mathrm{BJ}}{\mathrm{AG}-\mathrm{BF}}\\ \frac{{\mathrm{dI}}_{S2}}{\mathrm{dt}}=\frac{\mathrm{AH}-\mathrm{CF}}{\mathrm{BF}-\mathrm{AG}}\×I_{S1}+\frac{\mathrm{AI}-\mathrm{DF}}{\mathrm{BF}-\mathrm{AG}}\×I_{S2}+\frac{\mathrm{EF}-\mathrm{AJ}}{\mathrm{BF}-\mathrm{AG}}\end{array}\right.$

其中A、B、C、D、E、F、G、H、工和J的表达式为：

$A=\frac{(L_1+M)(R_{S1}+R_w)}{R_w}-M$

B＝(L₁+M)R_S2+M

C＝R_S1+R₁+R₁*R_S1/R_w

D＝R₁*R_S2/R_w

$E=\frac{(L_1+M)}{R_w}\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{1}U}{\mathrm{Rw}}$

$F=\frac{(L_2+M)(R_{S2}+R_w)}{R_w}-L_2$

G＝(L₂+M)R_S2+L₂

H＝R₂*R_S1/R_w

I＝R_S2+R₂+R₂*R_S2/R_w

$J=\frac{(L_2+M)}{R_w}\frac{\mathrm{dU}}{\mathrm{dt}}+\frac{R_{2}U}{R_w}$

式中A为等效电感、B为等效阻抗、C为等效电阻、D为电压扰动量、E等效电感、F等效阻抗、G为等效电阻、H为电压扰动量。该电压均衡器不但实现了限流单元间的较好地电压均衡，而且，有效抑制了电感的电流。

实施例2的第三电感203、第四电感204可以采用图3、图4两种方法来实现电感203、204的磁场反方向耦合。

实施例2实现限流单元间电压均衡的效果如图7所示，图7a为第三限流单元201、第四限流单元202的电压信号，图7b为第三电感203、第四电感204中的电流信号。可以看出，此时两个限流单元201、202上的电压经过短时间的震荡之后，迅速归于相等，表现出了较好的电压均衡效果。并且，在其他条件没有发生改变的情况下，利用相互磁耦合的电感和并联电阻来实现限流单元之间电压的均衡作用也很明显，且能够大大减少互耦电感支路的电流。

本发明所述的矩阵式电阻型超导限流器限流单元间电压均衡器能够有效解决超导限流器的限流单元之间的电压均衡问题，对发展高电压、大容量超导限流器有非常重要的应用价值。

Claims (6)

1.一种矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，所述的电压均衡器包括超导限流器的第一限流单元（101）、第二限流单元（102）、第一电感（103）和第二电感（104），其中，所述的第一限流单元（101）和第一电感（103）并联，所述的第二限流单元（102）和第二电感（104）并联，线路阻抗（105）和第一限流单元（101）、第二限流单元（102）串联，其特征在于，所述的第一电感（103）和第二电感（104）互相磁耦合，电网稳态时，第一限流单元（101）、第二限流单元（102）处于无阻状态，并且，第一电感（103）和第二电感（104）因磁场相互抵消，对电网不产生损耗。 

2.根据权利要求1所述的矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，其特征是：第一电感（103）和第二电感（104）采用双线并绕方法绕制在同一个铁芯（105）上；第一限流单元（101）的一端，以及第二限流单元（102）的一端连接在第一电感（103）和第二电感（104）的连接点C上，第一限流单元（101）的另一端连接在第一电感（103）的另一端A，第二限流单元（102）的另一端连接在第二电感（104）的另一端B上，从而实现两个所述的电感之间的磁场反向耦合。 

3.根据权利要求1所述的矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，其特征是：所述的第一电感（103）和第二电感（104）绕制在同一个铁芯（105）上，第一电感（103）和第二电感（104）的绕制方向相反，利用铁的磁导率远高于空气的特点，将第一电感（103）和第二电感（104）的磁路固定在铁芯（105）内，从而实现两个所述的电感之间的磁耦合。 

4.一种矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，其特征是：第一电感和第一电阻（205）串联，第一限流单元与此串联支路并联；第二电感和第二电阻（206）串联，第二限流单元与此串联支路并联；所述的两个并联线路串联后与线路阻抗（207）串联；第一电感、第二电感绕制在同一个铁芯上，同方向双线并绕；第一电感的一端和第二电感的一端相连在公共点C，第一电感的另一端与第一电阻（205）相连，第二电感的另一端和第二电阻（206）相连，实现磁场相互抵消；电网稳态时，第一电感与第二电感的磁场相互抵消，第一限流单元和第二限流单元处于无阻状态，电流通过两个限流单元而导通，第一电阻（205）、第二电阻（206）对电网不产生损耗。 

5.根据权利要求4所述的矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，其特征是：所述第一电感和第二电感的同方向绕制替换为相反方向绕制；利用铁的磁导率高于空气的特性，将第一电感、第二电感的磁路固定在铁芯内，实现两个电感之间的磁耦合。 

6.根据权利要求4或5所述的矩阵式电阻型超导限流器限流单元电压均衡器，其特征是： 电网稳态时，第一电感与第二电感的磁场相互抵消，第一限流单元和第二限流单元处于无阻状态，电流通过两个限流单元而导通，第一电阻（205）、第二电阻（206）对电网不产生损耗；一旦线路发生故障，超导限流器进行故障限流；当第一限流单元、第二限流单元所产生的阻抗不均衡，导致第一限流单元和第二限流单元上的电压分布不均衡时，造成两个互耦的第一电感和第二电感之间电流的不等，由此第一电感、第二电感无法抵消磁场，所述的两个互耦的电感第一电感和第二电感之间产生感应电动势来抵消所述的第一限流单元和第二限流单元之间电压的不均衡分布。 

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