CN102522277B - 一种高温超导熔断器 - Google Patents

Abstract

一种高温超导熔断器，其中的YBCO带材(1)、重锤(2)、边框(3)、铜母排(4)、铜压块(5)与螺栓(6)构成高温超导熔断器主体(7)；铜母排(4)与边框(3)通过螺栓(6)组成固定YBCO带材的窗口；YBCO带材(1)的中间位置固定有重锤(2)，通过铜压块(5)与螺栓(6)把至少一根YBCO带材(1)的端部压接在所述熔断器两侧的铜母排(4)上；电流引线(8)的一端连接在铜母排(4)上，并套有绝缘套管(9)；电流引线(8)与高温超导熔断器主体(7)固定在低温容器(10)内，电流引线(8)处于低温容器(10)外的部分采用绝缘端子(11)绝缘，低温容器(10)内充有液氮并没过高温超导熔断器主体(7)。

Description

一种高温超导熔断器

技术领域

本发明涉及一种故障电流熔断器，特别涉及输配电系统短路故障熔断器。

背景技术

当前，为了与国民经济快速发展、电网规模不断增大和互联程度不断提高相适应，我国电网正向超大规模方向发展。然而，我国电网的稳定性问题却变得日益严重，电网的安全性和可靠性正在承受巨大的压力，短路故障是危及电力系统安全、导致巨大经济损失的严重故障之一。例如，我国沿海经济发达地区电网(尤其是220kV及以上电压等级)的短路电流水平已经直逼甚至超过电力系统最大允许水平的严重情况，一些潮流断面已经处于危险境地；三峡电站可能的最大短路电流周期分量将达到300kA，一些大型发电厂出口或厂站高压变电站出口的最大短路电流可能达到100-200kA。由于我国断路器的最大断开电流为63kA，已经不能满足需求。目前常规熔断器的断开能力较高(例如2000V以下的熔断器开断能力可达200kA)，但只能用于63kV以下的配电网，并且根据其安秒特性，熔断时间较长(中华人民共和国能源部部标准SD319-89，GB13539.1-2008以及GB15166.2-2008)。基于第二代高温超导带材的电阻型高温超导限流器(IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol.19，no.3，2009，pp1950；IEEE Transactions on Applied Superconductivity，vol.21，no.3，2011，pp1206)利用高温超导体的失超电阻限流，可以有效的解决上述问题，但目前尚在研发阶段，并且需要大量的高温超导体，造价高昂、结构复杂。

发明内容

本发明的目的是克服以上现有技术存在的问题，提出一种新型的熔断器——高温超导熔断器。

本发明高温超导熔断器主要包括YBCO带材、重锤、边框、铜母排、铜压块、电流引线、绝缘套管、低温容器与绝缘端子等部件。

YBCO带材、重锤、边框、铜母排、铜压块构成高温超导熔断器主体。铜母排与边框通过螺栓固定组成窗口，重锤固定在YBCO带材的中间位置，把YBCO带材的两端端部通过铜压块与螺栓压接在所述熔断器两侧的铜母排上。电流引线的一端连接在铜母排上，电流引线上套有绝缘套管，电流引线与高温超导熔断器主体固定在低温容器内，电流引线在低温容器外的部分用绝缘端子绝缘。低温容器内充有液氮，液氮没过高温超导熔断器主体。

在电力系统正常运行时，串接在电网中的高温超导熔断器处于超导态，压降为零，阻抗低，对电力系统的运行不产生影响；在电网发生短路故障时，高温超导熔断器的YBCO带材即刻失超转变为常规导体，并在1-5ms(半个周期)内熔断，从而有效保护了电力设备、提高了电网安全性。本发明高温超导熔断器可以克服常规熔断器的诸多不足，可以应用于更高电压等级，具有更高的额定运行电流和更大的开断电流，广泛应用于不同容量的输、配电网。

本发明采用的YBCO带材为目前已经商业化生产的不锈钢高电阻率稳定基产品，典型产品的尺寸：厚度0.1～0.3mm，宽度4～12mm。在液氮温度、无外磁场条件下，YBCO带材单位宽度的临界电流I_C可以达到210A/cm。I_C是根据国际通用判据，在高温超导带两端的端电压达到1μV/cm时的电流值；YBCO带材的电流-电压特性E-I由式(1)描述，其中E为单位YBCO带的压降，E₀为常数1μV/cm，N值是描述超导转变特性的常数，YBCO高温超导带的N值介于25～50之间。

E＝E₀(I/I_C)^N    (1)

首先根据线路传输的额定电流和负载情况确定串接本发明高温超导熔断器的额定电流I_op。而高温超导熔断器的临界电流I_CR要根据串接线路负载的波动情况而定，一般取高温超导熔断器额定电流I_op的1.5～2倍，而并联YBCO带材的根数k(k取整数)为：

k＝I_CR/IC    (2)

根据式(1)，本发明在运行电流I_op小于熔断器的临界电流I_CR时，熔断器的高温超导带处于超导态，端电压E基本为零，对电网没有影响。在传输电流发生波动而瞬时高于熔断器的临界电流I_CR时，根据式(1)，熔断器的YBCO带材处于正常态，所有承载电流即刻转移到具有大电阻率的不锈钢稳定层中而呈现一个串接电阻R_Y(12mm宽不锈钢稳定基产品的常规电阻为0.1欧姆/米)。这种情况下高温超导熔断器的熔断特性与常规熔断器的安秒特性相似。但是由于YBCO高温超导的载流能力是相同截面常规导体的30-50倍，而高电阻率的不锈钢稳定基载流能力仅为相同截面铜导体的1/100～1/50，决定了在相同熔断电流下YBCO带材失超后熔断时间仅为常规熔断器的1/10⁵～1/10⁴，例如在故障电流I_fault＝10I_CR时，YBCO高温超导带的熔断时间仅为1～5ms。

为提高灭弧效果并缩短燃弧时间，本发明采取了如下措施：1)高温超导断路器主体浸泡在液氮中；2)根据高温超导断路器串接线路的额定电压U与氮气的击穿强度关系式(3)，由式(3)确定并联YBCO带材的有效长度L；3)在每根并联YBCO带材中部固定重约80～150克的重锤，重锤的材质选用不锈钢块或玻璃钢块。

$L=99+0.3183e^{\frac{U}{38.06}}---\left(3\right)$

式中U为额定电压，单位kV，e为自然常数，除去两端压接部分后YBCO带材有效长度L≥100mm。

为确保本发明的耐高电压水平，采取如下措施：1)根据额定电压U，用h替代所述的关系式(3)中的L，便可通过关系式(3)计算得到高温超导熔断器与低温液氮容器内壁的最小绝缘距离h；2)低温液氮容器内的电流引线部分采用耐压为额定电压U的缘套管；3)低温液氮容器外的电流引线采用耐压为额定电压U的常规的绝缘端子。

本发明可广泛应用于配电网和输电网。

附图说明

图1YBCO带材的E-I曲线；

图2高温超导熔断器主体的结构示意图，图中：1YBCO带材，2重锤，3边框，4铜母排，5铜压块，6螺栓，L YBCO带材1有效长度，k YBCO带材1并联根数；

图3高温超导熔断器整体结构示意图，图中：7高温超导熔断器主体，8电流引线，9绝缘套管，10低温容器，11绝缘端子，h高温超导熔断器主体7与低温容器10的最小绝缘距离。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明采用YBCO带材1的典型产品尺寸：厚度0.1～0.3mm，宽度4～12mm。在液氮温度、无外磁场条件下，YBCO带材1单位宽度的临界电流I_C可以达到210A/cm，图1为本发明采用YBCO带材1的E-I曲线。根据国际通用判据，高温超导带两端的端电压达到1μV/cm时的电流值定义为I_C；而N值是电压值介于0.1～1μV/cm之间根据式(1)的计算值，介于25～50之间。

本发明的高温超导熔断器主要包括YBCO带材1、重锤2、边框3、铜母排4、铜压块5、电流引线8、绝缘套管9、低温容器10与绝缘端子11等部件。

图2为本发明主体的结构示意图。如图2所示，YBCO带材1、重锤2、边框3、铜母排4、铜压块5与螺栓6构成高温超导熔断器主体7。铜母排4与边框3通过螺栓6组成窗口，该窗口用于固定YBCO带材1；YBCO带材1的中间位置固定重锤2，通过铜压块5与螺栓6把至少一根YBCO带材1的端部压接在所述熔断器两侧的铜母排4上。如图3所示，电流引线8一端连接在铜母排4上，并套有绝缘套管9绝缘。电流引线8与高温超导熔断器主体7固定在低温容器10内，电流引线8处于低温容器10外的部分采用绝缘端子11绝缘。低温容器10内充有液氮，所述的液氮没过高温超导熔断器主体7。

如图2所示，一根或多根并联YBCO带材1的长度L根据额定电压U由式(3)计算得到，并确保除去两端压接部分后的有效长度L≥100mm；超导熔断器的临界电流I_CR取电网的额定电流I_op的1.5-2倍；并联YBCO带材1的根数k由式(2)确定。每根YBCO带材1的中间位置固定长2-3cm、重80～150克的高密度重锤2，若重锤2为不锈钢材质可用锡焊固定，若为高密度玻璃钢可用绑扎固定。每两根YBCO带材1由两端的铜压块5通过螺栓6压接在熔断器两端的铜母排4上，当k为奇数，由一组铜压块5仅在同一侧压接一根YBCO带材1。

图3为本发明的整体结构示意图。如图3所示，高温超导熔断器主体7通过电流引线8吊装在低温容器10中，根据额定电压U由式(3)确定高温超导熔断器主体7与低温容器10的最小距离h。电流引线8套装在绝缘套管9中，引线在低温容器10外的部分用绝缘端子11绝缘。运行中，低温容器10内的液氮液面没过高温超导熔断器主体7。

本发明的工作原理和工作过程如下：本发明在正常运行时，电流I_op小于熔断器的临界电流I_CR，熔断器的YBCO带材1处于超导态，端电压E为零，对电网没有影响。在电网发生短路故障时，电流I_op瞬时高于熔断器的临界电流I_CR，根据式(1)及图1，熔断器的YBCO带材1处于正常态，所有承载电流转移到具有大电阻率的不锈钢稳定层中而呈现一个串接电阻R_Y(12mm宽不锈钢稳定基产品的常规电阻为0.1欧姆/米)。这种情况下高温超导熔断器的熔断特性与常规熔断器的安秒特性相似。但是由于YBCO带材1的载流能力是相同截面常规导体的30-50倍，而高电阻率的不锈钢稳定基载流能力仅为相同截面铜导体的1/100～1/50，决定了在相同熔断电流下YBCO带材1失超后熔断时间仅为常规熔断器的1/10⁵～1/10⁴，例如在故障电流I_fault＝10I_CR时，YBCO高温超导带的熔断时间为1～5ms。

本发明的一个实施例：

额定电压为220kV，额定电流1500A，YBCO带材1采用宽度为12mm的不锈钢稳定基产品，临界电流I_C为252A。则本发明并联YBCO带材1根数k为10根，铜压块5的数量为5，除去两端压接部分后YBCO带材1的有效长度L≥110202mm，高温超导熔断器主体7与低温容器10的最小距离h≥202mm，绝缘套管9和绝缘端子11选用额定电压为220kV的常规产品。

Claims (6)

1.一种高温超导熔断器，其特征在于，所述的高温超导熔断器包括YBCO带材（1）、重锤（2）、边框（3）、铜母排（4）、铜压块（5）、电流引线（8）、绝缘套管（9）、低温容器（10）和绝缘端子（11）；所述的YBCO带材（1）、重锤（2）、边框（3）、铜母排（4）、铜压块（5）与螺栓（6）构成高温超导熔断器主体（7）；铜母排（4）与边框（3）通过螺栓（6）组成固定YBCO带材（1）的窗口；YBCO带材（1）的中间位置固定有重锤（2），通过铜压块（5）与螺栓（6）把至少一根YBCO带材（1）的端部压接在所述熔断器两侧的铜母排（4）上；电流引线（8）的一端连接在铜母排（4）上，并套有绝缘套管（9）；电流引线（8）与高温超导熔断器主体（7）固定在低温容器（10）内，电流引线（8）处于低温容器（10）外的部分采用绝缘端子（11）绝缘；低温容器（10）内充有液氮，所述的液氮没过高温超导熔断器主体（7）； 

YBCO带材（1）的电流－电压特性E-I由式（1）描述，其中E为单位YBCO带的压降，E₀为常数1μV/cm，N值是描述超导转变特性的常数，YBCO带材（1）的N值介于25～50之间： 

E＝E₀(I/I_C)^N      (1)； 

式（1）中，I为超导体中承载的电流，I_c为超导体的临界电流; 

根据式（1），所述的高温超导熔断器在运行电流I_op小于该熔断器的临界电流I_CR时,所述的高温超导熔断器的YBCO带材（1）处于超导态，端电压E基本为零，对电网没有影响；在运行电流I_op发生波动而瞬时高于所述高温超导熔断器的临界电流I_CR时,根据式（1），所述高温超导熔断器的YBCO带材（1）处于正常态，运行电流I_op转移到具有大电阻率的不锈钢稳定层中而呈现一个串接电阻R_Y，这种情况下所述高温超导熔断器的熔断特性与常规熔断器的安秒特性相似；由于YBCO带材（1）的载流能力是相同截面常规导体的30-50倍，而高电阻率的不锈钢稳定层载流能力仅为相同截面铜导体的1/100～1/50，决定了在相同熔断电流下YBCO带材（1）失超后熔断时间仅为常规熔断器的1/10⁵～1/10⁴。 

2.按照权利要求1所述的高温超导熔断器，其特征在于，所述的YBCO带材（1）的有效长度L根据所述的高温超导断路器的额定电压U与氮气的击穿强度关系式（3）确定，所述的关系式（3）为： 

式中U为额定电压，e为自然常数，除去两端压接部分后YBCO带材有效长度L≥ 100mm。 

3.按照权利要求1所述的高温超导熔断器，其特征在于，多根所述的YBCO带材（1）并联，并联的YBCO带材（1）的根数k，k取整数，为： 

k＝I_CR/I_C     (2) 

式中；I_CR为高温超导熔断器的临界电流，I_C为YBCO带材(1)的临界电流。 

4.按照权利要求1或3所述的高温超导熔断器，其特征在于，每两根所述的YBCO带材（1）由铜压块（5）通过螺栓（6）压接在所述的熔断器两端的铜母排（4）上，当k为奇数时，由一组铜压块（5）在同一侧压接一根YBCO带材（1）。 

5.按照权利要求2所述的高温超导熔断器，其特征在于，根据所述的高温超导断路器的额定电压U与氮气的击穿强度关系式（3），用高温超导熔断器与低温液氮容器（10）内壁的最小绝缘距离h替代所述的关系式（3）中的YBCO带材有效长度L，确定高温超导熔断器与低温液氮容器（10）内壁的最小绝缘距离h。 

6.按照权利要求1所述的高温超导熔断器，其特征在于，所述的重锤的重量为80～150克，重锤的材质为不锈钢块或玻璃钢块。 

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