CN102545141A - 一种高温超导限流熔断器 - Google Patents

Abstract

一种高温超导限流熔断器，并联高温超导熔断器(2)通过其两端的第一常闭快速开关(4)和第二常闭开关(5)与常规电抗器(1)并联；备用高温超导熔断器(3)与常规电抗器(1)并联，通过备用高温超导熔断器(3)两端的第一常开快速开关(6)、第二常开快速开关(7)保持断开状态。测控装置(9)通过电流传感器(8)检测线路电流情况，并根据电流状况通过测控装置(9)控制第一常闭快速开关(4)、第二常闭开关(5)、第一常开快速开关(6)以及第二常开快速开关(7)的开合。所述的并联高温超导熔断器(2)与备用高温超导熔断器(3)的结构相同。

Description

一种高温超导限流熔断器

技术领域

本发明涉及一种故障电流限流熔断器，特别涉及输配电系统短路故障限流熔断器。

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。常规断路器的开断时间不低于45ms，常规熔断器由于其安秒特性，熔断时间也较长(中华人民共和国能源部标准SD319-89，GB13539.1-2008以及GB15166.2-2008)，这给电网带来了很大危害。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；IEEETransactions 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

本发明目的克服以上现有技术存在的问题，并有效的解决不间断供电下的重合闸与短路故障限流的技术问题，提出一种新型的限流熔断器——高温超导限流熔断器。

本发明高温超导限流熔断器主要包括常规电抗器、并联高温超导熔断器、备用高温超导熔断器，两个常闭快速开关，两个常开快速开关，电流传感器以及测控装置等部件。

并联高温超导熔断器通过其两端的两个常闭快速开关与常规电抗器并联，备用高温超导熔断器也与常规电抗器并联但通过其两端的两个常开快速开关保持断开状态，高温超导限流熔断器通过两端的两个接线端串接在电网线路中。

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；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。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。根据线路传输的额定电流和负载情况确定高温超导熔断器的额定电流Iop，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/I_C    (1)

常规电抗器采用常规产品，其阻抗R_L的选择规则如下：线路没有串接高温超导限流熔断器时的最大故障电流I_sc，串接阻抗为R_L常规电抗器限制后的电流I_fc1，故障电流缩减率η为：

$\mathrm{\η}=\frac{I_{\mathrm{sc}}-I_{\mathrm{fcl}}}{I_{\mathrm{sc}}}\×100\%---\left(2\right)$

I_fc1要在电力系统可以承受的范围内，根据电力系统的负载情况以及所承受的过流能力计算R_L值与电流故障电流缩减率η，通常η取40-60％，I_sc与R_L的计算方法见GB/T 15544-1995。

在电力系统正常运行时，并联高温超导熔断器处于超导态，阻抗R_su为零，因为与之并联的常规电抗器的阻抗R_L的作用，额定电流I_op全部流经高温超导熔断器，不产生电损，对电力系统的运行不产生影响。在电网发生短路故障时，并联高温超导熔断器的电流瞬时高于熔断器的临界电流I_CR而使YBCO带材处于正常态(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。高温超导熔断器在1-5ms，即半个周期内熔断，迫使电流全部流经常规电抗器，常规电抗器的阻抗R_L的自动串入线路并进行限流。测控装置通过电流传感器检测到故障电流消失或故障电流不大于2I_op时，测控装置同时关闭备用高温超导熔断器的两端的常开快速开关并使两个常开快速开关维持在关闭状态，然后打开并联高温超导熔断器两端的常闭快速开关并使两个常闭快速开关维持在断开状态。由人工更换并联高温超导熔断器主体；人工控制测控装置，同时关闭并联高温超导熔断器两端的常闭快速开关，并使两个常闭快速开关维持在关闭状态，然后同时打开备用高温超导熔断器两端的常开快速开关，并使两个常开快速开关维持在断开状态；从而本发明实现了故障电流限制与不间断供电下的重合闸。

为提高并联高温超导熔断器的灭弧效果并缩短燃弧时间，采取如下措施：1)并联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。

为确保并联高温超导熔断器的耐高电压水平，本发明采取如下措施：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。

并联高温超导熔断器的额定电压U与常规电抗器的相同，常闭快速开关、常开快速开关、电流传感器以及测控装置均采用常规产品。

本发明可广泛应用于配电网输电网。把常规电抗器换成对应阻抗的常规电阻，本发明也可用于直流电网。

附图说明

图1高温超导限流熔断器原理图，图中：1常规电抗器，2并联高温超导熔断器，3备用高温超导熔断器，4第一常闭快速开关，5第二常闭快速开关，6第一常开快速开关，7第二常开快速开关，8电流传感器，9测控装置，A与B接线端。

图2高温超导熔断器主体的结构示意图，图中：10YBCO带材，11重锤，12边框，13铜母排，14铜压块，15螺栓，LYBCO带材10有效长度，kYBCO带材10并联根数；

图3并联与备用高温超导熔断器2与3结构示意图，图中：16高温超导熔断器主体，17电流引线，18绝缘套管，19低温容器，20绝缘端子，h高温超导熔断器主体16与低温容器19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。

图1为高温超导限流熔断器原理图。如图1所示，本发明高温超导限流熔断器主要包括常规电抗器1、并联高温超导熔断器2、备用高温超导熔断器3、常闭快速开关4、5，常开快速开关6、7，电流传感器8以及测控装置9等部件。并联高温超导熔断器2通过其两端的第一常闭快速开关4、第二常闭开关5与常规电抗器1并联；备用高温超导熔断器3也与常规电抗器并联但通过其两端的第一常开快速开关6、第二常开快速开关7保持断开状态，在高温超导限流熔断器通过两端的两个接线端A和B串接在线路中；测控装置9通过电流传感器8检测线路电流情况，并根据电流通过测控装置9控制第一常闭快速开关4、第二常闭开关5、第一常开快速开关6以及第二常开快速开关7的开合。

如图2、图3所示，并联高温超导熔断器2与备用高温超导熔断器3的结构相同，主要包括YBCO带材10、重锤11、边框12、铜母排13、铜压块14、电流引线17、绝缘套管18、低温容器19与绝缘端子20等部件；YBCO带材10、重锤11、边框12、铜母排13、铜压块14构成高温超导熔断器主体16；重锤11固定在YBCO带材10的中间位置，通过铜压块14与螺栓15把至少一根YBCO带材10的端部压接在所述熔断器两侧的铜母排13上。如图3所示，电流引线17一端连接在铜母排13上，并套有绝缘套管18绝缘。电流引线17与高温超导熔断器主体16固定在低温容器19内，电流引线17处于低温容器19外的部分采用绝缘端子20绝缘。低温容器19内充有液氮，所述的液氮没过高温超导熔断器主体16。

YBCO带材10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10单位宽度的临界电流I_C可以达到210A/cm。根据线路传输的额定电流和负载情况确定高温超导熔断器主体2和3的额定电流I_op，高温超导熔断器2和3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2和3额定电流I_op的1.5～2倍，而并联YBCO带材10的根数k，k取整数，由式(1)确定。每根YBCO带材10的中间位置固定长2-3cm、重80～150克的高密度重锤11，若重锤11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10由两端的铜压块14通过螺栓15压接在熔断器两端的铜母排13上，当k为奇数，由一组铜压块14仅在同一侧压接一根YBCO带材10。

如图2所示，一根或多根并联YBCO带材10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。如图3所示，高温超导熔断器主体16通过电流引线17吊装在低温容器19中，根据额定电压U由式(3)确定高温超导熔断器主体16与低温容器19的最小距离h。

常规电抗器1采用常规产品，其阻抗R_L的选择规则如下：线路没有串接高温超导限流熔断器时的最大故障电流I_sc，串接阻抗为R_L常规电抗器限制后的电流I_fc1，故障电流缩减率η为由式(2)确定；I_fc1要在电力系统可以承受的范围内，根据电力系统的负载情况以及所承受的过流能力计算R_L值与电流故障电流缩减率η，通常η取40-60％，I_sc与R_L的计算方法见GB/T 15544-1995。

本发明的工作原理和工作过程如下：在电力系统正常运行时，并联高温超导熔断器2处于超导态，阻抗R_su为零，因为与之并联的常规电抗器1的阻抗R_L的作用，额定电流I_op全部流经并联高温超导熔断器2，不产生电损，对电力系统的运行不产生影响。在电网发生短路故障时，并联高温超导熔断器2的电流瞬时高于熔断器的临界电流I_CR而使YBCO带材10处于正常态(正常态电阻为0.1欧姆/米)，这种情况下并联高温超导熔断器2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10的载流能力是相同截面常规导体的30-50倍，而其正常态时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10的熔断时间仅为常规熔断器的1/10⁵～1/10⁴。高温超导熔断器2在1-5ms(半个周期)内熔断，迫使电流全部流经常规电抗器1，其阻抗R_L的自动串入线路并进行限流。测控装置9通过电流传感器8检测到故障电流消失或不大于2I_op时，测控装置9同时关闭备用高温超导熔断器3两端的常开快速开关6与7并维持在关闭状态，然后打开并联高温超导熔断器2两端的常闭快速开关4与5并维持在开断状态。人工更换并联高温超导熔断器2主体16；人工控制测控装置9，同时关闭并联高温超导熔断器2两端的常闭快速开关4与5并维持在关闭状态，然后同时打开备用高温超导熔断器3两端的常开快速开关6与7并维持在开断状态；从而本发明实现了故障电流限制与不间断供电下的重合闸。

并联高温超导熔断器2的额定电压U与常规电抗器1的相同，常闭快速开关4与5、常开快速开关6与7、电流传感器8以及测控装置9均采用常规产品。

本发明可广泛应用于配电网输电网。把常规电抗器1换成对应阻抗的常规电阻，本发明可用于直流电网。

本发明的一个实施例：

额定电压为220kV，额定电流1500A，最大故障电流I_sc为63kA，故障电流缩减率k为50％时常规电抗器1的阻抗R_L为2.6欧姆，常闭快速开关4和5以及常开快速开关6和7均选用额定电压220kV、开断电流为10kA的常规快速开关。电流传感器8采用常规产品，额定电压220kV、量程为63kA，测控装置采用常规产品。

高温超导熔断器主体16由k为10根宽度为12mm的不锈钢稳定基产品YBCO带材10组成。铜压块14的数量为5，除去两端压接部分后YBCO带材10的有效长度L≥202mm，高温超导熔断器主体16与低温容器19的最小距离h≥202mm，绝缘套管18和绝缘端子20选用额定电压为220kV的常规产品。

Claims (3)

1.一种高温超导限流熔断器，其特征在于，所述的高温超导限流熔断器包括常规电抗器(1)、并联高温超导熔断器(2)、备用高温超导熔断器(3)、两个常闭快速开关(4、5)，两个常开快速开关(6、7)，电流传感器(8)以及测控装置(9)；并联高温超导熔断器(2)通过其两端的第一常闭快速开关(4)和第二常闭开关(5)与常规电抗器(1)并联；备用高温超导熔断器(3)与常规电抗器(1)并联，通过备用高温超导熔断器(3)两端的第一常开快速开关(6)、第二常开快速开关(7)保持断开状态；测控装置(9)通过电流传感器(8)检测线路电流情况，并根据电流状况通过测控装置(9)控制第一常闭快速开关(4)、第二常闭开关(5)、第一常开快速开关(6)以及第二常开快速开关(7)的开合；所述的并联高温超导熔断器(2)与备用高温超导熔断器(3)的结构相同；所述的高温超导限流熔断器串接在电网线路中。

2.按照权利要求1所述的高温超导限流熔断器，其特征在于，所述的并联高温超导熔断器(2)包括YBCO带材(10)、重锤(11)、边框(12)、铜母排(13)、铜压块(14)、电流引线(17)、绝缘套管(18)、低温容器(19)与绝缘端子(20)；YBCO带材(10)、重锤(11)、边框(12)、铜母排(13)、铜压块(14)构成高温超导熔断器主体(16)；重锤(11)固定在YBCO带材(10)的中间位置，通过铜压块(14)与螺栓(15)把至少一根YBCO带材(10)的端部压接在所述熔断器两侧的铜母排(13)上；电流引线(17)的一端连接在铜母排(13)上，并套有绝缘套管(18)绝缘；电流引线(17)与高温超导熔断器主体(16)固定在低温容器(19)内，电流引线(17)处于低温容器(19)外的部分采用绝缘端子(20)绝缘；低温容器(19)内充有液氮，所述的液氮没过高温超导熔断器主体(16)。

3.按照权利要求1所述的高温超导限流熔断器，其特征在于，在短路故障发生后，所述的高温超导熔断器(2)在1-5ms，即半个周期内熔断，迫使电流全部流经常规电抗器(1)，常规电抗器(1)的阻抗R_L自动串入线路并进行限流；测控装置(9)通过电流传感器(8)检测到故障电流消失或故障电流不大于2I_op时，测控装置(9)同时关闭备用高温超导熔断器(3)两端的常开快速开关(6、7)并使两个常开快速开关(6、7)维持在关闭状态，然后打开并联高温超导熔断器(2)两端的常闭快速开关(4、5)，并使两个常闭快速开关(4、5)维持在断开状态；由人工更换并联高温超导熔断器主体(16)；人工控制测控装置(9)同时关闭并联高温超导熔断器(2)两端的常闭快速开关(4、5)并使两个常闭快速开关(4、5)维持在关闭状态，然后同时打开备用高温超导熔断器(3)两端的常开快速开关(6、7)，并使两个常开快速开关(6、7)维持在断开状态；实现故障电流限制与不间断供电下的重合闸。

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