CN103636091A - 超导故障电流限制器回复系统 - Google Patents
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Abstract
一种超导故障电流限制器回复系统，包括：超导故障电流限制器；分流器，并联电性耦接超导故障电流限制器；以及旁通路径，也并联电性耦接超导故障电流限制器。旁通路径使负载电流能够在旁通情况下流经旁通路径。因此，可在故障情况后经由旁通路径快速重建负载电流以供应负载，同时在故障情况后超导体故障电流限制器的超导体能有时间恢复超导状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导故障电流限制器(superconducting fault current limiter,SCFCL)，且特别涉及一种超导故障电流限制器回复系统。
背景技术
超导故障电流限制器(SCFCL)是一种限制电力系统(power system)的故障电流的装置。电力系统可包括传送电力到不同的工业、商业、及住宅负载的输电及配电网路。故障电流是电路中的异常电流，其原因是例如导致短路电流的短路的故障。故障电流可能因例如损害电线及元件的严酷气候的任意数目事件或失效而发生，例如击中电力系统的闪电。当故障发生时，大负载将瞬间出现。为了回应，网路将传送大量的电流(亦即故障电流)到这负载或此例的故障。这种突波或故障电流的情况不受欢迎，因为可能损害网路或连接到网路的设备。
超导故障电流限制器(SCFCL)包括位于低温槽(cryogenic tank)的超导体(superconductor)。超导体在稳态情况下处于具有零电阻的超导状态。为了使超导体维持超导状态，超导体的操作应低于其临界温度、临界电流密度、及临界磁场。若超过这三个条件的任一个，则超导体将抑制其超导状态而变成正常状态且显现电阻。为了使超导体维持在低于其临界温度的温度，冷冻系统(refrigeration system)将提供低温冷却流体给储藏超导体的低温槽。
图1是现有的一种电力系统100的电路图。电力系统100包括超导故障电流限制器(SCFCL)106、交流电发电机(AC power generator)102、平行于超导故障电流限制器(SCFCL)106的分流器(shunt)114、正常情况下是闭路的断路器(circuit breaker)108、及不同的负载110。在稳态情况下，交流电发电机102提供电力给负载110。断路器108是闭路且负载电流流经导体103、超导故障电流限制器(SCFCL)106、及导体105到负载110。在稳态情况下超导故障电流限制器(SCFCL)106的超导体处于显现零电阻的超导状态。故障情况可能发生于如位置112所显示的意外接地路径。为了回应，交流电发电机102试图传送大量的故障电流。超导体受到抑制而显现其电阻远大于分流器114的电阻。因此，在断路器108成为开路(当以现有的60Hz操作时现有的断路器108通常将费时2至3周期变成开路)之前，将整流故障电流进入分流器114，其通过降低故障电流的峰间值(peak to peak value)来限制故障电流于可接受的准位。
虽然电力系统100是有效的，但是电力系统100有时需要快速从故障情况回复。然而，超导故障电流限制器(SCFCL)106可能尚未准备快速恢复正常的保护操作。例如，在故障情况下超导故障电流限制器(SCFCL)106的超导体的温度准位可能增加至高于其临界温度。超导体的温度准位必须回到低于其临界温度以便恢复其超导状态。相关的冷冻系统将费时冷却超导体以回到低于其临界温度的温度。这将延迟恢复稳态情况，并且从故障情况回复之后可能延迟断路器108变成闭路。
因此，所属技术领域需要一种可克服上述不足及缺点的超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种超导故障电流限制器回复系统。此超导故障电流限制器回复系统包括：超导故障电流限制器；分流器，并联电性耦接超导故障电流限制器；以及旁通路径(bypass path)，也并联电性耦接超导故障电流限制器。
根据本发明的另一方面，提供另一种超导故障电流限制器回复系统。此超导故障电流限制器回复系统包括：超导故障电流限制器；分流器，并联电性耦接超导故障电流限制器；旁通路径，也并联电性耦接超导故障电流限制器，此旁通路径具有第一开关(switch)；第二开关，串联电性耦接超导故障电流限制器，第二开关也并联电性耦接旁通路径；以及控制器(controller)。控制器用以控制第一开关及第二开关的状态以便在稳态情况下第一开关是开路且第二开关是闭路，因而负载电流在稳态情况下流经超导故障电流限制器，以及在发生故障情况后的旁通情况下第一开关是闭路且第二开关是开路，因而负载电流在旁通情况下流经旁通路径。
附图说明
为了能更理解本发明，将参考附图予以说明，图中相同的参考数字表示相同的元件，其中：
图1是现有的一种超导故障电流限制器(SCFCL)电力系统；
图2是依照本发明的一实施例的在稳态情况下操作的一种超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统的方块图；
图3是在旁通情况下操作的图2的超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统的方块图；以及
图4是依照本发明的一实施例的另一种超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统的方块图。
具体实施方式
以下将参考附图更完整地说明本发明，图中显示本发明的实施例。然而，本发明可用许多不同的形式予以实施，因此不应视为局限于在此所述的实施例。更确切地说，提供这些实施例将使本发明的揭露更齐全，且将更完整地传达本发明的观念给任何本领域技术人员。在图中，相同的参考数字皆表示相同的元件。
参照图2，图中显示依照本发明的一实施例的一种超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统200的方块图。超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统200可包括并联电性耦接超导故障电流限制器(SCFCL)206的旁通路径250。旁通路径可包括第一开关S1及串联电性耦接第一开关S1的保险丝(fuse)232。超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统200也可包括超导故障电流限制器(SCFCL)206及也并联电性耦接超导故障电流限制器(SCFCL)206的分流器114。分流器114概要地显示成电阻器(resistor)，但是在其他的实施例中也可能是电感器(inductor)。超导故障电流限制器(SCFCL)系统200也可包括第二开关S2及控制器230。第二开关S2串联电性耦接超导故障电流限制器(SCFCL)206且并联电性耦接旁通路径250。
只有显示超导故障电流限制器(SCFCL)206的选取部分且任何本领域技术人员将明了超导故障电流限制器(SCFCL)206可包括其他的元件。超导故障电流限制器(SCFCL)206可包括界定一处理室(chamber)203的低温槽202、位于处理室203内的超导体209、冷冻系统212、温度感测器(temperaturesensor)208、及电流感测器(current sensor)226。为了绘图清楚起见，只显示一个单相的超导故障电流限制器(SCFCL)206。任何本领域技术人员将明了可以有三个三相交流电力系统的超导故障电流限制器(SCFCL)(每一相各一个)。
低温槽202可用不同的材料予以制造，例如介电质材料和／或热绝缘材料。超导体209可以是任何类型的超导材料，例如在保持低于其临界温度、临界电流密度、及临界磁场时显现超导特性的钇钡铜氧化物(yttrium barium copperoxide，YBCO)。超导体209根据所需的超导材料数量可具有不同的模组。冷冻系统212用以经由供应导管(supply conduit)216提供低温液体给低温槽202且经由回流导管(return conduit)214予以回收。冷冻系统212可包括低温冷却单元，用以冷却从回流导管214接收的输入低温流体，接着经由供应导管216提供已冷却的低温流体。冷冻系统212可包括阀(valves)、泵(pumps)、及感测器。冷冻系统212也可包括用以储存额外的低温冷却流体的储存槽。此低温冷却流体可以是液态氮、液态氦、液态氩、液态氖等等和／或其混合物。
控制器230可以是或包括可程式化以执行想要的输入／输出功能的通用电脑或通用电脑构成的网路。控制器230也可包括其他的电子电路或元件，例如特殊应用积体电路(application specific integrated circuits)、其他的硬体或可程式电子装置、离散元件电路等等。控制器230也可包括通讯装置、资料储存装置、及软体。控制器230可从例如第一开关S1、第二开关S2、冷冻系统212、温度感测器208、电流感测器226等等的各种系统及元件接收输入信号以便测定一个或多个元件的情况且予以控制。温度感测器208显示成位于低温槽202的外部，但是也可位于其他的位置以监控位于处理室203内部的超导体209和／或低温冷却流体的温度。可定位电流感测器226以即时地监控在导体105流动的电流。可利用任何类型的电流感测器，例如位于导体105周围的比流器(current transformer)。保险丝232可以是在电流旁通超导故障电流限制器(SCFCL)206时为负载提供保护的电性保护装置。在一实施例中，保险丝232可包括超导体，若在负载电流流经旁通路径250的旁通情况下发生故障则此超导体将是开路。
操作时，在稳态情况下超导体209处于超导状态。冷冻系统212经由供应导管216提供低温液体给低温槽202且经由回流导管214回收要再冷却的低温液体。超导体209的温度保持低于其临界温度。对于高温超导体临界温度可介于大约77°K与93°K之间。
在这种稳态情况下，如图2所显示，控制器230将第一开关S1(平常是开路)维持在开路状态且将第二开关S2(平常是闭路)维持在闭路状态。因此，在稳态情况下负载电流沿着路径270流经超导故障电流限制器(SCFCL)206到系统200的负载。
在故障情况下，故障电流使超导体209的温度几乎瞬间超过其临界温度，并且因此抑制超导体209。在这种状态下超导体209的电阻显示远高于分流器114的电阻。因此，故障电流将整流通过分流器114而在断路器108变成开路之前有效地限制故障电流的峰间值。
参照图3，所显示的超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统200是在发生故障情况后的旁通情况下操作。在旁通情况下，控制器230用以使第一开关S1是闭路且第二开关S2是开路。旁通情况可开始于响应表示故障电流消除的监控条件。例如，电流感测器226可提供表示故障电流消除的信号给控制器230。旁通情况也可开始于响应断路器108再度变成闭路。当第一开关S1是闭路且第二开关S2是开路时，负载电流将如路径272所显示流经旁通路径250到负载。
在这种旁通情况(如图3所显示，第一开关S1是闭路且第二开关S2是开路)下，超导故障电流限制器(SCFCL)206具有使超导体209恢复超导状态的额外回复期间。在一实例中，可能需要冷冻系统212再冷却超导体209至低于其临界温度以恢复超导状态。在切换回到稳态情况之前，控制器230可在开始旁通情况之后等待使超导故障电流限制器(SCFCL)206能够恢复超导状态的预定回复期间。另一方面，在终止旁通情况且恢复稳态情况之前，控制器230可响应表示超导体209的超导状态的监控条件。例如，温度感测器208可提供表示超导体209的温度的信号给控制器230。一旦这温度低于超导体209的临界温度，控制器230可通过将第一开关S1变成开路及将第二开关S2变成闭路而开始终止旁通情况(图3)且恢复稳态情况(图2)。
若在第一开关S1是闭路且第二开关S2是开路的旁通情况下发生故障，则保险丝232可烧断或开路使故障电流在断路器108再度变成开路之前整流通过分流器114。如同先前所详述，在一实施例中，保险丝232可以是在这种旁通情况下为负载提供保护的电性保护装置。在一实施例中，保险丝232可包括超导体，若在旁通情况下发生故障则此超导体将是开路。
图4是依照本发明的另一实施例的位于绝缘支柱(insulating pedestals)404上且如图2及图3所显示的超导故障电流限制器(SCFCL)206的方块图。
综上所述，本发明提供一种超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统，其具有并联电性耦接超导故障电流限制器(SCFCL)的旁通路径。旁通路径可包括用以选择是否使用旁通路径的第一开关S1。旁通路径的优点是在故障情况之后使超导故障电流限制器(SCFCL)能够旁通一段回复期间直到超导体恢复超导状态。以此方式，故障情况后的回复时间将最小化。在一实例中，故障情况的回复时间可从秒等级变成只有毫秒等级。当使用旁通路径时，在超导故障电流限制器(SCFCL)回复系统恢复稳态情况之前超导故障电流限制器(SCFCL)的冷冻系统可冷却受热的超导体至低于其临界温度。
本发明并未局限于在此所述的特定实施例的范围。更确切地说，除了在此所述的实施例以外，任何本领域技术人员将由上述说明及附图明了本发明的其他各种实施例及修改。因此，此种其他实施例及修改将落在本发明的范围内。此外，虽然在此已经说明本发明为了特殊目的而在特殊环境下予以实施，但是任何本领域技术人员将明了其用途并未局限于此，且本发明可为了任意数目的目的在任意数目的环境下有益地予以实施。
Claims (16)
1.一种超导故障电流限制器回复系统，包括：
超导故障电流限制器；
分流器，并联电性耦接所述超导故障电流限制器；以及
旁通路径，也并联电性耦接所述超导故障电流限制器。
2.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述旁通路径包括在稳态情况下是开路的第一开关，因而在稳态情况下负载电流将流经所述超导故障电流限制器。
3.根据权利要求2所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述第一开关在发生故障情况后的旁通情况下是闭路，因而在旁通情况下所述负载电流将流经所述旁通路径。
4.根据权利要求3所述的超导故障电流限制器回复系统，还包括串联电性耦接所述超导故障电流限制器的第二开关，所述第二开关也并联电性耦接所述旁通路径，并且其中所述第二开关在旁通情况下是开路。
5.根据权利要求4所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述超导故障电流限制器包括位于低温槽的处理室的超导体，并且其中所述超导故障电流限制器系统还包括用以控制所述第一开关及所述第二开关的状态的控制器，其中所述控制器用以维持所述第一开关是闭路且所述第二开关是开路的旁通情况达一段回复期间，所述回复期间足以使所述超导体能够在故障情况后恢复超导状态。
6.根据权利要求5所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述控制器用以控制所述第一开关及所述第二开关的状态以响应于表示所述超导体的超导状态的监控条件。
7.根据权利要求6所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述监控条件是所述超导体的温度。
8.根据权利要求7所述的超导故障电流限制器回复系统，其中一旦所述超导体的温度被冷却至低于所述超导体的临界温度时所述控制器用以终止旁通情况且开始稳态情况。
9.根据权利要求6所述的超导故障电流限制器回复系统，其中在所述超导体已经恢复所述超导状态之后所述控制器用以终止旁通情况且开始稳态情况。
10.根据权利要求1所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述旁通路径包括串联电性耦接所述第一开关的保险丝。
11.一种超导故障电流限制器回复系统，包括：
超导故障电流限制器；
分流器，并联电性耦接所述超导故障电流限制器；
旁通路径，也并联电性耦接所述超导故障电流限制器，所述旁通路径具有第一开关；
第二开关，串联电性耦接所述超导故障电流限制器，所述第二开关也并联电性耦接所述旁通路径；以及
控制器，用以控制所述第一开关及所述第二开关的状态以便在稳态情况下所述第一开关是开路且所述第二开关是闭路，因而负载电流在稳态情况下流经所述超导故障电流限制器，以及在发生故障情况后的旁通情况下所述第一开关是闭路且所述第二开关是开路，因而所述负载电流在旁通情况下流经所述旁通路径。
12.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述超导体故障电流限制器包括位于低温槽的处理室的超导体，并且其中所述控制器用以维持旁通情况达一段回复期间，所述回复期间足以使所述超导体能够在故障情况后恢复超导状态。
13.根据权利要求12所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述控制器用以控制所述第一开关及所述第二开关的状态以响应于表示所述超导体的超导状态的监控条件。
14.根据权利要求13所述的超导故障电流限制器回复系统，其中在所述超导体已经恢复所述超导状态之后所述控制器用以恢复旁通情况且开始稳态情况。
15.根据权利要求13所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述监控条件是所述超导体的温度，并且一旦所述超导体的温度被冷却至低于所述超导体的临界温度时所述控制器用以终止旁通情况且开始稳态情况。
16.根据权利要求11所述的超导故障电流限制器回复系统，其中所述旁通路径包括串联电性耦接所述第一开关的保险丝。
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