CN103825530A - 一种超导电机系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电机系统及其应用，超导电机系统包括超导电机、故障限流器、断路器和变流器；故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；串联开关的一端用于连接超导电机，另一端通过快速切换开关连接至断路器；故障电流探测元件的输入端连接至快速切换开关与断路器的连接端，第一输出端连接至串联开关的控制端，第二输出端连接至快速切换开关的控制端；限流电抗器与快速切换开关并联连接；过压保护元件与快速切换开关并联连接。本发明在不显著增加超导电机系统制造成本的情况下，短路故障发生时，不仅保护超导电机不被破坏，同时保护电网侧设备的正常运行；在正常运行工况下，不会对电机系统显著增加有功或无功损耗。

Description

一种超导电机系统及其应用

技术领域

本发明属于电机故障保护技术领域，更具体地，涉及一种超导电机系统及其应用。

背景技术

机端串联电抗器是一种常用的短路保护措施，短路保护原理如图1所示，将一组固定阻抗值的电抗器串入电机和变流器之间，不论正常运行还是暂态运行，电抗器均在系统中工作。当电机机端发生短路故障时，由于电抗器的存在，短路电流上升的速度和峰值都会受到限制，从而将短路电流限制在电网和电机可承受范围内，短路峰值转矩也会得到限制。

机端串联电抗器的保护方式，在电机正常运行时，电抗器自身产生的损耗会增加系统损耗，降低系统效率，加剧散热问题。而且，由于电抗器属于感抗型设备，正常运行中会增加无功损耗，影响电力系统的潮流分布及系统的稳定性。也会降低发电机组的功率因数，造成变流器容量和成本的增大，特别是在大容量超导电机系统中，会显著增加变流器的设计制造难度。在短路故障下，由于超导电机的短路电流较大，使得串联电抗器的体积和重量较大，制造成本及难度极大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超导电机系统，其目的在于不显著增加制造成本的基础上，当短路故障发生时，保护超导电机不被破坏以及电网侧设备正常运行，由此解决现有技术中的超导电机如果采用常规电机的短路保护方式会导致制造成本高、实现难度大以及系统稳定性差的技术问题。

本发明提供了一种超导电机系统，包括依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器、断路器和变流器；所述故障限流器用于当所述电机机端发生短路故障时，保护所述超导电机、所述变流器不被损坏以及电网侧设备正常运行；所述故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；所述串联开关的一端用于连接所述超导电机，所述串联开关的另一端通过所述快速切换开关连接至所述断路器；所述故障电流探测元件的输入端连接至所述快速切换开关与所述断路器的连接端，所述故障电流探测元件的第一输出端连接至所述串联开关的控制端，所述故障电流探测元件的第二输出端连接至所述快速切换开关的控制端；所述限流电抗器与所述快速切换开关并联连接；所述过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

本发明还提供了一种超导电机系统，包括依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器和断路器；所述故障限流器用于当所述变压器侧发生短路故障时，保护所述超导电机不被损坏以及电网侧设备正常运行；所述故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；所述串联开关的一端用于连接所述超导电机，所述串联开关的另一端通过所述快速切换开关连接至所述断路器；所述故障电流探测元件的输入端连接至所述快速切换开关与所述变流器的连接端，所述故障电流探测元件的第一输出端连接至所述串联开关的控制端，所述故障电流探测元件的第二输出端连接至所述快速切换开关的控制端；所述限流电抗器与所述快速切换开关并联连接；所述过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

其中，所述超导电机可以为超导电励磁电机。

本发明还提供了一种采用上述的超导电机系统的应用。

本发明的超导电机系统采用故障限流器对超导电机的故障进行保护，在不显著增加电机机械支撑设计制造成本的情况下，短路故障发生时，不仅保护超导电机不被破坏，同时保护电网及电网其他设备的正常运行；在正常运行工况下，不会对电机系统显著增加有功或无功损耗。

附图说明

图1是现有技术中串联电抗器短路保护原理框图；

图2是本发明实施例提供的具有超导励磁线圈的半超导电机基本构造示意图；

图3是本发明实施例提供的串联故障限流器短路保护原理框图；

图4是本发明实施例提供的故障限流器基本原理图；

图5是本发明实施例提供的故障限流器限流效果示意图；

图6是本发明实施例1提供的含有超导故障限流器的超导电机短路保护系统；

图7是本发明实施例2提供的含有固态限流器的超导电机短路保护系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种适用于超导电机的有效短路保护措施，在不显著增加电机机械支撑设计制造成本的情况下，短路故障发生时，不仅保护超导电机不被破坏，同时保护电网及电网其他设备的正常运行；在正常运行工况下，不会对电机系统显著增加有功或无功损耗。

超导电机是采用超导体全部或部分替代电机中常规导电材料的一种电机。超导电机中超导材料可以为高温超导材料或低温超导材料。超导电机的原理与常规电机相同，主要依据电磁感应定律和电磁力定律实现机电能量转换。在基本特性方面，由于超导线材通电电流密度远大于铜导线(100倍以上)，可以取消转子和定子铁芯，将气隙磁场强度设计在远高于铁磁材料磁饱和磁场的区域，而且超导绕组中没有电阻损耗，降低了电机的损耗，由此而导致超导电机比常规电机具有更为优良的特性，如体积小、重量轻；同步电抗小；效率高；出力范围增大等。超导电机包括但不仅限于半超导电机，以半超导电机作为例，半超导电机指电枢绕组(励磁绕组)采用超导线材，而励磁绕组(电枢绕组)采用常规导电材料的电机。一种常用的具有超导励磁线圈半超导电机的结构如图2所示。超导电励磁电机的体积小、重量轻等特点十分适合在低转速、大扭矩的舰船推进系统中使用，各国均投入精力研究超导电机作为推进电机，如美国、德国等。此外，将超导电机应用在大型风力发电机组中也是一个新的研究方向，尤其是10MW等级的大容量风电机组。目前，超导电机在诸如电力系统、高速运输、航天航空、航海动力、冶金工业等不同领域的应用研究方兴未艾。

一方面，由于超导电机中的磁通密度相对于常规电机高很多，超过了铁磁材料的饱和值，为了降低重量，电机转子或定子制造成无铁芯结构；另一方面，超导电机中的物理气隙比常规电机大，这使得超导电机的电枢电感值较低。另外，由于阻尼筒具有良好的磁屏蔽作用，进一步降低了超导电机的超瞬变电抗。以上原因造成了超导电机在发生外部短路故障时，会出现很高的短路故障峰值电流和瞬态短路转矩，可产生约20倍额定电流的冲击电流以及10倍以上额定转矩的冲击转矩，这不仅会对电力系统是一个严重的破坏因素，威胁到电网中其他设备的安全运行，而且对超导电机本身也可能产生巨大的破坏作用，尤其在目前超导电机的造价高昂情况下，其损失巨大。如果不加以限制，短路转矩可能损坏电机定转子的机械支撑，使绕组变形甚至断裂。因此，采用有效的短路保护措施对超导电机是十分必要的。

本发明实施例提供的超导电机系统的结构如图3所示；当电机机端发生短路故障时，可以采用如图3(a)所示的超导电机系统；具体包括：依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器、断路器和变流器；故障限流器用于当电机机端发生短路故障时，保护超导电机、变流器不被损坏以及电网侧设备正常运行；故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；串联开关的一端用于连接超导电机，串联开关的另一端通过快速切换开关连接至断路器；故障电流探测元件的输入端连接至快速切换开关与断路器的连接端，故障电流探测元件的第一输出端连接至串联开关的控制端，故障电流探测元件的第二输出端连接至快速切换开关的控制端；限流电抗器与快速切换开关并联连接；过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

如图4所示，故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；串联开关的一端用于连接超导电机，串联开关的另一端通过快速切换开关连接至所述断路器；故障电流探测元件的输入端连接至快速切换开关与所述断路器的连接端，故障电流探测元件的第一输出端连接至串联开关的控制端，故障电流探测元件的第二输出端连接至快速切换开关的控制端；限流电抗器与快速切换开关并联连接；过压保护元件与快速切换开关并联连接。

在正常工作状态下，故障限流器的阻抗值很小，对超导电机系统的有功或无功损耗影响不大，相当于输电导线。但在短路故障发生后，可快速可靠地限制短路电流，动作时间较短，而且限制过程中不会产生过电压，可保护绕组的绝缘不受损坏。

在本发明实施例中，当变压器侧发生短路故障时，可以采用如图3(b)所示的超导电机系统，具体包括：依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器和断路器；故障限流器用于当电机机端发生短路故障时，保护所述超导电机不被损坏以及电网侧设备正常运行；故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；串联开关的一端用于连接超导电机，串联开关的另一端通过快速切换开关连接至断路器；故障电流探测元件的输入端连接至快速切换开关与变流器的连接端，故障电流探测元件的第一输出端连接至串联开关的控制端，故障电流探测元件的第二输出端连接至快速切换开关的控制端；限流电抗器与快速切换开关并联连接；过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

其中，如图4所示，故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；所述串联开关的一端用于连接所述超导电机，所述串联开关的另一端通过所述快速切换开关连接至所述变流器；所述故障电流探测元件的输入端连接至所述快速切换开关与所述变流器的连接端，所述故障电流探测元件的第一输出端连接至所述串联开关的控制端，所述故障电流探测元件的第二输出端连接至所述快速切换开关的控制端；所述限流电抗器与所述快速切换开关并联连接；所述过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

在正常工作状态下，故障限流器的阻抗值很小，对超导电机系统的有功或无功损耗影响不大，相当于输电导线。但在短路故障发生后，可快速可靠地限制短路电流，动作时间较短，而且限制过程中不会产生过电压，可保护绕组的绝缘不受损坏。

在本发明实施例中，超导电机包括但不限于半超导电机和全超导电机。超导电机包括但不限于超导电动机和超导发电机。超导电机包括但不限于三相电机和多相电机。超导电机包括但不限于采用一套电枢绕组超导电机和两套及以上的电枢绕组电机。

作为本发明的一个实施例，故障限流器可以采用大容量快速限流器(也叫做大容量高速开关)、固态故障限流器、超导故障限流器、热敏电阻故障限流器等。

在本发明实施例中，超导电机短路保护过程电流变化示意图如图5所示，在短路故障发生后，在保证超导体不失超的前提下，通过故障限流器的合理设计，可使故障电流在达到短路电流峰值之前限制短路电流幅值及短路电流变化率，同时短路转矩也得到限制。在短路电流得到限制后，断路器动作，将短路故障点从电网中切除。超导电机中采用故障限流器的短路保护措施，不仅保护超导电机内部各部件不被损坏，还可以提高输电线路和输电网运行的整体控制能力，保障电网及电网其他设备的正常运行。

本发明采用故障限流器的超导电机保护方案可以在短路故障发生后，快速限制短路故障电流的幅值和故障电流的上升速率，使其限制在超导线圈不失超范围内，保护超导电机不被损坏(机械支撑结构的强度要求可以按照常规电机设计)，保障电网及电网其他设备正常运行。在超导电机正常运行时，故障限流器相当于导线，避免了现有技术采用电抗器方案中短路保护措施增加系统损耗、降低功率因数、增大变流器容量等问题。

在本发明实施例中，超导电机系统的应用领域非常广泛，具体可以应用在带有超导电机的风力发电系统、带有超导电机的舰船推进系统、带有超导电机的交通系统、带有超导电机的航天航空系统以及带有超导电机的冶金工业系统等等领域。

为了更进一步说明本发明实施例提供的超导电机系统，现结合具体实例详述如下：

实施例1，如图6所示，含有超导故障限流器的超导电机短路保护系统，该故障限流器是一种饱和铁心型高温超导限流器，由2个铁心电抗串联而成。每个铁心上一次绕组为常规线圈，铁心上的次级绕组是由高温超导线材绕制成的直流偏置线圈，如Bi-2223/Ag。超导偏置线圈在直流电源的作用下产生直流磁场，使得铁心处于高饱和状态，一次绕组串联在超导电机系统中。当正常运行时，由于铁心高饱和，此时故障限流器处于低感抗状态，损耗较小；当机端发生短路时，瞬间增加的短路电流使一次绕组产生的磁动势与直流超导绕组产生的磁动势抵消，故障限流器的铁心由高饱和状态进入正常态，从而产生了很高的阻抗，限制了短路电流的幅值和上升速率，动作时间较短，在电流过零时，断路器切断故障回路，可靠的保护了超导电机及其系统中部件。选用两级铁心是为了在正半周期和负半周期分别限制短路电流。

实施例2，如图7所示，含有固态限流器的超导电机短路保护系统，该故障限流器是一种新型桥式故障限流器，S1、S2、S3和S4为晶闸管，L为电感，Vb为直流偏置电源。当正常工作时，S1、S2、S3和S4为常触发导通状态，调节直流偏置电源使限流器的等效阻抗接近为0；当电机机端发生短路时，S3(电流处于正半周)或S4(电流处于负半周)截止，电感L会串入故障回路中，从而限制短路电流的限制了短路电流的幅值和上升速率，动作时间较短。当短路电流过零时，S1和S2会自动关断，断路器切断故障回路，可靠的保护了超导电机及其系统中部件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种超导电机系统，其特征在于，包括依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器、断路器和变流器；所述故障限流器用于当机端发生短路故障时，保护所述超导电机、所述变流器不被损坏以及电网侧设备正常运行；

所述故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；所述串联开关的一端用于连接所述超导电机，所述串联开关的另一端通过所述快速切换开关连接至所述断路器；

所述故障电流探测元件的输入端连接至所述快速切换开关与所述断路器的连接端，所述故障电流探测元件的第一输出端连接至所述串联开关的控制端，所述故障电流探测元件的第二输出端连接至所述快速切换开关的控制端；

所述限流电抗器与所述快速切换开关并联连接；

所述过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

2.一种超导电机系统，其特征在于，包括依次连接在变压器侧的超导电机、故障限流器和断路器；所述故障限流器用于当所述机端发生短路故障时，保护所述超导电机不被损坏以及电网侧设备正常运行；

所述故障限流器包括串联开关、故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器和过压保护元件；所述串联开关的一端用于连接所述超导电机，所述串联开关的另一端通过所述快速切换开关连接至所述断路器；

所述故障电流探测元件的输入端连接至所述快速切换开关与所述断路器的连接端，所述故障电流探测元件的第一输出端连接至所述串联开关的控制端，所述故障电流探测元件的第二输出端连接至所述快速切换开关的控制端；

所述限流电抗器与所述快速切换开关并联连接；

所述过压保护元件与所述快速切换开关并联连接。

3.一种采用权利要求1-2任一项所述的超导电机系统的应用。

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