CN105075049B - 限流装置 - Google Patents

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Abstract

限流装置(10)使用超导体限制电流，包括：包括超导体的超导限流元件(8)、电容器(串联电容器1)、电抗器(限流电抗器6)和旁路开关(晶闸管开关4)。串联电容器(1)串联连接到超导限流元件(8)。限流电抗器(6)还与包括超导限流元件(8)和串联电容器(1)的串联电路串联连接。晶闸管开关(4)并联连接到串联电路。

Description

限流装置
技术领域
本发明涉及限流装置，更特别地，涉及使用超导体的限流装置。
背景技术
传统上提出的是使用布置在电力系统中的超导体的限流装置(参见例如日本专利特许公开No9-130966(PTD1))。PTD 1的图6公开了一种限流装置，该限流装置包括：限流元件，其包括超导体；限流电抗器，其与限流元件并联连接。在这种限流装置中，由于因故障等造成的过大电流，导致限流元件中的超导体转变成通常导电状态(失超)，因此，电阻变高并且出现电流换向至限流电抗器。结果，在限流电抗器中产生限流阻抗并且可限制过大电流。
引用列表
专利文献
PTD1：日本专利特许公开No.9-130966
发明内容
技术问题
然而，在上述的传统限流装置中，电流可在限流操作期间流过限流电抗器和限流元件。因此，存在的问题是，由限流元件中的超导体消耗的能量增加，这样使限流元件恢复的时间延长。
本发明致力于解决上述问题并且本发明的目的是提供从限流操作到恢复的时间可缩短的限流装置。
问题的解决方案
根据本发明的一种限流装置是使用超导体执行限流操作的限流装置，所述限流装置包括：包括超导体的超导限流元件；电容器；电抗器和旁路开关。电容器与超导限流元件串联连接。电抗器还与包括超导限流元件和电容器的串联电路串联连接。旁路开关与包括超导限流元件和电容器的串联电路并联连接。
据此，当过大电流流过限流装置时，超导限流元件中的超导体转变成通常导电状态。另外，通过导通旁路开关，电流可流动，以旁路超导限流元件。因此，限流操作期间的超导限流元件中的能耗可充分降低。结果，从限流操作到恢复的时间可被缩短。
限流装置中的电抗器具有作为限流电抗器的功能。与电抗器串联连接的电容器用于通过LC谐振消除上述电抗器的电感(L)，从而实现正常状态下的限流装置的较低阻抗。当由于故障等而导致过大电流流过限流装置时，超导限流元件如上所述高速地自发转变成通常导电状态。因此，即使旁路开关的操作时序滞后于上述限流操作，可以可靠地防止过大负荷(过大电压)被施加到电容器的端子之间。此外，通过如上所述使用超导限流元件，因旁路开关的操作时序延迟造成的通过电流的瞬态分量也可被抑制。
另外，当如上所述过大电流流过限流装置时，超导限流元件高速转变成通常导电状态，因此，流过电容器的电流被转向旁路开关所处的并联电路。因此，流过包括电抗器和电容器的串联电路的电流不再流动，因此，不再出现消除电抗器的电感的LC谐振。因此，能够通过电抗器的阻抗(限流阻抗)限制过电流。
本发明的有利效果
根据本发明，可提供从限流操作到恢复的时间可缩短的限流装置。
附图说明
图1是描述根据本发明的限流装置的第一实施例的电路图。
图2是描述根据本发明的限流装置的第二实施例的电路图。
图3是示出被研究模型系统的示意图。
图4是描述比较例的限流装置的电路图。
图5是示出关于本发明的实例的模拟结果的曲线图。
图6是示出关于本发明的实例的模拟结果的曲线图。
图7是示出关于本发明的实例的模拟结果的曲线图。
图8是示出关于比较例的模拟结果的曲线图。
图9是示出关于比较例的模拟结果的曲线图。
图10是示出关于比较例的模拟结果的曲线图。
具体实施方式
下文中，将参照附图描述本发明的实施例。在下面的附图中，相同的参考标号被分派给相同或对应的部分，将不再重复对其的描述。
(第一实施例)
将参照图1描述根据本发明的限流装置。根据本发明的限流装置10包括串联电容器1、超导限流元件8、限流电抗器6、晶闸管开关4、电流抑制电路和控制电路5。电流抑制电路由抑制电抗器2和抑制电阻器9形成。超导限流元件8连接到串联电容器1。在与串联电容器1的连接侧相反的一侧，超导限流元件8连接到限流电抗器6。包括晶闸管开关4、抑制电抗器2和抑制电阻器9的并联电路被形成为与由串联电容器1和超导限流元件8形成的串联电路并联连接。这个并联电路与由超导限流元件8和串联电容器1形成的上述串联电路连接于连接点21、22。在并联电路中，抑制电抗器2和抑制电阻器9并联连接，并且晶闸管开关4串联连接到并联连接的这些抑制电抗器2和抑制电阻器9。控制电路5连接到晶闸管开关4。
根据如上所述构造的限流装置10，当由于其内布置限流装置10的电力系统中的故障等而导致过大电流流过限流装置10时，超导限流元件8失超，因此快速且自发地执行限流操作。因此，可以可靠地抑制向串联电容器1的端子之间施加过电压。另外，在上述限流操作之后，包括晶闸管开关4的并联电路允许电流流动以旁路超导限流元件8。因此，可通过限流电抗器6中的限流阻抗限制过电流，并且超导限流元件8中产生的消耗的热能可减少。结果，超导限流元件8的高速恢复变得可能。另外，并联电路中布置的抑制电抗器2和抑制电阻器9的并联连接的一部分是电流抑制电路并且具有在旁路开关操作期间抑制来自电容器的放电电流的功能。
(第二实施例)
参照图2，将描述根据本发明的限流装置的第二实施例。
参照图2，限流装置10基本上具有与图1中示出的限流装置10的结构类似的结构。然而，在并联电路的构造方面，限流装置10不同于图1中示出的限流装置10。具体地，在图2中示出的限流装置10中，抑制电阻器9和抑制电抗器2没有布置在并联电路中并且只有晶闸管开关4布置在并联电路中。根据也具有这种结构的限流装置10，串联电容器1的端子之间的过电压可被抑制，在限流操作期间在超导限流元件8中产生的热能可减少，因此，高速恢复变得可能，类似于图1中示出的限流装置10。
下文中，将描述本发明的特性构造，尽管上述实施例中已经描述了其中一些。
根据本发明的限流装置10是使用超导体执行限流操作的限流装置10，限流装置10包括具有超导体的超导限流元件8、电容器(串联电容器1)、电抗器(限流电抗器6)和旁路开关(晶闸管开关4)。串联电容器1串联连接到超导限流元件8。限流电抗器6还与包括超导限流元件8和串联电容器1的串联电路串联连接。晶闸管开关4并联连接到上述的串联电路。
据此，当过大电流流过限流装置10时，超导限流元件8中的超导体转变成通常导电状态。另外，通过导通晶闸管开关4，电流可流动以旁路超导限流元件8。因此，超导限流元件8在限流期间的耗能可充分降低。结果，从限流操作到恢复的时间可缩短。
限流装置10中的限流电抗器6具有作为限流元件的功能。与限流电抗器6串联连接的串联电容器1是为了通过LC谐振消除上述限流电抗器6的电感(L)，从而实现正常状态下限流装置10的较低阻抗。当由于故障等而导致过大电流流过限流装置10时，超导限流元件8如上所述以高速自发转变成通常导电状态。因此，即使晶闸管开关4的操作时序落后于上述限流操作，也可稳定地防止过大负荷(过大电压)施加到串联电容器1的端子之间。此外，通过如上所述使用超导限流元件8，也可抑制因晶闸管开关4的操作时序中的延迟造成的通过电流的瞬态分量。
另外，当如上所述过大电流流过限流装置10时，超导限流元件8如上所述高速转变成正常导通装填，因此，已经流过串联电容器1的电流被转向晶闸管开关4所在的并联电路。因此，流过包括限流电抗器6和串联电容器1的电流不再流动，因此，不再出现已经消除限流电抗器6的电感的LC谐振。因此，可通过限流电抗器6的阻抗(限流阻抗)限制过电流。
在上述限流装置10中，旁路开关可包括晶闸管开关4。
在上述限流装置10中，旁路开关可包括与晶闸管开关4不同的其它类型的打开/关闭装置。例如，使用自激励元件的半导体开关、机械打开/关闭装置等可被用作旁路开关。
上述限流装置10还可包括与旁路开关串联连接的电流抑制电路。如图1中所示具有并联连接的抑制电阻器9和抑制电抗器2(线圈)的电路可以例如被用作电流抑制电路。
(实验实例)
如下执行模拟，以检验本发明的效果。
<模拟条件>
(1)关于用于模拟的模型系统
参照图3，模拟中研究的模型系统是通过变压器15从电源14传输电力的系统，假设新电源13布置在变压器15的次级总线中的情况。变压器次级总线12的额定电压被设定为77kV。使用均具有额定容量250MVA的三个变压器作为变压器15。假设变压器15的短路阻抗是22％。
作为新设置的电源13的条件，假设容量是300MVA的条件。假设新设置的电源13的瞬变电抗Xd'是20％(基于自电容)。
限流装置10布置在从总线12延伸到电力传输线16的线的电力传输端。即，总线12和两条电力传输线16借助限流装置10连接。断路器18布置在电力传输线16的相对两端。
在图3中示出的模型系统中，除非布置限流装置10，否则会超出断路器的额定电流。限流装置10的构造与图1中示出的限流装置10的构造类似。在由如图3中所示的限流装置10将这两条线一起补偿的条件下，进行下面的模拟。
(2)关于本发明的实例的限流装置的条件
在上述模型系统中，进行当在图3中的故障点17处出现三相短路并且电流值变得最大 时，将故障电流抑制到30kA或更小的研究。如下确定满足这种条件的限流装置10的性质。具体 地，关于实例的限流装置10中的限流电抗器6的感性电抗(XL)，假定变压器15的阻抗是29.33％@ 1000MVA并且电源14的瞬变电抗是66.7％@1000MVA，电源14和变压器15的合成阻抗变成20.4％@ 1000MVA。然后，故障电流是 因此，XL≥0.046pu。
因此，串联电容器1的容性电抗Xc1被设定为-j0.05pu并且限流电抗器6的感性电抗XL1被设定为j0.05pu。通过这种设定，通过限流装置10中的串联电容器1的容性电抗Xc1补偿限流电抗器6的感性电抗XL1，因此，限流装置10在正常状态下具有零阻抗。另外，当限流装置10中的超导限流元件8转变成通常导电状态时的限流电阻被设定为6Ω。
(3)关于比较例的限流装置
作为比较例，也针对如图4中所示构造的电流显示装置100而非图1中示出的限流装置10被布置在模型系统中的情况，执行类似模拟。如图4中所示，比较例的限流装置100具有并联连接的限流电抗器6和超导限流元件8。图4中示出的限流电抗器6的感性电抗XL1与图1中示出的限流电抗器6的感性电抗XL1类似。另外，当图4中所示的限流装置100中的超导限流元件8转变成通常导电状态时的限流电阻被设定为6Ω。
(4)关于用于模拟的分析模型
使用日本电子工程协会(Institute of Electrical Engineers of Japan)的技术报告第1088卷中的4.3.1(EMTP simple analysis model for SN-transition typesuperconducting current limiter(SN转变型超导限流器的EMTP分析简单模型))作为超导限流元件8的分析模型。另外，去除故障之后的限流电阻被设定为从故障去除时起线性减小。关于限流装置10和100，参照由基于金属的NbTi线杆制成的6.6kV 1.5kA级失超型限流器的超导线圈产生的电阻波形(产生的电阻值随时间变化)，超导限流元件8的操作时间Top被设定为1ms。
另外，限流装置10和100中的超导限流元件8的操作开始电流被设定为2400Arm(3.4kAp)。这个值是稳态电流(1200A)的两倍大。
此外，在限流装置10中，当晶闸管开关4操作并且超导限流元件8被旁路时，通过超导限流元件8的电流被抑制。因此，假设超导限流元件8在晶闸管晶体管4操作之后的0.1秒恢复至超导状态并且电流在限流操作之后(在超导限流元件8中出现失超之后)被转向。
(5)模拟中假设的条件
作为故障类型，假设图3中示出的故障点17处出现三相短路(3LS)(电源侧总线靠近端3LS)。作为故障顺序，假设在时间T＝0.1秒出现三相短路，断路器18在时间T＝0.2秒进行操作(CB相对两端开放)，并且故障线断开。
<结果>
图5至图7示出应用根据本发明的限流装置10的模拟结果，图8至图10示出当应用图4中示出的比较例的限流装置100时的模拟结果。在图5至图10中，各曲线图中的水平轴代表时间，图5和图8中示出的曲线图中的垂直轴代表故障电流(通过限流装置的电流)。通过限流装置的电流的单位是kA。图6和图9中的垂直轴代表限流器中的能耗(三相的总值)，其单位是MJ。图7和图10中的垂直轴代表限流电阻，其单位是Ω。如在图5和图8中可看到的，在本发明的实例和比较例中的任一个中，除了直流分量外的短路电流的交流电流分量大致是28kArm，并且电流适当受限。在图5和图8中，用曲线A、曲线B和曲线C指示通过限流装置的电流的三相的相应分量。由于短路电流的大小是通过限流电抗器6的性质确定的，因此本发明的实例和比较例之间的差异小。
如图6和图9中可看到的，根据本发明的限流装置10中的能耗是1.5M，而比较例的限流装置100中的能耗是4MJ。因此，相比于比较例的限流装置，在根据本发明的限流装置中的能耗被抑制。由于如上所述地抑制能耗，因此在超导限流元件8转变成通常导电状态之后恢复到超导状态的时间被缩短(到超导状态的恢复被加速)。因此，在根据本发明的限流装置10中，在从故障恢复时限流装置10到电力系统中的重新插入可被加速。在根据本发明的限流装置10中，短路电流在晶闸管开关4操作之前的极短时间段期间通过超导限流元件8，因此能耗增加。然而，晶闸管开关4的操作允许故障电流被转向并联电路，因此，整个故障时间段内的能耗增加得非常少。超导限流元件8的电阻值在故障时间段期间逐渐减小，据此，故障电流被略微转向超导限流元件8侧。然而，这关系不大。
另一方面，当使用比较例的限流装置100时，紧接在超导限流元件8操作(失超)之后，故障电流被转向限流电抗器6。因此，如图9中所示，相比于图6中，紧接在发生故障之后的能耗被抑制。然而，故障电流持续流过超导限流元件8，因此，能耗在故障时间段期间一直增加。因此，比较例中的总能耗最后变得比当使用根据本发明的限流装置100时的能耗大。限流装置100中的转向限流电抗器6的程度取决于限流电抗器和限流电阻值(超导限流元件8的电阻值)之间的关系而变化。
如上所述，在根据本发明的限流装置10中，相比于比较例，在限流装置中的限流操作期间消耗的能量被抑制得极低，并且限流电阻值在早期也减小。因此，在从故障恢复时，限流装置可被快速重新插入系统中。
另外，在根据本发明的限流装置10中，超导限流元件8按故障电流自发进行操作。因此，由晶闸管开关4的反应滞后以及通过电流的瞬态分量造成的、施加到串联电容器1的端子之间的过电压可被有效抑制。
应该理解，本文中公开的实施例和实例在任何方面都是例证性且非限制性的。本发明的范围由权利要求书的条款而非以上描述限定，并且旨在包括与权利要求书条款等同的范围和含义内的任何修改形式。
工业适用性
本发明特别有利地应用于包括超导限流元件的限流装置。
参考符号列表
1串联电容器；2抑制电抗器；4晶闸管开关；5控制电路；6限流电抗器；8超导限流元件；9抑制电阻器；10、100限流装置；12电力变电站总线；16电力传输线；13新设置的电源；14电源；15变压器；17故障点；18断路器；21、22连接点。

Claims (3)

1.一种使用超导体执行限流操作的限流装置，所述限流装置包括：
超导限流元件，所述超导限流元件包括所述超导体；
电容器，所述电容器串联连接到所述超导限流元件；
电抗器，所述电抗器进一步串联连接到包括所述超导限流元件和所述电容器的串联电路；以及
旁路开关，所述旁路开关并联连接到所述串联电路。
2.根据权利要求1所述的限流装置，其中
所述旁路开关包括晶闸管开关。
3.根据权利要求1或2所述的限流装置，进一步包括：
抑制电路，所述抑制电路串联连接到所述旁路开关。
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