CN106229957B - 一种电阻型直流超导限流器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超导电力技术领域，尤其涉及一种电阻型直流超导限流器，所述限流器包括超导线圈和铁轭；所述超导线圈构成限流器的主体；所述铁轭分为上部铁轭和下部铁轭，所述上部铁轭和所述下部铁轭用于降低垂直于超导带材表面的磁场分量。该限流器能有效抑制直流故障电流，可满足大工程电流密度要求，同时具有超导材料利用率高、有效降低制作成本等优点。

Description

一种电阻型直流超导限流器
技术领域
本发明属于超导电力技术领域，尤其涉及一种电阻型直流超导限流器。
背景技术
直流电网故障发生后，直流侧、交流侧以及换流装置都将出现严重的过流现象，为了保证系统的安全可靠运行，必须快速切除直流故障电流。超导限流器是限制故障电流的有效措施，从通流/限流元件的阻抗性质来分，可分为电阻型和电感型。在直流电网中，电阻型限流器优于电感型限流器。首先，电阻型限流器不会因故障电流为直流而减弱限流效果，而电感型限流器更适用于限制交流电网的故障电流。其次，电阻型限流器串入直流线路后，限制直流线路过电流，同时改变故障回路的阻尼状态，使直流电容放电变成二阶阻尼衰减过程。因此，针对直流短路故障问题，开展电阻型超导直流限流器的研究，对于提高直流电网运行稳定性有非常重要的意义。
目前，超导带材在失超以后的电阻率比较低，多根超导带材制作成股线或电缆等形式导体在高压、大容量的直流系统中应用时，随着并联超导带材数目的增加，单位长度电阻进一步降低，所以需要大量的超导材料，造成成本过高，削弱了电阻型限流器在直流电网中的应用优势。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种电阻型直流超导限流器。
一种电阻型直流超导限流器，所述限流器包括超导线圈和铁轭；所述超导线圈构成限流器的主体；所述铁轭分为上部铁轭和下部铁轭，所述上部铁轭和所述下部铁轭用于降低垂直于超导带材表面的磁场分量。
所述超导线圈由超导股线在筒壁上紧密排列，逐层绕制而成；超导带材堆叠构成所述超导股线线芯，由绝缘层或金属包套包裹构成所述超导股线。
所述上部铁轭和所述下部铁轭的材料均为铁磁材料，所述铁轭形状为圆饼或圆环，并沿半径方向切割，形成一个气隙，且该气隙所在平面与限流器中心轴形成夹角，所述铁轭与所述超导线圈同轴布置在线圈的顶端和底端。
所述超导线圈通电后，产生磁场；所述磁场分为垂直于带面的垂直场、平行于带面的平行场，沿超导带材长度方向的轴向场。布置所述铁轭，用于减小所述垂直场，以提高超导带材的临界电流水平。
本发明的有益效果在于：
本发明的电阻型直流超导限流器能提高超导带材临界电流，从而降低大电流股线或电缆的超导带材根数，提高股线或电缆单位长度电阻，提高超导带材利用效率，达到降低直流超导限流器成本的目的。可以作为直流微网、直流配电、直流输电、舰船电力系统故障电流的限制装置，具有限流速度快、电流密度大，机械强度高，超导材料利用效率高等优点。
附图说明
图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线图；
图2为电阻型直流超导限流器示意图；
图3为电阻型直流超导限流器剖面图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
实施例1
本发明提出一种电阻型直流超导限流器，包括超导线圈，铁轭两部分。基于超导材料临界电流各向异性这一特性，通过在限流器超导线圈上部和下部安装铁轭的措施，提高限流器临界电流，有效降低超导材料的用量，可以作为直流微网、直流配电、直流输电、舰船电力系统故障电流的限制装置，具有限流速度快、电流密度大，机械强度高，超导材料利用效率高等优点。具体方案如下：
超导线圈是直流超导限流器的主体，限流器流过电流时，根据安培定则，超导线圈会产生磁场，磁场会影响超导带材的临界电流。77K温度下，在直流磁场中，临界电流Ic随磁场大小B和方向变化θ的函数关系是
其中，B//和B⊥分别是平行和垂直于超导带材表面的磁场分量的磁感应强度；θ为磁场与超导带材表面的夹角；Ic(0)为超导带材自场(零外磁场)下的临界电流；B0、γ和α为拟合常数。上述公式表明，垂直场分量和平行场分量对超导带材临界电流的影响并不相同，这是超导带材的一个重要特点——各向异性。图1为高温超导带材临界电流各向异性的典型曲线，其中小图是磁场相对超导带材的方向，垂直场对临界电流的影响比平行场影响要大得多。因此，克服高温超导材料强烈的各向异性造成的垂直场对临界电流的影响，可以有效提高超导带材的临界电流。
实施例2
本发明的目的是为了满足背景技术中所述的，超导限流器在舰船电力系统、直流微网、直流配电、直流输电等领域限制故障电流时的工程要求，提供一种电阻型直流超导限流器，技术方案为：
电阻型直流超导限流器由超导线圈(3)，上部铁轭(1)和下部铁轭(2)构成，如图2所示，超导线圈(3)是限流器的主体，上部铁轭(1)和下部铁轭(2)的作用是降低垂直于超导带材表面的磁场分量。
超导线圈(3)由超导股线(9)在筒壁上紧密排列，逐层绕制而成。超导带材(10)堆叠构成超导股线线芯，由绝缘层或金属包套包裹构成超导股线。绕制时注意将股线中的超导带材(10)的带面平行于筒壁进行绕制，如图3中放大部分所示。
上部铁轭(1)、下部铁轭(2)材料均为铁磁材料，所述铁轭形状为圆饼或圆环，并沿半径方向切割，形成一个气隙(4)、(5)，且该气隙所在平面与限流器中心轴形成夹角，所述铁轭与所述超导线圈同轴布置在线圈的顶端和底端。
超导线圈通电后，产生磁场。对于高温超导带材，称垂直于带面的磁场为垂直场，平行于带面的磁场为平行场，沿超导带材长度方向的磁场为轴向场。布置铁轭后，可以改变超导线圈的磁场，即：减小垂直场。根据超导材料临界电流的各向异性这一性质，由于垂直场对高温超导带材临界电流的影响比平行场大，所以超导带材的临界电流水平得到提高。
材料用量及尺寸设计：
限流器限流电阻R，限流器临界电流Ic，带材失超后单位长度电阻R0，带材临界电流Ic0，超导股线单位长度电阻RR，超导股线中带材根数n，超导线圈层数c。几何尺寸参数如图3，电阻型直流超导限流器剖面图所示：超导线圈截面(7)内径a1，外径a2，线圈高度2b；超导股线截面(9)宽kk，厚hh；铁轭截面(6)、(8)内径r1，外径r2，厚h；铁轭与线圈之间的间隙s。铁轭的设计尺寸应满足条件：运行时，铁轭不会发生磁饱和。
其中，超导股线长度L＝R/RR，带材用量Lall＝n×L，线圈外径a2＝a1+c×hh，
线圈匝数N＝L/((a1+a2)×π)，线圈高度2b＝(kk×hh)/((a12-a22)×π)。
电阻型直流超导限流器的超导线圈串联在直流线路中，在线路正常运行时，超导线圈处于超导态，电阻为零；当线路发生短路故障时，超过超导线圈临界电流得故障电流会使其失超，产生一个电阻，电阻型直流超导限流器成为高阻抗状态，抑制短路电流的水平。
本发明的有益效果为，本发明是一种电阻型直流超导限流器，有效抑制直流故障电流，能够满足大工程电流密度要求，同时具有超导材料利用率高、有效降低制作成本等优点，适用于舰船电力系统、直流微网、直流配电、直流输电等领域。
实施例3
下面结合附图3对本发明作进一步说明。
限流器限流电阻R＝10Ω，限流器临界电流Ic＝1400A，带材失超后单位长度电阻R0＝70Ω/km，带材临界电流Ic0＝500A，超导股线单位长度电阻RR＝9.61Ω/km，超导股线中带材根数n＝7，超导线圈层数c＝2。几何尺寸参数如图3，电阻型直流超导限流器剖面图所示：超导线圈截面(7)内径a1＝0.45m，外径a2＝0.4550m，线圈高度2b＝2.22m；超导股线截面(9)宽kk＝0.0122m，厚hh＝0.0025m；铁轭截面(6)、(8)内径r1＝0.001m，外径r2＝0.5m，厚h＝0.1m；铁轭与线圈之间的间隙s＝0.002m。铁轭的设计尺寸应满足条件：运行时，铁轭不会发生磁饱和。
其中，超导股线长度L＝R/RR＝520m，带材用量Lall＝n×L＝3.64km，线圈匝数N＝L/((a1+a2)×π)＝235匝，线圈高度2b＝(kk×hh)/((a12-a22)×π)＝1.43m。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种电阻型直流超导限流器，其特征在于，所述限流器包括超导线圈和铁轭；所述超导线圈构成限流器的主体；所述铁轭分为上部铁轭和下部铁轭，所述上部铁轭和所述下部铁轭用于降低垂直于超导带材表面的磁场分量；
所述超导线圈由超导股线在筒壁上紧密排列，逐层绕制而成；超导带材堆叠构成所述超导股线线芯，由绝缘层或金属包套包裹构成所述超导股线；
所述上部铁轭和所述下部铁轭的材料均为铁磁材料，所述铁轭形状为圆饼或圆环，并沿半径方向切割，形成一个气隙，且该气隙所在平面与限流器中心轴形成夹角，所述铁轭与所述超导线圈同轴布置在线圈的顶端和底端。
2.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述超导线圈通电后，产生磁场；所述磁场分为垂直于带面的垂直场、平行于带面的平行场，沿超导带材长度方向的轴向场。
3.根据权利要求2所述的限流器，其特征在于，布置所述铁轭，用于减小所述垂直场，以提高超导带材的临界电流水平。
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