CN109193597B - 一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器 - Google Patents

一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器，包括：高温超导线圈、限流电阻、续流电阻、续流二极管、金属氧化物避雷器、以及快速开关组成；所述限流电阻与高温超导线圈和快速开关的串联支路并联，形成限流支路；所述续流电阻与续流二极管串联，形成的续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路；所述金属氧化物避雷器与高温超导线圈并联，形成保护支路，解决了电阻性超导限流器材料成本大，电感型超导限流器无法限制短路电流的峰值的问题。

Description

一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器
技术领域
本申请涉及一种直流限流器，具体的涉及一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器。
背景技术
直流输电系统具有灵活、可靠、便捷的优势，随着新能源技术的不断发展，大容量的风能、太阳能以及其他分布式发电逐渐成熟，在对大容量、远距离输电有着迫切需求的未来，直流输电必将在电力系统中发挥重要的作用。然而，直流输电的发展尚面临着几大难点，其中直流短路故障的快速有效隔离是最为关键的技术难点之一。当系统直流侧发生短路故障以后，由于换流器内部的续流二极管在IGBT全部关断以后将构成一个不控整流桥，故障电流一直存在，从而导致无法实现直流故障的自清除，以致影响与之相连的各交流系统的稳定性。直流系统要求在很短时间内将短路故障切除以维持系统的稳定运行，目前，解决短路电流过大的问题最常采用的是高阻抗变压器和限流电抗器等传统限流装置，但这些设备在正常输电时自身的压降会占线路压降的4％～10％，极大降低了电网的电压调节能力，有时还要配置有载调压变压器来补偿这些设备带来的电压降落，加大了电网损耗和建设成本。
目前的电阻型超导限流器需要采用大量的超导材料，从而导致制造成本大幅度提升；电感型超导限流器只能限制短路电流的上升速度，却无法限制短路电流的峰值；非失超型超导限流器不需考虑失超恢复的问题，同时，在整个限流过程中超导元件始终处于故障电路中，不利于超导元件的失超恢复，甚至可能造成超导元件的永久损坏，从而降低设备的使用寿命。
发明内容
本申请提供一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器，用于解决电阻性超导限流器材料成本大，电感型超导限流器无法限制短路电流的峰值的问题。
本申请提供一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器，包括：高温超导线圈、限流电阻、续流电阻、续流二极管、金属氧化物避雷器、以及快速开关组成；所述限流电阻与高温超导线圈和快速开关的串联支路并联，形成限流支路；所述续流电阻与续流二极管串联，形成的续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路；所述金属氧化物避雷器与高温超导线圈并联，形成保护支路。
优选的，所述高温超导线圈，采用高温超导带材绕制。
优选的，所述采用高温超导带材绕制成有感限流元件，限流过程等效为限流电感与可变电阻的串联电路，形成超导支路，限流电感的自动投入限制了故障电流变化率，可变电阻的自动投入限制了故障电流的峰值。
优选的，所述续流电阻与续流二级管串联，形成续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路，用于降低快速开关的分断过电压。
优选的，还包括：
采用故障分阶段限流，限流过程由高温超导线圈限流、快速开关断开、限流电阻限流、以及续流电阻和二极管续流构成。
优选的，还包括：
在故障分阶段限流的第一阶段，高温超导线圈的电流不能突变，由限流电阻和高温超导线圈共同限流。
优选的，还包括：
在故障分阶段限流的第二阶段，电流限流到快速开关分断水平，快速开关断开，限流电阻进行限流，续流电阻和续流二级管的支路进行续流。
优选的，还包括：
在故障阶段限流的第一阶段和第二阶段，切入限流电阻进行分阶段限流，可以调整直流线路的阻尼特性，节约成本，提高限流器的经济性。
由此可见，本申请提供的一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器，通过有感线圈和限流电阻配合限流，解决了电阻性超导限流器材料成本大，电感型超导限流器无法限制短路电流的峰值的问题，还可以保护超导部分不因长期处于失超状态而产生永久性损坏。
附图说明
图1是本申请实施例提供的高温超导直流限流器原理示意图；
图2是本申请实施例涉及的单相带有耦合变压器的超导直流限流器结构图。
具体实施方式
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似推广，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。
请参看图1，图1是本申请实施例提供的高温超导直流限流器原理示意图，下面结果图1进行详细说明。
图1提供的高温超导直流限流器由高温超导线圈(SC)、限流电阻(R1)、续流电阻(R2)、续流二极管(D1)、金属氧化物避雷器(RMOA)、以及快速开关(S1)组成。
高温超导线圈，采用高温超导带材绕制成有感限流元件，限流过程等效为限流电感与可变电阻的串联电路，形成超导支路，限流电感的自动投入限制了故障电流变化率，可变电阻的自动投入限制了故障电流的峰值。
续流电阻与续流二级管串联，形成续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路，用于降低快速开关的分断过电压。
金属氧化物避雷器与高温超导线圈并联，形成保护支路。
限流电阻，用于形成限流支路，与高温超导线圈和快速开关的串联支路并联。
采用故障分阶段限流，限流过程由高温超导线圈限流、快速开关断开、限流电阻限流、以及续流电阻和二极管续流构成。
在故障分阶段限流的第一阶段，高温超导线圈电流不能突变，限流电阻和高温超导线圈共同进行限流。
在故障分阶段限流的第二阶段，电流限流到快速开关分断水平，快速开关断开，限流电阻进行限流，续流电阻和续流二级管的支路进行续流。
在故障阶段限流的第一阶段和第二阶段，切入限流电阻进行分阶段限流，可以调整直流线路的阻尼特性，节约成本，提高限流器的经济性。
如图1所示的超导限流器原理示意图，当超导限流器所在的线路无故障时，快速开关(S1)闭合。此时线路电流较小，高温超导线圈(SC)处于超导状态，其可变电阻(RSC)为零，限流电感(LSC)工作在直流侧，不产生压降，即高温超导线圈(SC)对外呈现零阻抗，因此工作电流全部从高温超导线圈(SC)和快速开关(S1)的串联支路流过。可见，新型超导直流限流器对线路的正常运行无影响。
在t＝t1时刻，系统发生短路故障时，短路电流迅速增大，故障电流将通过高温超导线圈(SC)与快速开关(S1)支路，和限流电阻(R1)支路，受到高温超导线圈(SC)和限流电阻(R1)的限制作用。
在故障分阶段限流的第一阶段，随着故障电流的增加，高温超导线圈(SC)失超，可变电阻(RSC)从零开始逐渐增大，开始限流。由于限流电感(LSC)对短路电流的上升速率有抑制作用，短时间内超导支路短路电流将缓慢上升，此时，绝大部分的短路电流将流过含有限流电阻(R1)的限流支路，从而形成了限流电感(LSC)、可变电阻(RSC)和限流电阻(R1)三者彼此协调，共同限流。流经高温超导线圈(SC)支路的短路电流将在短时间内处于较低水平，可以更好的满足快速开关(S1)的分断要求，在此过程中，快速开关(S1)未断开。
在经过故障检测时间Δt后，即t＝t2时刻，在检测到短路电流达到快速开关(S1)的分断水平后，快速开关(S1)断开，此时高温超导线圈(SC)被切除，短路电流全部由限流电阻(R1)来限制，进入故障第二阶段。快速切除高温超导线圈(SC)可以保护超导部分不因长期处于失超状态而产生永久性损坏。同时续流电阻(R2)和续流二极管(D1)的串联支路可以为高温超导线圈(SC)提供续流回路，从而降低快速开关(S1)的分断过电压。最终利用限流电阻(R1)进行限流，可以调整直流线路的阻尼特性，使其运行在过阻尼运行状态，从而有效消除短路故障对系统交流侧和整流桥二极管产生的过流影响。
金属氧化物避雷器(RMOA)并联在高温超导线圈(SC)的两端，在正常工作电压下，其电阻值很高，相当于绝缘体，在过电压作用下，电阻值很小，可以避免高温超导线圈(SC)受过电压的影响而发生损坏。
下面再结合具体的使用环境对本申请作进一步的说明，请参看图2，图2为本申请实施例涉及的单相带有耦合变压器的超导直流限流器结构图。
图2中，Tr为耦合变压器，SW为断路器，Uac为交流电源，Rload为负载阻抗。单相短路故障限流器并联在耦合变压器(Tr)的副边绕组上，耦合变压器(Tr)的副边绕组的两端分别连接在第一交流端(A)和第二交流端(B)上。耦合变压器Tr的原边绕组串入在由交流电源(Uac)、断路器(SW)及负载阻抗(Rload)组成的串联线路上，构成单相带有耦合变压器的超导直流限流器。对于高压或者超高压的变压器来说，通过将变压器耦合，可以降低限流器中功率器件的额定电压级别和绝缘级别，提高安全性。
当系统稳态运行时，快速开关(S1)闭合，线路电流i很小，全部从超导线的超导支路流过，超导部分处于超导状态，对外呈现零阻抗，超导直流限流器对系统的正常运行无影响。
t＝t1时刻，直流系统发生短路故障，快速开关(S1)闭合，短路电流迅速增大，此时限流器进入限流状态。当流过超导支路的短路电流超过超导线圈的临界电流时，超导线圈开始失超，超导部分对外呈现阻抗特性，用(LSC)和(RSC)表示。由于(LSC)对短路电流i2的上升速率有抑制作用，因此短时间内，短路电流i2将缓慢上升，此时，绝大部分的短路电流将流过含有限流电阻(R1)的限流支路。在这个过程中，LSC、RSC、R1三者彼此协调，共同限流。
在经过故障检测时间Δt后，即t＝t2时刻，快速开关(S1)打开。此时，超导支路被切除，短路电流全部由限流电阻(R1)来限制。切除超导支路可以保护超导部分不因长期处于失超状态而产生永久性损坏，同时(D1)和(R2)为超导支路提供续流回路，可以降低开关(S1)的分断过电压。由于短时间内超导支路的短路电流i2处于较低水平，因此可以满足开关(S2)的分断要求。在整个限流过程中，超导元件相当于一个自触发开关，系统一旦发生短路故障，超导部分就会自动触发限流装置，因此该直流限流器具有反应灵敏、限流性能好等优点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于直流系统短路故障的高温超导直流限流器，其特征在于，包括：
高温超导线圈、限流电阻、续流电阻、续流二极管、金属氧化物避雷器、以及快速开关组成；所述限流电阻与高温超导线圈和快速开关的串联支路并联，形成限流支路；所述续流电阻与续流二极管串联，形成的续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路，降低快速开关的分断过电压；所述金属氧化物避雷器与高温超导线圈并联，形成保护支路；
所述限流器采用故障分阶段限流，限流过程由高温超导线圈限流、快速开关断开、限流电阻限流、以及续流电阻和二极管续流构成；
在故障分阶段限流的第一阶段，高温超导线圈的电流不能突变，由限流电阻和高温超导线圈共同限流；
在故障分阶段限流的第二阶段，电流限流到快速开关分断水平，快速开关断开，限流电阻进行限流，续流电阻和续流二级管的支路进行续流。
2.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述高温超导线圈，采用高温超导带材绕制。
3.根据权利要求2所述的限流器，其特征在于，所述采用高温超导带材绕制成有感限流元件，限流过程等效为限流电感与可变电阻的串联电路，形成超导支路，限流电感的自动投入限制了故障电流变化率，可变电阻的自动投入限制了故障电流的峰值。
4.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，所述续流电阻与续流二级管串联，形成续流支路与高温超导线圈并联，为高温超导线圈提供续流回路，用于降低快速开关的分断过电压。
5.根据权利要求1所述的限流器，其特征在于，还包括：
在故障阶段限流的第一阶段和第二阶段，切入限流电阻进行分阶段限流，可以调整直流线路的阻尼特性，节约成本，提高限流器的经济性。
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