CN110098085B - 超导限流液氮开关组合电器及其工作方法 - Google Patents

超导限流液氮开关组合电器及其工作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超导限流液氮开关组合电器及其工作方法，该组合电器包括真空隔热杜瓦柜体、超导限流单元和液氮开断单元和液氮循环冷却系统；真空隔热杜瓦柜体充满液氮，超导限流单元与液氮开断单元共处于杜瓦柜体内部，两单元之间由真空隔热层隔开并电连接；超导限流单元包括超导带材支架及超导带材；液氮循环冷却系统包括液氮泵以及换热器、液氮储罐和制冷机；液氮开断单元包括动静触头，操动机构、泄压喷口、液氮储罐及液氮泵、氮气储罐及加压泵；本发明利用超导限流单元在线路故障时的失超特性降低故障电流，同时利用液氮良好的绝缘特性和较好的电流开断特性开断故障电流；实现限流、开断一体化，共享制冷系统，节约成本，减小设备的体积。

Description

超导限流液氮开关组合电器及其工作方法
技术领域
本发明涉及超导应用领域与开关技术领域，具体涉及一种超导限流液氮开关组合电器及其工作方法。
背景技术
人们对电力需求的不断增长与和供电质量要求的不断提高，配电网的规模日益扩大，电网互联程度越来越高。电网的互联程度一方面提高了供电可靠性，降低了供电成本，另一方面同时也降低了电网系统短路阻抗，使得短路电流水平急剧增大，甚至超出线路断路器能够应对的范围。控制电网短路电流的限流电力设备迅速发展，不同于传统的高阻抗变压器与电抗限流器，理想超导限流器在电网输电时呈现低阻抗，电网发生短路故障时迅速转换为高阻抗，有效限制短路电流，限流后又能及时自动恢复低阻抗状态，因而超导限流器不会增大输电损耗，降低电网电压调节能力，具有优异的发展前景。
目前液氮作为高温超导电力设备的冷却、绝缘介质，其绝缘能力优于SF6气体。0.1MPa的液氮的击穿场强约为47kV/mm，比0.5MPa的SF6气体的击穿场强高5kV/mm，且无温室效应，环境友好。利用液氮作为绝缘介质和灭弧介质替代SF6气体，大大减少了SF6气体及其氟化物对操作人员与环境安全带来的危害，为灭弧介质选择提供了新的选择方向。初步试验表明，液氮介质具有优异的电流开断能力，是开断领域的新型开断方法。
将超导限流器与液氮开关串联组合，利用超导限流器的限流特性大大提高了液氮开关的开断短路电流能力，超导限流器的冷却绝缘介质液氮具有优异的绝缘能力与超低温特性，成本低廉且无温室效应，利用液氮作为绝缘介质和灭弧介质替代SF6气体，大大减少了SF6气体及其氟化物对操作人员与环境安全带来的危害，为灭弧介质选择提供了新的选择方向。将液氮开关与超导限流器组合在一起，实现限流、开断一体化，共享制冷系统，节约制冷成本，进而减小设备的体积和成本。
现有的类似专利有：一种具有液氮冷却循环系统的封闭开关设备申请号：201510164304.6，与本申请的区别在于该专利将真空灭弧室浸泡在液氮中，采用传统的真空断路器开断电弧，而液氮只作为绝缘介质以避免SF6在高寒地区液化而失去绝缘能力。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超导限流液氮开关组合电器及其工作方法，将超导限流单元与液氮开断单元串联组合，利用超导限流开断单元的限流特性极大地提高液氮开断单元开断短路电流的能力，采用全新的灭弧介质液氮，在液氮环境中直接开断电路；因而灭弧介质不同，灭弧原理也不同；同时液氮环境友好，成本低廉，具有极强的绝缘能力，该超导限流液氮开关组合电器在超导电力网络中使用能够进一步降低系统制冷成本，提高能效。
为了达到上述目的，本发明采用下述技术方案实现：
超导限流液氮开关组合电器，包括真空隔热杜瓦柜体1，真空隔热杜瓦柜体1内通过真空隔热层11分隔为超导限流室和液氮开断室，超导限流室内装有超导限流单元，超导限流单元包括超导带材支架3及安装在超导带材支架3上的超导带材2；超导限流室与外部的液氮循环冷却系统连通；液氮开断室内装有动静触头12，动静触头12中静触头安装在真空隔热层11上，动触头通过真空隔热杜瓦柜体1壁面处的磁流体密封部件13与外部操动机构14相连接，真空隔热杜瓦柜体1位于液氮开断室上部开有泄压喷口19，真空隔热杜瓦柜体1外上部设置有氮气储罐15，氮气储罐15通过第一加压气泵16与液氮开断室连通，氮气储罐15通过第二加压气泵17与超导限流室连通，液氮开断室底部通过第二液氮泵18与外部的液氮补给罐连通，所述动静触头12、磁流体密封部件13、操动机构14、泄压喷口19、氮气储罐15、第一加压气泵16、第二加压气泵17、液氮补给罐10和第二液氮泵18组成液氮开断单元，液氮开断单元与超导限流单元电连接。
所述液氮循环冷却系统包括通过管路分别与超导限流室连通的过冷箱7和第一液氮储罐9，在过冷箱7和第一液氮储罐9连通的管路上设置有第一液氮泵8，所述过冷箱7内放置有换热器5，换热器5和制冷机6连接。
所述液氮开断单元与超导限流单元通过电缆或超导电流引线进行电连接，电缆或超导电流引线穿出真空隔热杜瓦柜体1处装有绝缘套管4。
所述真空隔热杜瓦柜体1，材料采用金属材料或非金属材料。
所述超导带材2采用钇钡铜氧氧化物YBCO或铋锶钙铜氧化物BSCCO。
所述的超导限流液氮开关组合电器的工作方法，超导限流单元失超后，液氮开断单元的操动机构14迅速动作，分开动静触头12，泄压喷口19排泄出液氮开断室内过量的氮气，维持液氮开断室压力平衡；成功开断后，与真空隔热杜瓦柜体1液氮开断单元相连的液氮补给罐10通过第二液氮泵18迅速补给液氮,氮气储罐15通过第一加压气泵16向液氮开断室增加气压，为第二次开断做好准备；
短路电流被限制并开断后，超导限流室内产生大量气泡，氮气储罐15通过第二加压气泵17向超导限流室内加压，与超导限流室连通的第一液氮储罐9中的液氮经由第三液氮泵20输送到超导限流室内冷却超导带材2，超导限流室内升温，气化的液氮经由第四液氮泵21输送到过冷箱7，在换热器5作用下冷却、液化后循环至第一液氮储罐9，再次返回超导限流室内，继续冷却超导带材2，使其恢复低阻态；
液氮补给罐10存储补给给液氮开断单元的液氮，开断成功后液氮经由第二液氮泵18补充进液氮灭弧室。
与现有技术比，本发明达到的效果是：
利用超导限流单元的限流特性大大提高了液氮开断单元的开断短路电流能力，超导限流单元的冷却绝缘介质液氮具有优异的绝缘能力与超低温特性，成本低廉且无温室效应，利用液氮作为绝缘介质和灭弧介质替代SF6气体，大大减少了SF6气体及其氟化物对操作人员与环境安全带来的危害，为灭弧介质选择提供了新的选择方向。将液氮开关与超导限流单元组合在一起，实现限流、开断一体化，共享制冷系统，节约制冷成本，进而减小设备的体积和成本。
附图说明
图1为本发明超导限流液氮开关组合电器结构图。图中标号分别为：
1.真空隔热杜瓦柜体、2.超导带材、3.超导带材支架、4.绝缘套管、5.换热器、6.制冷机、7.过冷箱、8.第一液氮泵、9.第一液氮储罐、10.液氮补给罐、11.真空隔热层、12.动静触头、13.磁流体密封部件、14.操动机构、15.氮气储罐、16.第一加压气泵、17.第二加压气泵、18.第二液氮泵、19.泄压喷口
具体实施方法
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，真空隔热杜瓦柜体1起隔热作用。超导限流单元主要包括超导带材支架3及超导带材2。真空隔热杜瓦柜体1内装在超导带材支架3上安装的超导带材2在线路发生短路时迅速变成高阻态限制短路电流，同时产生的大量热被罐体内部液氮吸收。
超导限流单元与液氮开断单元由真空隔热层11隔开，防止因液氮开断单元液氮随超导限流单元的温度波动影响液氮开断单元的开断能力。液氮开断单元主要包括动静触头12、磁流体密封部件13、操动机构14、泄压喷口19、氮气储罐15、第一加压气泵16、第二加压气泵17及液氮补给罐10、第二液氮泵18。超导限流单元失超后，液氮开断单元的操动机构14迅速动作，分开动静触头12，泄压喷口19排泄出液氮开断室内过量的氮气，维持液氮开断室压力平衡。成功开断后，与真空隔热杜瓦柜体1液氮开断单元相连的液氮补给罐10通过第二液氮泵18迅速补给液氮,氮气储罐15通过第一加压气泵16向液氮开断室增加气压，为第二次开断做好准备。
液氮冷却循环系统包括通过管路分别与超导限流室连通的过冷箱7和第一液氮储罐9，过冷箱7内放置的换热器5，与换热器5相连的制冷机6。
短路电流被限制并开断后，超导限流室内产生大量气泡，氮气储罐15通过第二加压气泵17向超导限流室内加压，与超导限流室连通的第一液氮储罐9中的液氮经由第三液氮泵20输送到超导限流室内冷却超导带材2，超导限流室内升温，气化的液氮经由第四液氮泵21输送到过冷箱7，在换热器5作用下冷却、液化后循环至第一液氮储罐9，再次返回超导限流室内，继续冷却超导带材2，使其恢复低阻态。液氮补给罐10存储补给给液氮开断单元的液氮，开断成功后液氮经由第二液氮泵18补充进液氮灭弧室。

Claims (6)

1.超导限流液氮开关组合电器，其特征在于：包括真空隔热杜瓦柜体(1)，真空隔热杜瓦柜体(1)内通过真空隔热层(11)分隔为超导限流室和液氮开断室，超导限流室内装有超导限流单元，超导限流单元包括超导带材支架(3)及安装在超导带材支架(3)上的超导带材(2)；超导限流室与外部的液氮循环冷却系统连通；液氮开断室内装有动静触头(12)，动静触头(12)中静触头安装在真空隔热层(11)上，动触头通过真空隔热杜瓦柜体(1)壁面处的磁流体密封部件(13)与外部操动机构(14)相连接，真空隔热杜瓦柜体(1)位于液氮开断室上部并安装泄压喷口(19)，真空隔热杜瓦柜体(1)外上部设置有氮气储罐(15)，氮气储罐(15)通过第一加压气泵(16)与液氮开断室连通，氮气储罐(15)通过第二加压气泵(17)与超导限流室连通，液氮开断室底部通过第二液氮泵(18)与外部的液氮补给罐连通，所述动静触头(12)、磁流体密封部件(13)、操动机构(14)、泄压喷口(19)、氮气储罐(15)、第一加压气泵(16)、第二加压气泵(17)、液氮补给罐(10)和第二液氮泵(18)组成液氮开断单元，液氮开断单元与超导限流单元电连接。
2.根据权利要求1所述的超导限流液氮开关组合电器，其特征在于：所述液氮循环冷却系统包括通过管路分别与超导限流室连通的过冷箱(7)和第一液氮储罐(9)，在过冷箱(7)和第一液氮储罐(9)连通的管路上设置有第一液氮泵(8)，所述过冷箱(7)内放置有换热器(5)，换热器(5)和制冷机(6)连接。
3.根据权利要求1所述的超导限流液氮开关组合电器，其特征在于：所述液氮开断单元与超导限流单元通过电缆或超导电流引线进行电连接，电缆或超导电流引线穿出真空隔热杜瓦柜体(1)处装有绝缘套管(4)。
4.根据权利要求1所述的超导限流液氮开关组合电器，其特征在于：所述真空隔热杜瓦柜体(1)，材料采用金属材料或非金属材料。
5.根据权利要求1所述的超导限流液氮开关组合电器，其特征在于：所述超导带材(2)采用钇钡铜氧化物YBCO或铋锶钙铜氧化物BSCCO。
6.权利要求1至5任一项所述的超导限流液氮开关组合电器的工作方法，其特征在于：超导限流单元失超后，液氮开断单元的操动机构(14)迅速动作，分开动静触头(12)，泄压喷口(19)排泄出液氮开断室内过量的氮气，维持液氮开断室压力平衡；成功开断后，与真空隔热杜瓦柜体(1)液氮开断单元相连的液氮补给罐(10)通过第二液氮泵(18)迅速补给液氮,氮气储罐(15)通过第一加压气泵(16)向液氮开断室增加气压，为第二次开断做好准备；
短路电流被限制并开断后，超导限流室内产生大量气泡，氮气储罐(15)通过第二加压气泵(17)向超导限流室内加压，与超导限流室连通的第一液氮储罐(9)中的液氮经由第三液氮泵(20)输送到超导限流室内冷却超导带材(2)，超导限流室内升温，气化的液氮经由第四液氮泵(21)输送到过冷箱(7)，在换热器(5)作用下冷却、液化后循环至第一液氮储罐(9)，再次返回超导限流室内，继续冷却超导带材(2)，使其恢复低阻态；液氮补给罐(10)存储补给液氮开断单元的液氮，开断成功后液氮经由第二液氮泵(18)补充进液氮灭弧室。
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