CN112531665A - 一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器及故障处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，包括铁芯与分别缠绕于所述铁芯的左侧和右侧芯柱上的超导线圈一和超导线圈二，所述超导线圈一和超导线圈二分别串联直流电网和直流电源；当直流电网正常工作时，电网的电流小于超导线圈一的临界电流，超导线圈一呈现零电阻状态，同时超导线圈二驱动铁芯到饱和状态，限流器对电网呈现低电感状态；当直流电网发生故障时，流经超导线圈一的电流快速增大，故障电流使得超导线圈一失超而呈现电阻，同时故障电流使得铁芯退出饱和，超导限流对电网呈现高电抗状态。该装置能够快速有效地呈现出电阻与电感来限制直流电网中的故障电流，并与直流断路器相互配合切断故障电流。
Description
技术领域
本发明涉及超导电力应用领域，具体涉及一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器及故障处理方法。
背景技术
近年来，我国在直流输电及多端柔性直流电网技术和工程应用领域取得了突飞猛进的成就。当直流电网发生故障时，由于系统阻尼相对较小，故障电流可以在几个毫秒之内达到额定电流的几十倍。另外，直流故障电流由于没有过零点而很难被切断，这给直流断路器带来了很大的挑战。因此，如何高效、快速地限制直流故障电流并将其切断是直流电网急需解决的关键问题。
超导直流故障限流器具有在直流电网正常运行时呈现低阻抗，直流电网故障时呈现高阻抗的工作特性，这样既能够有效限制直流电网的故障电流，又对直流电网稳定运行无干扰。根据其限流特性的不同，超导直流故障限流器大致可以分为两大类：1、电阻型超导故障限流器，利用直流电网故障电流超过超导材料的临界电流而使得超导材料失去超导状态而呈现电阻的特性来限制故障电流；2、电感型超导故障限流器，利用超导绕组与铁磁材料的电磁耦合关系来限制故障电流。这两类限流器在限制短路电流的效果各有不同，电感型超导直流限流器能够有效限制短路电流上升率，而电阻型超导直流限流器则是可以限制最大短路电流值。
因此，当故障发生时，如果有一种超导限流器能够同时提供电阻和电抗，这直流电网限制故障电流并将其切断具有重要意义。
发明内容
针对直流电网对限流的需求，本发明提供了一种兼有电阻型及电感型限流器优点的混合型超导直流故障限流器及故障处理方法。该装置能够快速有效地呈现出电阻与电感来限制直流电网中的故障电流，并与直流断路器相互配合切断故障电流。
为解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案实现：
一方面，本发明提供一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，包括铁芯与分别缠绕于所述铁芯的左侧和右侧芯柱上的超导线圈一和超导线圈二，所述超导线圈一和超导线圈二分别串联直流电网和直流电源；当直流电网正常工作时，电网的电流小于超导线圈一的临界电流，超导线圈一呈现零电阻状态，同时超导线圈二驱动铁芯到饱和状态，限流器对电网呈现低电感状态；当直流电网发生故障时，流经超导线圈一的电流快速增大，故障电流使得超导线圈一失超而呈现电阻，同时故障电流使得铁芯退出饱和，超导限流对电网呈现高电抗状态。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超导线圈一还串联有直流断路器。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超导线圈一的匝数小于超导线圈二的匝数。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超导线圈一和超导线圈二产生的磁动势方向始终相反。
作为本发明的一种优选技术方案，所述超导线圈一和超导线圈二内的电流流向相同。
另一方面，本发明还提供一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器的直流线路故障处理方法，预制好如前所述的限流器，并与直流电网串联；所述直流线路故障处理方法包括：
基于串联于直流电网线路侧的电流检测元件检测直流电网线路的电流，并输送到保护装置，电网正常工作时，直流电网线路电流i小于超导线圈一的临界电流i2；
当直流电网发生波动时，电流检测元件检测到的i大于超导线圈一临界电流i2，超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，使得i降低，当i小于i2时，电网恢复正常，直流断路器不跳闸；
当直流电网发生短路故障时，电流检测元件检测到i大于故障阈值电流i1，判断发生直流电网故障，保护装置发出直流电网线路故障信号，此时超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，当电流检测元件检测到直流电网线路电流降低到i不大于i2时，由保护装置给直流断路器下发跳闸命令，断开故障线路。
作为本发明的一种优选技术方案，故障阈值电流i1大于超导线圈一临界电流i2。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
1、本发明利用了超导限流器在正常运行状态下的低阻抗特性，避免了常规限流电抗器过大对直流电网系统的带来抗扰动能力差的问题，提高了直流系统的运行稳定性。
2、当直流电网发生故障时，本发明既能够提供电抗来抑制直流故障电流的上升速度，又能提供电阻限制短路电流，进而降低了直流电网对断路器开断电流容量的要求。
附图说明
图1为本发明的一种基于铁芯的混合型超导直流限流器的拓扑结构。
图2为本发明的一种基于铁芯的混合型超导直流限流器的工作状态，其中，(a)表示正常状态，(b)表示限流状态。
图3为本发明的一种基于铁芯的混合型超导直流限流器的限流原理。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明提出了一种适用于多端柔性直流输电系统，能够快速可靠的限制故障电流的混合型超导故障限流装置。混合型超导直流限流器的拓扑结构如图1所示，主要由铁芯、两组超导线圈以及直流电源构成。超导线圈一(即超导线圈1)缠绕在铁芯左侧芯柱上，并接入到直流电网中；超导线圈二(即超导线圈2)缠绕在铁芯右侧芯柱上，并与限流器的直流电源串联；直流电源持续为超导线圈2供直流电流。
混合型超导直流限流器的主要工作状态如图2所示，N1代表超导线圈1的匝数，N2代表超导线圈2的匝数。idc1为流过超导线圈1的电流(直流电网中的电流)，idc2为流过超导线圈2的电流(直流电源提供的电流)。F1是超导线圈1产生的磁动势，F2是超导线圈2产生的磁动势，磁动势F1、F2的方向始终相反，F1、F2的大小分别由流过超导线圈1和超导线圈2电流决定。
图3为超导直流限流器铁心的基本磁化曲线(B-H曲线)，根据该曲线斜率的不同将超导限流器的工作区间划分为饱和区、线性工作区和反向饱和区三段。在靠近原点的线性工作区，B-H曲线斜率较大，此时磁导率较大，限流器所呈现的感抗较大。在远离原点的饱和区域内，随着磁动势F1、F2的矢量和较大，铁芯所处的磁场强度H增大，B-H曲线斜率变小，磁导率随之降低，限流器所呈现的感抗较小。因此，超导故障限流器可以根据直流电网的电流大小，自动呈现出不同的电感。结合图2和图3，该电感型超导直流限流器的工作状态主要可分为两种：
(1)零阻抗态
当直流系统正常运行时，超导线圈1和超导线圈2都铁芯中产生磁动势。由于直流电网的额定电流相对较小，超导线圈1产生的磁动势F1远小于超导线圈2产生的磁动势F2，这使得铁芯处于饱和区。此时，铁芯内磁导率极小，所以限流绕组几乎不与铁芯发生耦合，超导限流对直流电网呈现的电感基本为零，超导直流限流器处于“零电感态”；直流电网的额定电流远小于超导线圈1的临界电流，因此超导直流限流器处于“零电阻态”。此时超导直流限流器并且不会对直流系统稳定和动态响应造成影响。
(2)限流态
当直流电网发生故障，瞬间增大的直流故障电流使得超导线圈1中产生的磁动势F1急剧增大，使得原本处于饱和区的铁芯迅速脱离饱和状态，工作点从饱和区沿B-H曲线向线性工作区移动。在此过程中，铁芯内磁导率逐渐增大，超导直流限流器对直流电网呈现出高电感；直流电网的短路电流超过了超导线圈1的临界电流而的超导线圈1失去超导状态，对外呈现出高电阻。此时，超导直流限流器对直流电网呈现出较大的阻抗而起到限流作用。
本发明还提供一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器的直流线路故障处理方法，所述直流线路故障处理方法包括：
基于串联于直流电网线路侧的电流检测元件检测直流电网线路的电流，并输送到保护装置，电网正常工作时，直流电网线路电流i小于超导线圈一的临界电流i2；
当直流电网发生波动时，电流检测元件检测到的i大于超导线圈一临界电流i2，超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，使得i降低，当i小于i2时，电网恢复正常，直流断路器不跳闸；
当直流电网发生短路故障时，电流检测元件检测到i大于故障阈值电流i1(i1＞i2)，判断发生直流电网故障，保护装置发出直流电网线路故障信号，此时超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，当电流检测元件检测到直流电网线路电流降低到i不大于i2时，由保护装置给直流断路器下发跳闸命令，断开故障线路。
依据本发明的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，并且能够产生本发明所记载的积极效果。
如无特殊说明，本发明中，若有术语“左侧”、“右侧”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此本发明中描述方位或位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以结合附图，并根据具体情况理解上述术语的具体含义。
除非另有明确的规定和限定，本发明中，若有术语“缠绕”、“串联”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，其特征在于：包括铁芯与分别缠绕于所述铁芯的左侧和右侧芯柱上的超导线圈一和超导线圈二，所述超导线圈一和超导线圈二分别串联直流电网和直流电源；当直流电网正常工作时，电网的电流小于超导线圈一的临界电流，超导线圈一呈现零电阻状态，同时超导线圈二驱动铁芯到饱和状态，限流器对电网呈现低电感状态；当直流电网发生故障时，流经超导线圈一的电流快速增大，故障电流使得超导线圈一失超而呈现电阻，同时故障电流使得铁芯退出饱和，超导限流对电网呈现高电抗状态。
2.根据权利要求1所述的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，其特征在于：所述超导线圈一还串联有直流断路器。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，其特征在于：所述超导线圈一的匝数小于超导线圈二的匝数。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，其特征在于：所述超导线圈一和超导线圈二产生的磁动势方向始终相反。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器，其特征在于：所述超导线圈一和超导线圈二内的电流流向相同。
6.一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器的直流线路故障处理方法，其特征在于，预制好如权利要求1所述的限流器，并与直流电网串联；所述直流线路故障处理方法包括：
基于串联于直流电网线路侧的电流检测元件检测直流电网线路的电流，并输送到保护装置，电网正常工作时，直流电网线路电流i小于超导线圈一的临界电流i2；
当直流电网发生波动时，电流检测元件检测到的i大于超导线圈一临界电流i2，超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，使得i降低，当i小于i2时，电网恢复正常，直流断路器不跳闸；
当直流电网发生短路故障时，电流检测元件检测到i大于故障阈值电流i1，判断发生直流电网故障，保护装置发出直流电网线路故障信号，此时超导线圈一呈现高电阻状态，或限流器呈现高电感状态，起到限流作用，当电流检测元件检测到直流电网线路电流降低到i不大于i2时，由保护装置给直流断路器下发跳闸命令，断开故障线路。
7.根据权利要求6所述的一种基于铁芯的混合型高温超导直流故障限流器的直流线路故障处理方法，其特征在于：故障阈值电流i1大于超导线圈一临界电流i2。
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