CN112736881B - 一种自降温型的超导直流组合开关 - Google Patents

一种自降温型的超导直流组合开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自降温型的超导直流组合开关，包括：串联的超导限流器和直流开关；超导限流器和直流开关分别置于独立的隔离腔室中，超导限流器的隔离腔室内设有低温容器，低温容器的进液管连通至腔室外部，低温容器的排气管穿过直流开关的隔离腔室连通至腔室外部，冷却介质由进液管进入低温容器，冷却介质挥发降低隔离腔室的温度，由排气管排出；直流开关的隔离腔室的上部布置出风口，下部布置进风口。通过将超导限流器和直流开关结合使用，可以实现直流故障的快速隔离和清除，另外利用超导限流器的腔室内的冷却介质的自然循环将直流开关内部的热量带走，起到自然降温的作用，既节省空间和连接电缆，又满足电网配电设备的紧凑要求。

Description

一种自降温型的超导直流组合开关
技术领域
本发明属于直流开关领域，涉及一种自降温型的超导直流组合开关。
背景技术
在国家能源政策的支持下，光伏、风电、水电等分布式新能源建设正在快速发展，国内许多地区将面临大规模分布式电源并网接入的迫切需求。通过主动配电网技术对分布式电源进行主动管理与控制，可以实现分布式电源从被动消纳到主动引导与主动利用，与交流配电网相比，直流配电网更加适合分布式电源和负载的接入。
柔性直流输电由于其特有的控制灵活、技术功能强大等特点，在城市配电网络中具有广阔的应用前景。近年来，柔性直流输电在提高电网稳定性、接纳新能源发电方面的优势越术越受到重视。但由于直流输电电流不存在过零点，因此直流故障电流的开断比交流更困难，直流断路器尚未达到系统应用的要求，目前世界上几乎所有的柔性直流输电工程均采用跳开交流开关技术来隔离直流故障。且当线路发生单极接地故障时，其它站的换流器闭锁并跳开其交流侧开关，这与柔性直流输电本身的快速、灵活特点相违背。另外，直流输电电网中的电路，在工作过程中产生大量热量，容易影响设备性能。
发明内容
本发明目的是：提供一种适用于柔性直流配电网的故障电流的限制和开断以及柔性直流输电线路的故障电流的有效可靠开断的能够自降温的超导直流组合开关。
本发明的技术方案是：一种自降温型的超导直流组合开关，包括：串联的超导限流器和直流开关；
所述超导限流器和所述开关串联在直流电网中；所述超导限流器在线路正常工作时呈现为低阻抗；在线路故障时超导材料失超，所述超导限流器瞬时转变为高阻抗限制故障电流的上升率和峰值，将故障电流限制到后级的直流开关的切断范围内；所述直流开关用于切换和清理直流故障；
所述超导限流器和所述直流开关分别置于独立的隔离腔室中，所述超导限流器的隔离腔室内设有低温容器，所述低温容器的进液管连通至腔室外部，所述低温容器的排气管穿过所述直流开关的隔离腔室连通至腔室外部，冷却介质由所述进液管进入所述低温容器，冷却介质挥发降低隔离腔室的温度，由所述排气管排出；所述直流开关的隔离腔室的上部布置出风口，下部布置进风口。
其进一步的技术方案是：所述超导限流器和所述直流开关布置在同一箱体内。
其进一步的技术方案是：所述直流开关包括隔离刀闸、断路器一次设备、断路器二次监控设备；
所述超导限流器置于超导限流器室，所述隔离刀闸置于断路器隔离刀闸室，所述断路器一次设备置于断路器一次设备室，所述断路器二次监控设备置于二次监控室；
所述低温容器置于所述超导限流器室内，所述低温容器的进液管连通至所述超导限流器室的外部，所述低温容器的排气管依次穿过所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室连通至外部；
所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室的上部分别布置有出风口，下部分别布置有进风口，所述排气管设置于所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室内靠近所述进风口或所述出风口的位置。
其进一步的技术方案是：所述超导限流器为无感型或有感型；
当所述超导限流器为有感型时，所述超导限流器室的内壁采用磁屏蔽结构，利用导磁材料做磁屏蔽，将漏磁通约束在导磁材料中。
其进一步的技术方案是：所述断路器二次监控设备至少包括断路器控制保护装置、数据通信装置、断路器位置信号显示仪；
所述二次监控室采用金属封闭结构。
其进一步的技术方案是：所述断路器一次设备至少包括限流阀组、避雷器、CT和PT采样装置。
其进一步的技术方案是：所述冷却介质包括液氮或液氦。
本发明的优点是：
1．通过将超导限流器和直流开关结合使用，可以有效实现直流故障的快速隔离和清除，且不影响其他正常站的运行，另外利用超导限流器的腔室内的冷却介质的自然循环将直流开关内部的热量带走，起到自然降温的作用，既节省了空间和连接电缆，又满足了电网配电设备的紧凑要求；
2.将低温容器的排气管布置在直流开关各个功能室的下部进风口或上部出风口位置，直流开关本身产生的热量从上部排出，超导限流器室内排出的冷气与直流开关腔室内部的热量形成对流，起到自然降温的目的。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是超导直流组合开关的等效电路图；
图2是本申请提供的自降温型的超导直流组合开关的布置图。
其中：1、超导限流器室；11、进液管；12、排气管；2、断路器隔离刀闸室；21、第一出风口；22、第一进风口；3、断路器一次设备室；31、第二出风口；32、第二进风口；4、二次监控室；41、第三出风口；42、第三进风口。
具体实施方式
实施例：基于柔性直流输电电流无过零点，故障电流切除困难、直流断路器尚不成熟等原因，本申请将限流和开关组合在一起共同完成直流故障的快速隔离和清除，采用超导组合开关首先限制故障电流的初始上升率和直流电压的下降率，其次限制故障电流的峰值，将故障电流限制到一定水平后，断开直流开关，故障和清除直流故障。如为临时故障则可进行重合闸操作，如为永久故障，则断开交流断路器将故障彻底清除。超导组合开关中超导限流器的突出优势是在线路正常工作时接近零电阻，线路故障时呈现极高电阻，限制故障电流峰值，这将大大降低了组合开关的切断容量，降低了开关的研制难度；同时根据电网需求，超导限流器既可以提供纯电阻特性，在电网不需要限制电流上升率的场合或配置有直流限流电抗器的场合配置电阻型超导限流器，也可以提供电阻+电感特性，替代常导直流限流器，既可避免过电压的产生又可提高直流电网的稳定性。
结合参考图1和图2，本申请提供了一种自降温型的超导直流组合开关，该超导直流组合开关包括：串联的超导限流器和直流开关；超导限流器和开关串联在直流电网中；超导限流器在线路正常工作时呈现为低阻抗；在线路故障时超导材料失超，超导限流器瞬时转变为高阻抗限制故障电流的上升率和峰值，将故障电流限制到后级的直流开关的切断范围内；直流开关用于切换和清理直流故障。
如图1所示，其示出了超导直流组合开关的等效电路图，其中超导限流器等效为电阻和电感并联，在线路正常工作时，超导限流器的电阻几乎为零，因此呈现出低阻抗，线路故障时，超导材料失超，超导限流器瞬时转变为高阻抗限制故障电流的上升率和峰值，将故障电流限制到后级开关的切断范围内，使得开关可靠切断和清理直流故障。图1中，超导限流器FCL等效为一个电阻R和一个电感L并联，在线路正常工作时，超导限流器的电阻几乎为零，因此无阻抗对电网线路无影响；线路故障时，超导限流器可提供电阻和电感两种阻抗特性，其中电感特性可有效抑制故障电流上升率，同时可延长电流峰值到达时间；电阻特性可有效抑制故障电流峰值，降低断路器的开断容量。其次，在不需要提供电感特性的电网应用场合，提供的电阻型超导限流器具有独特的优越性，因其无阻抗的串联在电网中，一方面不产生电阻损耗，另一方面不影响电网的动态特性，也不会产生过电压。另外，为了限制直流线路的故障电流，通常在线路中配置常规的直流限流电抗器，本申请中的超导限流器可以提供一定的电感量，可以替代传统的限流电抗器。
直流故障电流具有峰值大且上升速度快等特点，对系统中配置的超导限流器与断路器的动作速度要求相对较高。前级配置的超导限流器，限制了故障电流的上升率和峰值，且响应时间和限流时间都很短，限制故障电流峰值必须在断路器动作之前完成。后级断路器K的开断容量可大大降低，如参数配置合适，断路器可更换为隔离开关，降低设备配置参数，同时直流系统中高压侧电气设备的配置和使用参数也可大幅降低，从而进一步节省成本。
超导限流器和直流开关分别置于独立的隔离腔室中，超导限流器的隔离腔室内设有低温容器，低温容器的进液管连通至腔室外部，低温容器的排气管穿过直流开关的隔离腔室连通至腔室外部，冷却介质由进液管进入低温容器，冷却介质挥发降低隔离腔室的温度，由排气管排出；直流开关的隔离腔室的上部布置出风口，下部布置进风口。
超导限流器和直流开关布置在同一箱体内。组合开关将超导限流器与直流开关布置在同一个箱体内，紧凑的结构可实现统一布局和缩短电气距离，也可实现电磁屏蔽，体现了低损耗传输和绿色环保的电力设备设计理念。同时利用超导限流器本身冷却介质的自然循环将直流开关内部的热量带走，起到自然降温的作用。
结合参考图2，直流开关包括隔离刀闸、断路器一次设备、断路器二次监控设备；超导限流器置于超导限流器室1，隔离刀闸置于断路器隔离刀闸室2，断路器一次设备置于断路器一次设备室3，断路器二次监控设备置于二次监控室4。
超导组合开关可以通过自身动作时序进行控制，超导限流器集检测、限流、恢复于一体，为被动限流设备，断路器配合超导限流器完成故障清除及重合闸操作，超导限流器与隔离刀闸室的一次接线端子联接，缩短了电气距离，增强了动作逻辑的统一性。
超导限流器以及断路器的一、二次设备分开，起到隔离保护作用。
低温容器置于超导限流器室1内，低温容器的进液管11连通至超导限流器室1的外部，低温容器的排气管12依次穿过断路器隔离刀闸室2、断路器一次设备室3和二次监控室4连通至外部；断路器隔离刀闸室2、断路器一次设备室3和二次监控室4的上部分别布置有出风口，下部分别布置有进风口，排气管12设置于断路器隔离刀闸室2、断路器一次设备室3和二次监控室4内靠近进风口或出风口的位置。示例性的，断路器隔离刀闸室2的上部布置第一出风口21，下部布置第一进风口22；断路器一次设备室3的上部布置第二出风口31，下部布置第二进风口32；二次监控室4的上部布置第三出风口41，下部布置第三进风口42。
超导限流器室1内的冷却结构中的排气管布置在直流开关各功能室外壳的下部进风口或上部出风口位置，直流开关本身产生的热量从上部排出，下部的进风口和上部的出风口使得超导限流器室1排出的冷气与直流开关内部的热量形成对流，起到自然降温的目的。
可选的，冷却介质包括液氮或液氦。排气管12中的冷却介质为冷氮气或冷氦气，其中冷氮气为无害环保气体，且价格便宜，一般直流排到空气中即可。冷氦气由于稀缺，价格昂贵而需要进行回收利用。由于液氦昂贵且属于短缺资源，因此多采用液氮。
超导限流器室1为高压室，因超导限流器室1内的低温容器为低电位，只有接线端子处于高电位，因此电气设计相对比较简单，可选的，超导限流器为无感型或有感型，无感型即电阻型超导限流器，无电磁污染；当超导限流器为有感型时，超导限流器室1的内壁采用磁屏蔽结构，利用导磁材料做磁屏蔽，将漏磁通约束在导磁材料中，从而避免引入电磁干扰，示例性的，导磁材料可以采用硅钢片。
超导限流器单独一室，如果含电感特性时，采取消除电磁设计或采用磁屏蔽装置。
断路器隔离刀闸室2需要进行高压大电流开断操作，同时设置一次接线端子，在实际应用中应留出足够的电气和机械距离，同时在上部和下部分别布置第一出风口21和第一进风口22。
可选的，断路器一次设备至少包括限流阀组、避雷器、CT（电流互感器）和PT（电压互感器）采样装置。其中限流阀组主要由IGBT组成，在短路大电流冲击时会产生大量热量，在外壳上部和下部分别布置第二出风口31和第二进风口32，同时挥发的低温冷却介质（液氮/液氦）变为冷却气体（氮气/氦气），可以大大降低柜体室内的温度。
可选的，断路器二次监控设备至少包括断路器控制保护装置、数据通信装置、断路器位置信号显示仪，用于监测超导限流器低温液氮液位、温度、压力等监控数据，应避免电磁干扰；二次监控室4采用金属封闭结构。断路器的二次控制保护装置容易受外界强电磁干扰，因此该区域采用金属封闭结构，最大限度隔离外界干扰。在实际应用中，通常采用将二次控制器2单独隔离，且加大与电磁部件的距离，确保数据采集及通信的准确性，同时在上部和下部分别布置第三出风口41和第三进风口42。
在实际应用中，以±10kV柔性直流配电网为例，超导限流器为电阻型，不影响电网的动态特性，也不会产生过电压；超导限流器的限流电阻为9Ω，将3.5kA的故障电流限制到2.1kA，断路器的开断容量降低了40%。独立的超导限流器和断路器设计，超导限流器设置有监控系统以及单独的房间进行电气隔离，超导直流组合开关可省去一套控制系统，并可作为一个整体与二次继电保护进行通信，保证了逻辑动作的统一性。同时，利用超导限流器排出的冷气与直流开关进风口或出风口周围空气进行热交换，起到自然降温的作用。此外，超导限流器周围无漏磁场，缩短了与断路器和其它电气设备的电气距离，结构更紧凑。
本申请提供的自降温型的超导直流组合开关，超导限流器可提供电阻和电感的并联等效电路，可以实现线路正常时无阻抗，线路故障时抑制故障电流上升率和峰值，有效降低断路器的开断容量，降低了成本；超导直流组合开关可规模应用于直流配电网中，超导限流器与断路器配合应用限制故障电流并完成故障隔离和清理；超导限流器与断路器布置在同一具屛柜里，结构更紧凑，缩短电气联接，增强逻辑控制的动作统一性和一致性；超导限流器的冷却介质挥发产生的冷气通过将排气管布置在直流开关进风口或出风口，与周围空气进行热交换，从而使直流开关室内空气自然降温；超导限流器可替代传统限流电抗器，还可大幅降低系统其它设备的配置参数，进一步减少电网设备的成本；超导直流组合开关更适合应用于直流配电网中，有利于再生能源的并网运行以及直流微网的正常运行，为实现由被动消纳变为主动接入提供了可靠保障。
综上所述，本申请提供的自降温型的超导直流组合开关，通过将超导限流器和直流开关结合使用，可以有效实现直流故障的快速隔离和清除，且不影响其他正常站的运行，另外利用超导限流器的腔室内的冷却介质的自然循环将直流开关内部的热量带走，起到自然降温的作用，既节省了空间和连接电缆，又满足了电网配电设备的紧凑要求。
另外，将低温容器的排气管布置在直流开关各个功能室的下部进风口或上部出风口位置，直流开关本身产生的热量从上部排出，超导限流器室内排出的冷气与直流开关腔室内部的热量形成对流，起到自然降温的目的。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，包括：串联的超导限流器和直流开关；
所述超导限流器和所述开关串联在直流电网中；所述超导限流器在线路正常工作时呈现为低阻抗；在线路故障时超导材料失超，所述超导限流器瞬时转变为高阻抗限制故障电流的上升率和峰值，将故障电流限制到后级的直流开关的切断范围内；所述直流开关用于切换和清理直流故障；
所述超导限流器和所述直流开关分别置于独立的隔离腔室中，所述超导限流器的隔离腔室内设有低温容器，所述低温容器的进液管连通至腔室外部，所述低温容器的排气管穿过所述直流开关的隔离腔室连通至腔室外部，冷却介质由所述进液管进入所述低温容器，冷却介质挥发降低隔离腔室的温度，由所述排气管排出；所述直流开关的隔离腔室的上部布置出风口，下部布置进风口。
2.根据权利要求1所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述超导限流器和所述直流开关布置在同一箱体内。
3.根据权利要求2所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述直流开关包括隔离刀闸、断路器一次设备、断路器二次监控设备；
所述超导限流器置于超导限流器室，所述隔离刀闸置于断路器隔离刀闸室，所述断路器一次设备置于断路器一次设备室，所述断路器二次监控设备置于二次监控室；
所述低温容器置于所述超导限流器室内，所述低温容器的进液管连通至所述超导限流器室的外部，所述低温容器的排气管依次穿过所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室连通至外部；
所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室的上部分别布置有出风口，下部分别布置有进风口，所述排气管设置于所述断路器隔离刀闸室、所述断路器一次设备室和所述二次监控室内靠近所述进风口或所述出风口的位置。
4.根据权利要求3所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述超导限流器为无感型或有感型；
当所述超导限流器为有感型时，所述超导限流器室的内壁采用磁屏蔽结构，利用导磁材料做磁屏蔽，将漏磁通约束在导磁材料中。
5.根据权利要求3所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述断路器二次监控设备至少包括断路器控制保护装置、数据通信装置、断路器位置信号显示仪；
所述二次监控室采用金属封闭结构。
6.根据权利要求3所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述断路器一次设备至少包括限流阀组、避雷器、CT和PT采样装置。
7.根据权利要求1至6任一所述的自降温型的超导直流组合开关，其特征在于，所述冷却介质包括液氮或液氦。
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