CN113629682B - 一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及限流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及限流方法，双分裂电抗器由相同的第一电感和第二电感组成，两个电感的电感值相同，并且通过磁芯耦合，第一电感的一端与第二电感的另一端为同名端，第一电感的一端与第二电感的一端相连接并引出；第一电感的另一端与无感超导组件串联，再与第二电感的另一端相连接并引出，电阻与第二IGBT串联，然后与电容并联，电容与第一IGBT串联，然后与第一电感并联。本发明的高温超导限流器具有稳态损耗小、响应速度快、能够多级限流等优点。

Description

一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及限流方法

技术领域

本发明涉及一种高压输电线路短路故障的保护装置，具体涉及一种双分 裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及限流方法。

背景技术

随着生产生活的电力需求不断增长，电网规模也不断扩张，电网中短路 故障电流的等级也不断提升，严重威胁电力设备和生命财产安全。国内外均 多次发生过由电网短路故障导致的大面积停电事故，为未来电网的建设和发 展敲响了警钟。通过限制短路故障电流等级，从而减少短路故障电流对电力 系统的冲击和损害，故障限流技术成为输配电领域中的研发热点。

传统限流器是使用传统材料按照一定电路拓扑构造的。然而，传统材料 受限于材料本身的电阻率，其电阻率不能降低为0，无论调整成什么拓扑， 当电流流过电阻时，根据焦耳定律，就会发热消耗电能，从而存在稳态损耗， 长时间并网运行后，将带来大量的经济成本。

高温超导限流器的出现，为故障限流技术带来了新的发展方向。超导是 一种部分材料特有的物理现象，当超导体处于一定的低温下，其电阻会下降 为零，从而能够无损耗地传输电流；但是当传输电流不断增大，超过超导体 的临界电流时，则会阶跃性地产生电阻，从而限制电流继续增加。基于超导 现象研发的高温超导限流器，具有稳态损耗小、限流特性好、响应速度快等 优良特性，应用前景十分广阔。但是，高温超导限流器作为一种崭新的技术， 其相关领域还存在着限流可靠性的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器及 限流方法，以克服目前传统限流器的稳态损耗问题和高温超导限流器的限流 可靠性问题，本发明的高温超导限流器具有稳态损耗小、响应速度快、能够 多级限流等优点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器，包括双分裂电抗器、无 感超导组件、电容、电阻、第一IGBT以及第二IGBT；

所述双分裂电抗器包括第一电感和第二电感，所述第一电感和第二电感 的电感值相同，且通过磁芯耦合；

所述第一电感的一端与第二电感的一端相连接并引出至外部线路或设备 的一端，所述第一电感的另一端与无感超导组件的一端相连接，所述无感超 导组件的另一端与第二电感的另一端相连接并引出至外部线路或设备的另一 端，所述第一电感的一端和第二电感的另一端为同名端；

所述电容的一端与第一电感的一端和电阻的一端相连接，所述电容的另 一端与第一IGBT的集电极和第二IGBT的发射极相连接，所述第一IGBT 的发射极与第一电感的另一端相连接，所述电阻的另一端与第二IGBT的集 电极相连接。

进一步地，所述外部线路或设备的一端与第一电感的一端和第二电感的 一端的连接点之间设置有第一断路器，所述外部线路或设备的另一端与无感 超导组件的另一端和第二电感的另一端的连接点之间设置有第二断路器。

进一步地，在使用时，所述双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器单 个使用或者多个级联使用。

一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器的限流方法，当外部线路 或设备未发生短路故障时，无感超导组件的电阻为0，无稳态损耗；此时第 一电感和第二电感同名端反向并联，导致自感与互感互相抵消，双分裂电抗 器电抗为漏磁通导致的漏感，达到最小；

当外部线路或设备发生短路故障时，无感超导组件首先动作，出现电阻， 使得双分裂电抗器退出低阻抗状态，进行第一级限流；然后第一IGBT接收 到无感超导组件的失超信号动作，双分裂电抗器的第一电感与电容并联谐振， 相当于开路，双分裂电抗器只有第二电感串联在外部线路或设备中，达到最 大的限流阻抗，进行第二级限流；

当外部线路或设备与双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器断开，双 分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器恢复到初始状态。

进一步地，当外部线路或设备未发生短路故障时，流经无感超导组件的 电流小于临界电流，无感超导组件处于超导态，并且第一IGBT处于阻断状 态，此时双分裂电抗器的第一电感和第二电感的同名端反向并联，外部线路 或设备的电流流入双分裂电抗器时，流经第一电感的电流等于流经第二电感 的电流，第一电感和第二电感的电流产生的磁通互相抵消，双分裂电抗器电 抗达到最小。

进一步地，当双分裂电抗器电抗达到最小，所述双分裂电抗器的电抗为 (1-k)πfL，其中，L表示第一电感和第二电感的电感值，k表示耦合系数， f表示外部线路或设备频率。

进一步地，所述第一级限流具体为：当外部线路或设备发生短路故障时， 流经无感超导组件的短路故障电流大于临界电流，无感超导组件从超导态进 入正常态，并在毫秒级时间内出现电阻，从而第一电感的支路阻抗大于第二 电感的支路阻抗，则流经第一电感的电流小于流经第二电感的电流，第一电 感和第二电感的电流产生的磁通不能够互相抵消，双分裂电抗器的阻抗开始 不断增大，从而限制短路故障电流。

进一步地，所述第二级限流具体为：当第一IGBT的控制器检测到无感 超导组件两端的电压信号，表明无感超导组件失超，此时第一IGBT导通， 使电容与第一电感形成并联谐振回路，并联谐振回路电流等于无感超导组件 的失超电流，所述失超电流接近于稳态外部线路或设备电流，远小于短路故 障电流；

由于并联谐振发生，第一电感支路的电流分流到并联谐振回路，流经无 感超导组件电流逐渐减小为0，无感超导组件不再有电流流过，从有电阻的 正常态恢复到无电阻的超导态；

短路故障电流全部通过第二电感，双分裂电抗器只有第二电感串联在外 部线路或设备中进行限流，达到最大限流阻抗。

进一步地，当双分裂电抗器的阻抗达到最大限流阻抗，所述双分裂电抗 器的电抗为2πfL，其中，L表示第一电感和第二电感的电感值，f表示外部 线路或设备频率。

进一步地，当外部线路或设备与双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流 器断开，第二IGBT导通，电阻与电容并联，电阻将电容和第一电感并联谐 振的电能逐渐消耗殆尽，无感超导组件经过散热后，从正常态回到超导态， 开断第一IGBT，令电容不再与第一电感并联，开断第二IGBT，令电阻不再 与电容并联，双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器恢复到初始状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

1)稳态损耗小

无感超导组件在稳态下的电阻为0，无稳态损耗；此时双分裂电抗器的 两个电感同名端反向并联，导致自感与互感互相抵消，总电感为漏磁通导致 的漏感，其量值非常小，近似于短路，稳态损耗也非常小。

2)响应速度快

当短路故障电流出现，无感超导组件的失超电阻在微秒级时间内出现， 然后在毫秒级时间内传播。基于无感超导组件的失超电阻特性，本发明的响 应时间达到毫秒级，远快于传统继电保护设备百毫秒级的响应时间，显著提 高限流器技术的短路故障响应速度。

3)多级限流能力

当短路故障电流出现，无感超导组件出现失超电阻，进行第一级限流； 然后第一IGBT接收到无感超导组件的失超信号进行导通动作，双分裂电抗 器的第一电感与电容并联谐振，相当于开路，双分裂电抗器只有第二电感串 联在输电线路中，达到最大的限流阻抗，进行第二级限流，直到断路器断开 线路。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限 定。

图1为本发明结构拓扑原理图；

图2为本发明在电网接入时的连接原理示意图；

图3为本发明模块化级联应用示意图；

图4为本发明稳态运行等效电路原理图；

图5为本发明稳态运行解耦后的等效电路原理图；

图6为本发明第一级限流等效电路原理图(超导无感组件失超，触发第 一级限流)；

图7为本发明第二级限流中步骤一等效电路原理图(第一IGBT闭合， 触发电容和第一电感并联谐振，断开第一电感的支路)；

图8为本发明第二级限流中步骤二等效电路原理图(无感超导组件不再 有电流流过，恢复到电阻为0的超导态)；

图9为本发明第二级限流中步骤三等效电路原理图(只有第二电感仍然 串联在电网输电线路上)；

图10为本发明失超恢复过程等效电路原理图(第二IGBT闭合，电容通 过电阻放电，为限流器复位做好准备)。

其中，1、第一电感；2、第二电感；3、无感超导组件；4、电容；5、 电阻；6、第一IGBT；7、第二IGBT；8、双分裂电抗器。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第 一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后 次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本 发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外， 术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含， 例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于 清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器，参见图1，双分裂电抗 器8由相同的两个电感(第一电感1和第二电感2)组成，第一电感1和第 二电感2的电感值相同，并且通过磁芯耦合，第一电感1的一端与第二电感 2的另一端为同名端，第一电感1的一端与第二电感2的一端相连接并引出； 第一电感1的另一端与无感超导组件3串联，再与第二电感2的另一端相连 接并引出，电阻5与第二IGBT7串联，然后与电容4并联，电容4与第一IGBT6 串联，然后与第一电感1并联。

下面结合图2说明本发明的使用方法：本发明中所述的外部线路或设备 一般指电网输电线路或变压器，本实施例中以电网输电线路为例，本发明在 工作时应该挂网运行，具体为串联在电网输电线路中，即第一断路器SF1和 第二断路器SF2之间。当本发明需要安装到电网输电线路上，或者从电网输 电线路上拆卸下来时，应该先断开第一断路器SF1和第二断路器SF2。

下面结合附图说明本发明的工作机理：

1)在稳态时，即电网输电线路没有发生短路故障时，等效电路图如图4 所示，流经无感超导组件3的电流小于临界电流，无感超导组件3处于超导 态，电阻为0，可视为短路。并且第一IGBT 6处于阻断状态，此时双分裂电 抗器8的第一电感1和第二电感2的同名端反向并联。由于并联的分流效应， 电网输电线路的电流流入双分裂电抗器8时，两个支路的电流相等，这两个 电流在各自电感中产生的磁通量等大反向，互相抵消。此时双分裂电抗器对 外的电气特性表现为两个支路的漏电感，即一个很小的纯电抗，如图5所示， 图中已经将两个电感进行去耦合等效。若双分裂电抗器8的单个电感的电感 值是L，耦合系数是k，电网输电线路频率是f，那么此时双分裂电抗器8的 电抗为(1-k)πfL。通常现在的双分裂电抗器产品，耦合系数k能达到90％ 以上，所以这个电抗很小。

2)当电网输电线路发生短路故障时，本发明会进行多级限流。

第一级限流过程：

当流经无感超导组件3的电流大于临界电流时，无感超导组件3会从超 导态进入正常态，并在毫秒级时间内失超，产生电阻，该电阻会限制短路故 障电流的第一个波峰，如图6所示。由于无感超导组件3与双分裂电抗器8 的第一电感1串联，所以此时第一电感1的支路阻抗会大于第二电感2的支 路阻抗。根据并联的分流效应，流经第一电感1的电流会小于流经第二电感 2的电流，因此第一电感1和第二电感2的电流产生的磁通不再能够互相抵消，双分裂电抗器8的阻抗开始不断增大，进一步限制短路故障电流。

第二级限流过程：

步骤一：第一IGBT6的控制器检测无感超导组件3两端的电压信号，当 其检测到电压信号时，表明无感超导组件3出现电阻，即无感超导组件3失 超。此时，第一IGBT6导通，电容4与第一电感1形成并联谐振，如图7所 示。

步骤二：流过第一电感1的电流，全部流入电容4，从而构成独立的回 路，对外的电气特性表现为第一电感1支路断开，此时，由于流经无感超导 组件3的电流逐渐减小为0，无感超导组件3从有电阻的正常态恢复到无电 阻的超导态，如图8所示。

步骤三：短路故障电流全部通过双分裂电抗器8的第二电感2支路，只 有第二电感2串联在电网输电线路中进行限流直到外部断路器SF1和SF2断 开，如图9所示。此时，本发明达到了最大的限流阻抗，即第二电感2的电 抗为2πfL。

3)当第一断路器SF1和第二断路器SF2动作后，本发明进入复位阶段。 第二IGBT 7导通，电阻5与电容4并联，如图10所示。根据焦耳定律，当 电流流经电阻5时会消耗电能，并且发热，从而电阻5就会将电容4和第一 电感1并联谐振的电能逐渐消耗殆尽，无感超导组件3从正常态回到超导态 后，也不再向第一IGBT 6提供电压信号，此时断开第一IGBT6，令电容4 不再与第一电感1并联，再开断第二IGBT 7，令电阻5不再与电容4并联。 最终，本发明恢复到初始状态，如图1所示，等待下一次限制短路故障电流 的冲击。

对于高电压等级的电网输电线路，由于短路故障电流较大，可以使用多 个本发明结构进行级联使用，如图3所示。根据并联的分流效应，当n个本 发明结构级联时，可以限制的最大短路故障电流为单个本发明故障限流值的 n倍，n为正整数。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其 保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领 域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的 具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等 同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器，其特征在于，包括双分裂电抗器(8)、无感超导组件(3)、电容(4)、电阻(5)、第一IGBT(6)以及第二IGBT(7)；

所述双分裂电抗器(8)包括第一电感(1)和第二电感(2)，所述第一电感(1)和第二电感(2)的电感值相同，且通过磁芯耦合；

所述第一电感(1)的一端与第二电感(2)的一端相连接并引出至外部线路或设备的一端，所述第一电感(1)的另一端与无感超导组件(3)的一端相连接，所述无感超导组件(3)的另一端与第二电感(2)的另一端相连接并引出至外部线路或设备的另一端，所述第一电感(1)的一端和第二电感(2)的另一端为同名端；

所述电容(4)的一端与第一电感(1)的一端和电阻(5)的一端相连接，所述电容(4)的另一端与第一IGBT(6)的集电极和第二IGBT(7)的发射极相连接，所述第一IGBT(6)的发射极与第一电感(1)的另一端相连接，所述电阻(5)的另一端与第二IGBT(7)的集电极相连接。

2.根据权利要求1所述的一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器，其特征在于，所述外部线路或设备的一端与第一电感(1)的一端和第二电感(2)的一端的连接点之间设置有第一断路器，所述外部线路或设备的另一端与无感超导组件(3)的另一端和第二电感(2)的另一端的连接点之间设置有第二断路器。

3.根据权利要求1所述的一种双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器，其特征在于，在使用时，所述双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器单个使用或者多个级联使用。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器的限流方法，其特征在于，当外部线路或设备未发生短路故障时，无感超导组件(3)的电阻为0，无稳态损耗；此时第一电感(1)和第二电感(2)同名端反向并联，导致自感与互感互相抵消，双分裂电抗器(8)电抗为漏磁通导致的漏感，达到最小；

当外部线路或设备发生短路故障时，无感超导组件(3)首先动作，出现电阻，使得双分裂电抗器(8)退出低阻抗状态，进行第一级限流；然后第一IGBT(6)接收到无感超导组件(3)的失超信号动作，双分裂电抗器(8)的第一电感(1)与电容(4)并联谐振，相当于开路，双分裂电抗器(8)只有第二电感(2)串联在外部线路或设备中，达到最大的限流阻抗，进行第二级限流；

当外部线路或设备与双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器断开，双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器恢复到初始状态。

5.根据权利要求4所述的限流方法，其特征在于，当外部线路或设备未发生短路故障时，流经无感超导组件(3)的电流小于临界电流，无感超导组件(3)处于超导态，并且第一IGBT(6)处于阻断状态，此时双分裂电抗器(8)的第一电感(1)和第二电感(2)的同名端反向并联，外部线路或设备的电流流入双分裂电抗器(8)时，流经第一电感(1)的电流等于流经第二电感(2)的电流，第一电感(1)和第二电感(2)的电流产生的磁通互相抵消，双分裂电抗器(8)电抗达到最小。

6.根据权利要求5所述的限流方法，其特征在于，当双分裂电抗器(8)电抗达到最小，所述双分裂电抗器(8)的电抗为(1-k)πfL，其中，L表示第一电感(1)和第二电感(2)的电感值，k表示耦合系数，f表示外部线路或设备频率。

7.根据权利要求4所述的限流方法，其特征在于，所述第一级限流具体为：当外部线路或设备发生短路故障时，流经无感超导组件(3)的短路故障电流大于临界电流，无感超导组件(3)从超导态进入正常态，并在毫秒级时间内出现电阻，从而第一电感(1)的支路阻抗大于第二电感(2)的支路阻抗，则流经第一电感(1)的电流小于流经第二电感(2)的电流，第一电感(1)和第二电感(2)的电流产生的磁通不能够互相抵消，双分裂电抗器(8)的阻抗开始不断增大，从而限制短路故障电流。

8.根据权利要求4所述的限流方法，其特征在于，所述第二级限流具体为：当第一IGBT(6)的控制器检测到无感超导组件(3)两端的电压信号，表明无感超导组件(3)失超，此时第一IGBT(6)导通，使电容(4)与第一电感(1)形成并联谐振回路，并联谐振回路电流等于无感超导组件(3)的失超电流，所述失超电流接近于稳态外部线路或设备电流，远小于短路故障电流；

由于并联谐振发生，第一电感(1)支路的电流分流到并联谐振回路，流经无感超导组件(3)电流逐渐减小为0，无感超导组件(3)不再有电流流过，从有电阻的正常态恢复到无电阻的超导态；

短路故障电流全部通过第二电感(2)，双分裂电抗器(8)只有第二电感(2)串联在外部线路或设备中进行限流，达到最大限流阻抗。

9.根据权利要求8所述的限流方法，其特征在于，当双分裂电抗器(8)的阻抗达到最大限流阻抗，所述双分裂电抗器(8)的电抗为2πfL，其中，L表示第一电感(1)和第二电感(2)的电感值，f表示外部线路或设备频率。

10.根据权利要求4所述的限流方法，其特征在于，当外部线路或设备与双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器断开，第二IGBT(7)导通，电阻(5)与电容(4)并联，电阻(5)将电容(4)和第一电感(1)并联谐振的电能逐渐消耗殆尽，无感超导组件(3)经过散热后，从正常态回到超导态，开断第一IGBT(6)，令电容(4)不再与第一电感(1)并联，开断第二IGBT(7)，令电阻(5)不再与电容(4)并联，双分裂电抗器并联谐振的高温超导限流器恢复到初始状态。