CN114024296B - 一种超导限流器 - Google Patents

Abstract

本发明的超导限流器，包括管式超导元件、端部导电元件以及分流螺线管，所述管式超导元件包括：用于传输低温冷却介质的中心冷却管、超导电缆以及铠装管，所述超导电缆并联绞制于中心冷却管上并套接于所述铠装管内；所述分流螺线管留有间距地环绕管式超导元件外周排布，分流螺线管环的端部通过所述端部导电元件与管式超导元件电连接，端部导电元件设有与中心冷却管相连通的冷却介质通道。有益效果：增加了超导限流器的可靠性，减小了限流器的尺寸。在提供高电场强度的同时，保证了大电流冲击下的力学稳定性。

Description

一种超导限流器

技术领域

本发明属于电气工程领域，尤其涉及一种超导限流器。

背景技术

电力输电系统发生短路时，会产生数值很大的短路电流。如果不加以限制，就很难保持电气设备的动态稳定和热稳定。为了满足某些断路器遮断容量的要求，直流输电的换流站通常装有平波电抗器，用于增大短路阻抗，限制短路电流，并可防止由直流线路产生的陡波冲击进入阀厅，使换流阀免遭过电压的损坏。柔直系统通过在换流站直流母线和直流线路之间串入平波电抗器，可达到抑制直流线路故障电流上升率，并降低MMC闭锁前后直流侧短路电流的作用。为降低直流短路电流幅值，平波电抗器的电感值通常需要数十mH。但对于高电压等级较大容量的平波电抗器，其稳态运行损耗和体积均较大。

超导限流器作为近年来超导电力技术领域研究的焦点，是一种有效的短路故障电流限制装置。其正常运行时，对电网的影响很小；发生短路故障时，同样能在极短时间内有效地降低系统短路电流，迅速将短路电流限制到可接受的水平，进而避免过大的短路电流对电网和电气设备的安全稳定运行构成重大危害。超导限流器通常有电阻型、电感型和混合型三种类型。

电阻型超导限流器是直接利用超导材料在超导态时电阻近似为零、但在故障电流的激励下瞬间从超导态转变为非超导态且失超后产生大电阻的特性，起到抑制故障电流的作用。优点在于结构紧凑、响应速度快，稳态阻抗阻值较大，限流效果明显，运行损耗较小，一般情况下采用无感绕组的制作方式。但是由于其限流阻抗值较小，因而超导带材的使用量较大，且失超恢复时间较长，在故障限制过程中容易产生并积累焦耳热。

电感型超导限流器，是在限制故障电流的过程中，利用电感来降低故障电流上升的斜率。其限流作用的起效时间和失超恢复时间都更短，但正常工作时由于电感值较高，会导致能耗的增加和装置的压降，并且还会降低装置的限流能力。

混合型的阻感超导限流器则结合了电阻型和电感型超导限流器的优点，其稳态运行损耗和体积都较小，限流效果明显，限流响应时间和失超恢复时间都很短。

但与现有的电阻型超导限流器相比，阻感型超导限流器在稳态运行和限流过程中绕组面临更复杂的动稳定性、匝间过电压等难题。尤其是当采用阻感型结构时，大的电流冲击使得绕组超导体将承载数百倍于稳态的动态电磁力作用，对超导体及外围结构的力学稳定性都提出了极高的要求。

如何使阻感型超导限流器能够承受大的电流冲击和动态电磁力作用，为其替换常规柔直系统的平波电抗器提供可能，是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种超导限流器，用于替换常规柔直系统的平波电抗器，避免了采用多个线圈并联导致传输电流不均匀的问题，本发明提出的技术方案为：

所述超导限流器，包括管式超导元件、端部导电元件以及分流螺线管，所述管式超导元件包括：用于传输低温冷却介质的中心冷却管、超导电缆以及铠装管，所述超导电缆并联绞制于中心冷却管上并套接于所述铠装管内；所述分流螺线管留有间距地环绕管式超导元件外周排布，分流螺线管环的端部通过所述端部导电元件与管式超导元件电连接，端部导电元件设有与中心冷却管相连通的冷却介质通道。

所述超导限流器的进一步设计在于，还包括管状的电感调节单元，所述电感调节单元套接于管式超导元件铠装管的内表面或外表面，且电感调节单元与端部导电元件相隔离。

所述超导限流器的进一步设计在于，所述电感调节单元为磁环或金属管，所述磁环或金属管间隔地安装于铠装管的内表面或外表面。

所述超导限流器的进一步设计在于，所述中心冷却管采用不锈钢金属波纹管或不锈钢金属螺旋管。

所述超导限流器的进一步设计在于，设定超导限流器所需传输的最大电流为I₀，单根超导电缆承载的电流为I₁，则超导电缆的数目为[I₀/I₁]。

所述超导限流器的进一步设计在于，所述分流螺线管为两根，两根分流螺线管以不同的绕向环绕管式超导元件设置，且两分流螺线管的两端分别通过端部导电元件相互电连接。

所述超导限流器的进一步设计在于，所述超导电缆采用氧化钇钡铜材料制成。

所述超导限流器的进一步设计在于，铠装管为不锈钢管。

所述超导限流器的进一步设计在于，所述端部导电元件由连接底座与连接端子组成，所述连接端子连接于连接底座，连接底座开设有连接腔，所述分流螺线管焊接于连接腔的内壁，所述冷却介质通道贯穿连接端子并与连接腔连通。

本发明的有益效果为：

本发明的超导限流器增加了超导限流器的可靠性，减小了限流器的尺寸。在提供高电场强度的同时，保证了大电流冲击下的力学稳定性。管内导体可传输电流大，完全换位，使得传输电流更为均匀，避免采用多个线圈并联导致传输电流不均匀的问题。

附图说明

图1为本发明的超导限流器的三维结构示意图。

图2为管式超导元件的三维结构及轴面示意图。

图3为分流螺线管与管式超导元件的位置关系示意图。

图4为端部导电元件的结构示意图。

图5为本发明的超导限流器的另一种实施方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1，本实施例的超导限流器，主要由：管式超导元件1、端部导电元件3以及分流螺线管2组成。管式超导元件1主要由：用于传输低温冷却介质的中心冷却管11、超导电缆12以及铠装管13组成，参见图2。超导电缆12并联绞制于中心冷却管11上并套接于铠装管13内。分流螺线管2的端部通过端部导电元件与管式超导元件电连接，端部导电元件3设有与中心冷却管11相连通的冷却介质通道32。

本实施例的中心冷却管11采用不锈钢金属波纹管或不锈钢金属螺旋管。其中采用金属波纹管结构时冷却介质不与外部超导电缆直接接触，但是低温冷却介质的流阻小，且可以承载一部分短路时的电流；采用金属螺旋管时，冷却介质与外部超导电缆直接接触，冷却效果好，但是传输短路电流的作用不如金属波纹管，且强度不如金属波纹管高。考虑到对冷却效果的要求更高，本实施例采用金属螺旋管方式。

超导电缆12用于传输稳态运行电流，并且在短路故障发生时失超，从而产生较大的限流电阻，进而起到限制短路故障电流幅值的作用。本实施例中超导电缆12采用不锈钢加强的YBCO(Yttrium Barium Copper Oxide，氧化钇钡铜)超导材料制作。多根超导电缆12并联绞制在中心冷却管11上，并联导体的数量根据传输电流值来确定，具体确定方法为：设定超导限流器所需传输的最大电流为I₀，单根超导电缆承载的电流为I₁，则超导电缆的数目为[I₀/I₁]。当确定好超导电缆12的根数后，根据空间尺寸紧密排布要求，就可以得到中心冷却管11的外径。超导电缆12在中心冷却管11上的绞合方式与常规电力电缆相似，即将超导电缆12按一定的角度紧密排布在中心冷却管11上，该角度值通过超导电缆12和中心冷却管11的尺寸确定，为本领域技术人员的惯用技术手段，在此不再赘述。

本实施例的铠装管13为不锈钢管，套装在绞制完成的超导电缆12外侧。铠装管13的主要作用为：在限流过程中，传输部分短路电流，从而降低短路电流对超导电缆12的影响；在限流过程中，承载绝大部分的电动力，保证超导电缆12不承载过大的电动力，进而避免巨大的电动力对超导电缆12的破坏；超导电缆12失超后导致低温介质部分气化，进而使得铠装管13内部低温介质的压力升高，压力升高后的低温介质能够自主产生强迫冷却的效果，进而提升低温介质与超导电缆12之间的传热，提升超导电缆12的热稳定性。

本实施例的分流螺线管为一根，该分流螺线管的端部通过端部导电元件3同轴套装在管式超导元件1的外侧。当网络短路和超导体开始进入正常状态时，分流螺线管中会产生电流，它在管式超导元件的位置区内形成一个磁场，加速管式超导元件进入正常状态。能够在短路后的第一个半电流周期内将短路电流降低数倍，并将短路模式下限流器表面的场强度提高到2.5-5V/cm。磁场对超导体临界电流影响的研究结果表明，临界电流值与磁场值的关系很强。随着磁场的增加，临界电流值减小，因此从超导到正常状态的转变过程加快。在短路模式下流过超导限流器的最大电流值降低。分流螺线管的设置主要考虑其电感值，而该电感值的选取一般由系统给出，然后超导限流器设计时将根据该电感值选择合适的螺线管导体长度、螺旋节距，根据电感值设计螺线管的参数是本领域技术人员的惯用技术手段，在此不再赘述。

如图4，本实施例的端部导电元件3主要由连接底座与连接端子33组成。连接端子33连接于连接底座，连接底座开设有连接腔31。分流螺线管2采用焊锡连同管式超导元件1焊接于连接腔31的内壁，冷却介质通道32贯穿连接端子33并与连接腔31连通，低温介质从外部传输至管式超导元件1内部的中心冷却管11。连接端子33用于与外部电网的电气连接，起传输电流的作用。根据与外部电网的连接方式，连接端子33为光滑圆柱、螺纹、通孔等多种方式，其外形与外部连接端子的具体形式有关，为本领域技术人员的惯用技术手段，在此不再赘述。

实施例2

如图3，本实施例的分流螺线管为两根(分别为分流螺线管A 21、分流螺线管B22)，两根分流螺线管以不同的绕向环绕管式超导元件设置(不同的绕向可以调节电感值)，且两分流螺线管的两端分别通过端部导电元件相互电连接。本实施例的其余技术特征均与实施例1的技术方案相同，在此不再赘述。

实施例3

本实施例的超导限流器还包括管状的电感调节单元。电感调节单元套接于管式超导元件1铠装管13的内表面或外表面，且电感调节单元与端部导电元件相隔离。

本实施例的电感调节单元为磁环4，该磁环4由软磁材料制成。磁环4管间隔地安装于铠装管的内表面或外表面，用于调节管状超导元件1的电感值。在超导元件中通过其内外表面安装磁软材料元件，可以局部增强磁场强度。磁环以一定间隔安装在管状超导元件的整个长度上，不会降低限流器的工作性能，也不需要应用特殊技术进行安装，直接通过焊接方式将套装在管式超导元件外侧的磁环固定在超导元件1的铠装管13外即可。磁环的数量、间隔可以根据电感值进行确定。由于磁环直接套装在管状超导元件1的外侧，因此其内径一般需与管状超导元件1的外径相匹配，即尺寸相同、但采用正公差的方式；磁环外径、数量和间隔，需要根据电感值来确定，即若单独管状元件1的电感值为L1，需要通过增加磁环的方式将电感值增加至L2，则可以通过有限元仿真的方法计算磁环的设计参数，基于电感值计算磁环参数的方法是本领域专业技术人员的惯用技术手段，在此不再赘述。

上述磁环也可替换为金属管，其设置方式与磁环相同，在此不再赘述。

上述三则实施方式的超导限流器增加了超导限流器的可靠性，减小了限流器的尺寸。在提供高电场强度的同时，保证了大电流冲击下的力学稳定性。管内导体可传输电流大，完全换位，使得传输电流更为均匀，避免常规多个线圈并联导致传输电流不均匀的问题。

本发明的技术方案不局限于上述各实施例，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种超导限流器，其特征在于包括管式超导元件、端部导电元件以及分流螺线管，所述管式超导元件包括：用于传输低温冷却介质的中心冷却管、超导电缆以及铠装管，所述超导电缆并联绞制于中心冷却管上并套接于所述铠装管内；所述分流螺线管留有间距地环绕管式超导元件外周排布，分流螺线管环的端部通过所述端部导电元件与管式超导元件电连接，端部导电元件设有与中心冷却管相连通的冷却介质通道；还包括管状的电感调节单元，所述电感调节单元套接于管式超导元件铠装管的内表面或外表面，且电感调节单元与端部导电元件相隔离；所述电感调节单元为磁环或金属管，所述磁环或金属管间隔地安装于铠装管的内表面或外表面。

2.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于所述中心冷却管采用不锈钢金属波纹管或不锈钢金属螺旋管。

3.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于设定超导限流器所需传输的最大电流为I₀，单根超导电缆承载的电流为I₁，则超导电缆的数目为

4.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于所述分流螺线管为两根，两根分流螺线管以不同的绕向环绕管式超导元件设置，且两分流螺线管的两端分别通过端部导电元件相互电连接。

5.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于所述超导电缆采用氧化钇钡铜材料制成。

6.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于铠装管为不锈钢管。

7.根据权利要求1所述的超导限流器，其特征在于所述端部导电元件由连接底座与连接端子组成，所述连接端子连接于连接底座，连接底座开设有连接腔，所述分流螺线管焊接于连接腔的内壁，所述冷却介质通道贯穿连接端子并与连接腔连通。