CN1295729C

CN1295729C - 直流超导故障限流器

Info

Publication number: CN1295729C
Application number: CNB2004100133461A
Authority: CN
Inventors: 唐跃进; 王晨
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2024-06-23
Also published as: CN1595583A

Abstract

本发明提供了一种直流超导故障限流器，它的结构是：在环形铁芯上，绕制两个电感相等的超导耦合线圈W₁、W₂，其中一个超导线圈W₁作为限流线圈，两端接到负载回路中，另一个超导线圈W₂作为偏置线圈，与直流电源E₂和电阻R₂相串联，超导耦合线圈W₁、W₂用冷却装置冷却。本发明的优点是：限流效果明显，且运行损耗极低；响应时间短，可靠性高，系统正常运行时，超导线圈储存能量很小，故障保护后不会产生过电压；集检测、触发、限流于一体，不需外加控制电路，结构简单，体积较小。本发明可满足舰船、飞机、石油钻井平台、移动通信站、电动汽车等独立系统的直流故障保护的需要。

Description

直流超导故障限流器

技术领域

本发明是一种直流电力系统故障保护装置。

背景技术

为了限制短路电流，通常采用的方法是安装直流断路器，当系统发生故障时，断路器切断短路电流，达到故障保护的目的。目前，直流断路器主要包括转换电路和交流断路器，故障短路后，通过转换电路产生一个人为的电流零点，再用交流断路器来开断短路电流。由于断路器的转换电路需要检测到短路信号后动作，所以断路器的反应时间较长，这不利于电力系统的快速保护；因正常运行时，断路器储存的能量很大，所以，在故障保护时，就会出现过电压。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有的直流断路器反应时间长和产生过电压的缺点，提供一种直流超导故障限流器。该直流超导故障限流器集检测、触发、限流于一身，反应速度快，并且不会产生过电压，安全性好。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在环形铁芯上，绕制两个电感相等的超导耦合线圈，其中一个超导线圈的两端接到负载回路中，另一个超导线圈与直流电源和电阻相串联，超导耦合线圈用冷却装置冷却。

本发明的优点在于：

(1)运行时呈现低阻抗甚至零阻抗，只在发生故障时呈现大阻抗，因而限流效果明显，对系统正常运行特性无影响，且运行损耗极低。

(2)响应时间短，可靠性高，而且，系统正常运行时，超导线圈储存能量很小，故障保护后不会产生过电压。

(3)集检测、触发、限流于一体，结构简单，不需外加控制电路，而且由于超导体载流密度高的优点，可使得限流器体积较小。

附图说明

图1是本发明在直流系统中的电路图。

图2是本发明一种实施例的结构示意图。

图3是本发明中一种冷却装置的结构示意图。

图4(a)表示图1发生短路故障后，未安装限流器的负载回路电流，其横坐标为时间/s，纵坐标为电流/A。

图4(b)表示图1发生短路故障后，安装限流器的负载回路电流，其横坐标为时间/s，纵坐标为电流/A。

图5是本发明在整流直流源中的电路图。

图6(a)表示图5发生短路故障后，未安装限流器的交流侧a相的电流，其横坐标为时间/s，纵坐标为电流/A。

图6(b)表示图5发生短路故障后，安装限流器的交流侧a相的电流波形，其横坐标为时间/s，纵坐标为电流/A。

具体实施方式

由图1、图2所示，负载回路的直流电源为E₁，负载电阻为R₁，在环形铁芯1上，绕制两个电感相等的超导耦合线圈w₁、w₂，其中一个超导线圈w₁作为限流线圈，两端接到负载回路中，另一个超导线圈w₂作为偏置线圈，与直流电源E₂和电阻R₂相串联，超导耦合线圈w₁、w₂用冷却装置冷却。

耦合线圈w₁、w₂可采用超导材料(如低温超导体NbTi，高温超导体Bi2223/Ag等)绕制。冷却装置可以采用装有冷却剂的低温容器进行冷却，根据使用的超导材料确定冷却剂和冷却温度。

如图3所示，图3是一种现有的冷却装置，其中：2是冷却剂(液氮或液氦)入口，3是冷却剂蒸气出口，4是压力调节管，5是耦合线圈w₁、w₂的电流引线，6是冷却机，7包括耦合线圈w₁、W₂.和铁芯1，8是冷却剂。

将超导限流器的铁芯1和耦合线圈w₁、w₂置于该装置中，冷却剂8从冷却剂入口2不断注入容器8中，用冷却剂8对其进行直接冷却，用制冷机6对容器内的冷却剂8进行冷却，通过压力调节管4对容器内的压力进行调节，蒸发的冷却剂气体则从出口3排出容器，超导耦合线圈w₁、w₂是通过电流引线5与外部电路相连的。冷却装置可以将超导耦合线圈w₁、w₂冷却到液氮或液氦温度。

正常运行时，调节偏置直流电源E₂，使偏置电路电流i₂与负载回路电流i₁相等，方向相反。这样，两个超导耦合线圈w₂和w₁产生的磁通互相抵消，铁芯中磁通为零，此时限流器呈现低阻抗，对系统无影响。

发生短路故障时，负载回路的电流增大，超导线圈w₁自动进行限流，短路电流被超导线圈w₁的自感L限制，限流器能在0.1s内将故障电流限制在正常值的2～3倍，具有良好的限流效果。因短路后的负载电流i₁与超导线圈的自感L成反比，即超导线圈自感L越大，则限流效果越好，所以，其限流效果还可以通过提高超导线圈的自感L，得到进一步改善。

可用直流电流源替代上述直流电源E₂和电阻R₂，采用直流电流源可降低损耗。

本发明的效果举例1负载回路电源设为理想直流电源，如图1所示，电源E₁＝340V，电源E₂＝300V，电阻R₁＝8.6Ω，电阻R₂＝8.4Ω，自感L＝1H，耦合系数k＝0.98，在时间t＝5s时，发生短路故障。

如图4(a)所示，未装限流器的系统，短路前，负载电流i₁为35.4A；在短路后0.1s时间里，负载电流i₁迅速达到稳态值336A。

如图4(b)所示，装有限流器的系统，短路前，负载电流i₁为35.4A；在短路后0.1s时间里，限流器可将负载电流i₁限制在90A左右。可见，限流器的限流效果明显。

本发明的效果举例2负载回路电源设为整流直流电源，如图5所示，U_a＝311sin(ωt)V，U_b＝311sin(ωt-120°)V，U_c＝311sin(ωt+120°)V，三相桥式整流电路，控制角α＝0；电阻R₁＝10Ω，电阻R₂＝9Ω，自感L＝1H，耦合系数k＝0.98，在时间t＝5s时，发生短路故障。

如图6(a)所示，未装限流器的系统，短路前，交流侧a相电流i_a的幅值为47A；在短路后0.1s时间里，交流侧a相的电流i_a的幅值迅速达到稳态值510A。

如图6(b)所示，装有限流器的系统，短路前，交流侧a相电流i_a的幅值为47A；在短路后0.1s时间里，限流器可将交流侧a相电流i_a的幅值限制在125A左右。可见，限流器的限流效果明显。

在图6(a)、6(b)中，显示交流电流含有较大谐波，这是因为图5仅仅是为了检验本发明的限流效果，在整流器中，没有采取相应的消除谐波措施。在实际应用时，应根据交流侧对谐波的要求，采取消除谐波的措施。

Claims

1.一种直流超导故障限流器，其特征在于：在环形铁芯(1)上，绕制两个电感相等的超导耦合线圈W₁、W₂，其中一个超导线圈W₁的两端接到负载回路中，另一个超导线圈W₂与直流电源E₂和电阻R₂相串联，超导耦合线圈W₁、W₂用冷却装置冷却。

2.根据权利要求1所述的直流超导故障限流器，其特征在于：用直流电流源替代上述直流电源E₂和电阻R₂。