CN1619913A - 电阻型超导故障限流器 - Google Patents

Abstract

一种电阻型超导限流器，通过使用与电力系统的电路分开的磁场产生装置，使得在正常电流流向电力系统时电力系统的电流不能流向电阻型超导故障限流装置的线性线圈，其能够强化超导装置的电流，防止线性线圈上产生的热，在正常电流施加到电力系统上时消除通过线性线圈产生的磁场，不仅能够使用基于BISCCO的超导装置，而且能够使用基于YBCO的超导装置。所述限流器包括：超导故障限流模块，其由至少一个超导故障限流装置组成；磁场施加单元，其被安装为圆形以包围所述超导故障限流模块的外围，用于向超导故障限流模块施加磁场；和变流器，用于非接触地感应从在电力系统的电路上流动的电流转换的电流，从而向所述磁场施加单元施加所述感应的电流。

Description

电阻型超导故障限流器

技术领域

本发明涉及超导故障限流器，并且具体地说涉及电阻型超导故障限流器。

背景技术

在用于发电、输电、和配电等的包括电站、电力输送线路、变电站，配电线路的电力系统中，在短路故障、接地故障等故障电流发生时，故障限流器(FCL)是用于限制向母线、绝缘器、断路器等施加的机械应力、热应力和电应力的装置。因为故障电流连续增加，并且开发不受故障电流影响的电力装置很困难，对故障限流器的需求正在增加。但是，由于技术上和商业上的困难延迟了应用于电力系统的故障限流器的开发。

由于发现了高温超导体(HTS)，开发了利用新型装置的非线形电压-电流特性的故障限流器，并从1987年开始开发了利用液态氮作为制冷剂的高温超导体。

这种超导体具有高的非线性电阻特性，从而具有能够作为故障限流器使用的可能性。但是，由于极昂贵的冷却费用，对利用液态氦作为制冷剂的HTS尚未进行充分研究。近来，因为开发了利用液态氮作为制冷剂的HTS，所以出现了各种利用超导电性的超导故障限流器。

超导故障限流器利用其超导体从超导状态向正常导电状态转变的失超(quench)特性。即，因为具有快速增加的电阻的超导体起熔断器的作用，超导故障限流器限制故障电流。当故障电流值降低时，超导故障限流器的超导体从正常导电状态转变到超导状态。超导故障限流器具有各种类型，如电阻型、电感型和混合型等。

在所述各种故障限流器中，电阻型故障限流器是最可开发的和商业上最成熟的。

电阻型超导故障限流器具有简单的结构，并比电感型的具有更轻的重量，更低的成本。但是，当操作电阻型超导故障限流器时，引起其中产生热的过热点。另外，在开发性能优良的超导故障限流器中存在困难。

为了解决电阻型超导故障限流器的问题，在从超导状态到正常导电状态转变的超导体的失超现象时间，必须分散在故障限流装置上部分产生的过热，并且为了增加故障限流器的电压容量，彼此串联连接的故障限流装置上必须同时产生失超现象。

为了增加故障限流器的电压容量，研究了各种方法，如插入并联电阻，通过适当的串联或并联结合同时引起失超现象。然而，尚未提出确定的方案。

同时，提出的方法还有，在使用Bi-2223环和杆型的超导故障限流器中，使用加热器以提高磁场和超导装置的温度，在超导故障限流器当中引起均匀的失超现象。但是，所述的方法不能解决以下问题：对电力系统稳定性的影响；当电流流向磁场施加单元时，在磁场施加单元的线圈上产生感应热；以及磁场施加单元的线圈的电抗对系统的影响。

图1是根据现有技术的超导故障限流器的结构图。

如图所示，现有的超导故障限流器1包括：超导装置2，即电阻型装置；填充比如液态氮的制冷剂的非金属低温恒温器4，其用于将超导装置1保持在超导状态；线性线圈，用于向超导装置2的整个区域均匀施加磁场；和电流引线3和5，用于将超导装置2和线性线圈6串联。

超导装置2是电阻型装置，并处在低温恒温器4中。低温恒温器4充有液态氮，以冷却超导装置2，从而保持超导装置2的超导状态。

低温恒温器4位于由箔式绕组形成的线性线圈6中，通过电流引线3和5，线性线圈6与超导装置2串联。电力系统的电路电流通过电流引线3和5彼此反向流动。构造线性线圈6使得电流均匀地向超导装置的整个区域施加磁场。线性线圈6上铜或铝形成箔式绕组。线性线圈6向超导装置2水平施加磁场，构造其使得在向其施加电流时具有低的电感和低的磁场。

为了限制过电压，将金属氧化物变阻器7并联到超导故障限流器1。

下面说明现有的超导故障限流器1的工作。

当电力系统上流动故障电流时，流向线性线圈6的电流大量增加。增加的电流通过线性线圈6产生磁场。产生的磁场水平施加到超导装置2，并且施加的磁场超过超导装置2的磁场的预定阈值。由于通过线性线圈6产生的磁场和流向超导装置2的增加的电流，超导装置2转变到电阻型状态。在通过线性线圈6产生的磁场均匀地水平施加到超导装置2上时，在超导装置2的整个区域上均匀地引起超导装置的失超现象。据此，能够防止超导装置的局部加热和由于电场和磁场的集中产生的机械力造成的结构破坏的机械事故。同时，因为磁场水平地均匀施加到超导装置2上，所以增加超导装置2的电阻产生比率。因此，能够开发具有快速响应特性的电阻型故障限流器。

为了防止由于热造成的超导装置的损坏，在现有的电阻型超导故障限流器中，在低温恒温器外安装线性线圈6，线性线圈6串联到超导装置2，并且应用将线性线圈6直接连接到电力系统的技术。

因此，在现有的电阻型超导故障限流器中，在超导装置的整个区域能够均匀地引起失超现象，并且在彼此串联的超导装置上能够同时引起失超现象。

但是，在现有的电阻型超导故障限流器中，即使在正常的电流流向电流系统时，对于对流向线性线圈的电流产生的磁场产生不利的影响，并且线性线圈的电抗分量对电力系统的稳定性有不利的影响。即，即使在电力系统上流动着正常电流时，因为线性线圈一直连接到电力系统，所以由于向线性线圈流动的电流线性线圈产生磁场，并且产生的磁场影响超导故障限流器。

同时，在现有电阻型超导故障限流器中，因为即使在正常工作状态，电路电流流向电阻型超导故障限流器，所以能够降低现有电阻型超导限流器的超导装置的电流。因此，增加电阻型超导故障限流器的大小，或增加电阻型超导故障限流器的超导装置的数目。在电阻型超导故障限流器的容量变大，并具有高电压时，所述的问题变得严重。在电阻型超导故障限流器的容量变大时，线性线圈的大小和绕组的数目必须增加，从而在成本和操作上具有缺点。

在现有电阻型超导故障限流器中，电力系统的电路电流，即在电源和负载之间的电路的电流流向线性线圈。因此，在线性线圈上产生的热必须被隔离。

同时，在向各超导装置同时引起失超的现有电阻型超导故障限流器中，能够使用基于Bi₂Sr₂CaCu₂Ox(下文称BISCCO组)的超导装置，但是使用基于Y-Ba-Cu-O(下称YBCO组)的超导装置时存在问题。其原因是，因为为了产生相同量的磁场，基于YBCO的超导装置的水平磁场必须比垂直磁场高几十倍。因此，在线性线圈的大小和匝数方面，效率和效果变差。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种电阻型超导故障限流器，通过使用与电力系统的电路分开的磁场产生装置，使得在正常电流向电力系统流动时，电力系统的电流不能够向电阻型超导故障限流器的线性线圈流动，其能够加强它的超导装置的电流并能够在正常电流施加到电力系统时，通过除去线性线圈产生的磁场来防止在线性线圈上产生的热。

本发明的另一个目的是提供一种电阻型超导故障限流器，通过安装与电力系统分开的磁场施加单元，并且为垂直地向超导故障限流装置施加磁场，其不仅能够使用基于BISCCO的超导装置而且也能够使用基于YBCO的超导装置。

为达到这些和其它的优点和根据本发明的目的，如在实施例具体地和广泛地说明的，提供了一种电阻型超导故障限流器，其包括：超导故障限流模块，其由至少两个超导故障限流装置组成；磁场施加单元，其被安装以作为圆形包围所述超导故障限流模块的外围，用于向超导故障限流装置施加磁场，其中在磁场施加单元上流动的电流具有圆形方向；变流器，用于非接触地感应从在电力系统的电路上流动的电流转换的电流，从而向所述磁场施加单元施加所述感应的电流，使得所述磁场施加单元能够与电力系统的电路分开。

结合附图的以下详细说明将使得本发明的上述和其它目的、特征和优点更为明了。

附图说明

附图是为了能进一步了解本发明而包含的，并且被纳入本说明书中构成本说明书的一部分，这些附图示出了本发明的实施例，并用于与本说明书一起对本发明的原理进行说明。

图1是示出了根据现有技术的超导故障限流器的结构图；

图2是示出了根据本发明的电阻型超导故障限流器的结构图；

图3是示出了根据本发明的电阻型超导故障限流模块的视图；

图4是示出了包括根据本发明的电阻型超导限流器的超导故障限流电路的电路图；和

图5是示出了包括根据本发明另一实施例的电阻型超导故障限流器的超导故障限流电路的电路图。

具体实施方式

下面将详细参考在附图中示出的本发明的优选实施例。

参见图2-5，将说明电阻型超导故障限流器，通过使用与电力系统的电路分开的磁场产生装置使得在正常的电流流向所述电力系统时，电力系统的电流不能够流向所述电阻型超导故障限流器，其能够强化超导装置的电流，能够防止在线性线圈产生的热，能够在正常电流施加到电力系统的电路上时消除通过线性线圈产生的磁场，并且不仅能够使用基于BISCCO的超导装置而且也能够使用基于YBCO的超导装置。

图2是根据本发明的电阻型超导故障限流器的结构图。

如图所示，根据本发明的电阻型超导故障限流器包括：超导故障限流模块24，其由至少两个超导故障限流装置构成；磁场施加单元25，其被安装作为圆形以包围所述超导故障限流模块24的外围，用于向所述超导故障限流装置21施加磁场，其中在磁场施加单元上流动的电流具有圆形的方向；变流器28，用于非接触地感应从在电力系统的电路上流动的电流转换的电流，从而将所述感应电流供给所述磁场施加单元，使得所述磁场施加单元25能够与所述电力系统的电路分开。

下面说明根据本发明的电阻型超导故障限流器的结构。

参照图3详细说明超导故障限流模块24。

图3是示出了根据本发明的电阻型超导故障限流模块的视图。

如图所示，在薄膜型的超导故障限流装置21堆叠成多层结构，从而彼此串联或并联时，形成根据本发明的电阻型超导故障限流模块24。所述超导装置21是电阻型故障限流装置，并且位于其中用液态氮作为制冷剂的低温恒温器23内，以保持超导状态。

如图2所示，安装磁场施加单元25以包围超导故障限流装置21的模块24的外围，以便在垂直方向向超导故障限流模块24的整个区域均匀施加磁场。磁场施加单元25的高度与超导故障限流模块25相同或比后者更高。磁场施加单元25由铜或铝线圈的螺线管绕组形成，并与不接触电力系统的电路的变流器28连接时与电力系统的电路分开，用于向磁场施加单元25衰减地供给电力系统25上流动的电流。与超导故障限流模块24相同，磁场施加单元25也位于低温恒温器23内，由此也保持在超导状态。

见图2，电流引线26将超导故障限流模块24的超导故障限流装置21连接到外电流引线27-1和27-2。电流引线26将超导故障限流装置21连接到第一和第二外电流引线27-1和27-2，以固定超导故障限流装置21，并使得电力系统电路的电流流向超导故障限流装置21。电流引线26也在低温恒温器23中保持超导状态。优选地，电流引线优选地是薄膜型电流引线，使用铜或碳材料的盘形超导薄膜彼此连接而没有电阻损失。

变流器28不接触电力系统的电路，并用于从电力系统电路上的电流感应电流，并将此电流提供到磁场施加单元25，优选的变流器28是保护变流器，在故障发生时通过供给比故障电流低的衰减电流，防止磁场施加单元25的损坏。在电力系统上的电流是正常电流时，因为变流器28连接到磁场施加单元25，电流供给磁场施加单元25。但是，在电力系统电路上流动正常电流时，选择变流器28具有这样的绕组比，其不超过在超导故障限流装置上产生电阻的磁场的阈值。因此，在电力系统的电路上是正常电流时，超导故障限流装置没有电阻，并且在电力系统电路上的电流从交流电源经变流器28和第二电流引线27-2通过超导状态的超导故障限流装置21和电流引线26。然后，电流通过第一电流引线27-1，到达负载。下面参照图4详细说明包括电流超导故障限流器的超导故障限流电路的工作。

图4是示出了包括根据本发明的电阻型超导故障限流器的超导故障限流电路的电路图。

基于在电力系统上的电流为正常电流和故障电流的情况说明本发明的工作。

首先，说明在电力系统上的电流为正常电流时的工作情况。

通过在电力系统的电路穿过中心的环形芯上缠绕二次绕组，变流器28非接触地连接到电力系统电路并输出二次感生电流，其具有向磁场施加单元25供给的电流的阈值，在电力系统上的电流正常时，该阈值可以不使超导故障限流装置发生失超现象。因此，超导故障限流装置21保持在超导状态。因此，在电阻型超导故障限流器中的超导限流模块24保持在超导状态，从而完全不产生电阻。通过连接到电路的电流引线27-2，在电力系统的电路的电流从图4的最左侧，即电路电源侧流入低温恒温器23。然后，通过该电流引线电流流入超导故障限流装置21。通过另一个外电流引线27-2，流向超导故障限流装置21的电流流到电力系统电路的负载，即图4的最右侧。

在由于电力系统的电路上的短路或接地故障产生故障电流时，大量电流在电力系统的电路上流动。该大量的电流使得大电流通过变流器28流到磁场施加单元25。结果，磁场施加单元25产生很大磁场。因为磁场施加单元25被构造为作为圆形缠绕的绕组以包围超导故障限流模块25的整个长度，所以从磁场施加单元25产生的磁场垂直产生，从而垂直地施加到超导故障限流装置21。因此，以很大的宽度降低超导故障限流装置21的阈值电流密度，由此实现在超导装置的整个区域上同时的失超，而不顾在制造薄膜型超导故障限流装置时，装置的阈值电流密度不均匀。结果，超导故障限流装置21具有电阻。

因此，不仅超导故障限流装置21，而且在各超导故障限流装置彼此串联或并联时形成的超导故障限流装置21，都具有同时失超特性。

因为失超现象同时产生在超导故障限流装置21和超导故障限流模块24上，所以本发明的电阻型超导故障限流器能够获得足够的电阻以限制故障电流。通过电阻型超导故障限流器产生的电阻，电力系统的电路的故障电流被限制在短于几毫秒的短时间内。然后，如果故障电流消除，超导故障限流装置21被液态氮等制冷剂冷却，从而被恢复到超导状态。

下面参照图5说明包括本发明另一实施例的电阻型超导故障限流器的电路。

在本发明的另一个实施例中，为了完全将磁场施加单元25与电力系统的电路分开，由使用电力半导体开关的快速开关单元52替代根据本发明实施例的电阻型超导故障限流器的变流器。

图5是示出了包括根据本发明另一实施例的电阻型超导故障限流器的超导故障限流电路的电路图。

如图所示，根据本发明另一实施例的电阻型超导故障限流器包括：超导故障限流模块24，其由至少一个超导故障限流装置构成；磁场施加单元25，其被安装为圆形以包围超导故障限流模块24的外围，用于向超导故障限流装置21施加磁场，其中在磁场施加单元24上的电流具有圆形的方向；故障电流检测单元50，其用于检测在电力系统的电路的故障电流的发生；和快速开关单元52，在电力系统的电路上的电流正常时打开，并响应在产生故障电流时来自故障电流检测单元50的驱动信号闭合，以驱动所述磁场施加单元25。

下面说明本发明另一个实施例的电阻型超导故障限流器的结构。

参照图5详细说明超导故障限流模块24。

图5是示出了根据本发明的电阻型超导故障限流模块的视图。

如图所示，在薄膜型的超导故障限流装置21堆叠成多层结构，由此彼此串联或并联时，形成根据本发明的电阻型超导故障限流模块24。超导模块24被磁场施加单元25包围。超导装置21是电阻型故障限流装置，位于其中用液态氮作为制冷剂的低温恒温器23内，以保持超导状态。

磁场施加单元25由旋转包围超导故障限流模块24的铜或铝线圈的螺线管绕组形成。在电力系统的电流正常时，通过打开的快速开关单元52，磁场施加单元25与电力系统电路机械和电气地隔离。另外，磁场施加单元25被构造为在垂直方向向超导故障限流模块24的整个区域施加磁场。与超导故障限流模块24相同，磁场施加单元25位于低温恒温器23中，从而被保持在超导状态。磁场施加单元25与超导故障限流装置21电气隔离。

电流引线将超导故障限流模块24的超导限流装置21连接到外电流引线27-1和27-2。电流引线26将超导故障限流装置21连接到第一和第二外电流引线27-1和27-2，使得将超导故障限流装置21固定在低温恒温器23中，并且使在电力系统电路上的电流流向超导故障限流装置21。电流引线优选是薄膜型的电流引线，其中使用铜或碳材料的盘型超导薄膜彼此连接而没有电阻。

快速开关单元52连接到磁场施加单元25，即串联到螺线管绕组，与超导故障限流装置21电气隔离。快速开关单元52连接到附加电源单元511。作为快速开关单元52，使用晶闸管、栅极关断晶闸管(GTO)，静电感应晶体管、静电感应晶闸管、功率MOS场效应晶体管(简称MOS FET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的之一的电力半导体开关。

电源单元51连接快速开关单元52以便供给电源，且其一般是冷凝器。

下面说明包括电阻型超导故障限流器的超导故障限流电路的工作。

基于电力系统的电流为正常电流和故障电流时的情况说明本发明的工作。

首先，说明电力系统的电路为正常情况时的本发明的工作。

因为使用电力半导体开关的快速开关单元52是常开的并与电力系统的电路电气隔离，所以在电力系统的电路上的电流仅通过超导故障限流装置21。因此，电流完全不流到磁场施加单元25，使得本发明另一实施例的电阻型超导故障限流器完全不受磁场施加单元25的影响。

下面，说明电力系统的电路上出现故障电流的情况。

当产生故障电流时，故障电流检测单元50检测电力系统的故障的发生，然后，向快速开关单元52发送驱动快速开关单元52的信号，例如门控驱动信号。然后，通过响应该信号立即闭合快速开关单元52。在快速开关单元52闭合时，电源单元51和磁场施加单元25彼此连接。因此，从另外的电源单元施加的电流通过磁场施加单元25，从而操作磁场施加单元25。结果，磁场施加单元25产生很强的磁场。产生的磁场垂直地施加到超导故障限流装置21，从而降低超导故障电流装置21的阈值电流密度，因此引起超导故障限流装置21的整个区域的同时失超。结果，超导故障限流装置21具有电阻。因此，不仅在超导故障限流装置21彼此并联或串联时形成的超导故障限流装置21，而且在此时形成的超导故障限流模块24也同时失超。

在消除了故障发生的原因后，快速开关单元52断开，从而准备下一次的故障发生。

如上所述，在本发明的电阻型超导故障限流器中，使用与电力系统的电路分开的磁场产生装置，使得在电力系统的电路上的电流为正常的情况时，电流不流向电阻型超导故障限流器的线性线圈。因此，在这个正常的驱动时间消除了通过线性线圈产生的磁场，防止在电力系统的线路上流动正常电流时在线性线圈上产生热，强化了电阻型超导故障限流器的超导装置的电流。因此，本发明的电阻型超导故障限流器在大小和成本方面具有优点，并且能够用于开发高电压和大电流的超导故障限流器。

另外，在本发明的电阻型超导故障限流器中，使用在垂直方向向超导故障限流装置施加磁场的磁场产生装置，从而甚至可以使用基于YBCO的超导装置。

在不偏离本发明的本质特征和精神的情况下，说明了实施本发明的几种形式，应理解，除非特别说明，上述实施例不限于上述的细节，而是应在权利要求的精神范围内广泛地理解，因此所有的改变均在权利要求或权利要求包括的等效条款的范围内。

Claims (18)

1.一种电阻型超导故障限流器，其包括：

超导故障限流模块，其具有至少两个超导故障限流装置；

磁场施加单元，其为圆形，被安装以包围所述超导故障限流模块的外围，用于向超导故障限流模块施加磁场，其中在磁场施加单元上流动的电流具有圆形方向；和

变流器，用于非接触地感应从在电力系统的电路上流动的电流转换的电流，从而向所述磁场施加单元供给所述感应的电流，使得所述磁场施加单元能够与电力系统的电路分开。

2.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，其中，当至少两个薄膜形的超导限流装置彼此串联或并联时，构造该超导故障限流模块。

3.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，其中该超导故障限流装置在超导限流器的低温恒温器内的制冷剂中保持超导状态，从而在电力系统上流动的电流正常时通过正常电流，并在故障电流在电力系统电路上流动时产生失超现象。

4.如权利要求3所述的电阻型超导故障限流器，其中，该制冷剂是液态氮。

5.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，其中，该磁场施加单元是具有空气缝隙的螺线管。

6.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，其中，该磁场施加单元安装的高度至少包围该超导故障限流模块的整个长度，以便在垂直方向向超导故障限流模块的整个长度均匀地施加磁场，并且将该磁场施加单元构造为圆形的线圈绕组，以包围该超导故障限流模块的外围。

7.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，其中，该变流器是在故障电流流在电力系统上流动时向磁场施加单元衰减地供给故障电流的保护变流器。

8.如权利要求1所述的电阻型超导故障限流器，进一步包括薄膜型电流引线，其中使用铜或碳材料的盘型超导薄膜彼此连接而无电阻损失，以将所述超导故障限流装置连接到外电路引线。

9.如权利要求1或8所述的电阻型超导故障限流器，其中，该超导故障限流模块、该磁场施加单元和该电流引线安装在制冷剂冷却的低温恒温器中以保持超导状态。

10.如权利要求9所述的电阻型超导故障限流器，其中，该制冷剂是液态氮。

11.一种电阻型超导故障限流器，其包括：

超导故障限流模块，其由至少两个超导故障限流装置构成；

磁场施加单元，其为圆形，被安装以包围超导故障限流模块，用于向超导故障限流装置施加磁场，其中在磁场施加单元上流动的电流具有圆形的方向；

故障电流检测单元，用于检测电力系统的电路上的故障电流的发生；和

快速开关单元，其在正常电流在电力系统的电路上流动时断开，在产生故障电流时响应故障电流检测单元的驱动信号闭合，以驱动磁场施加单元。

12.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，其中，当至少两个薄膜形的超导限流装置彼此串联或并联时，构造该超导故障限流模块。

13.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，其中，该超导故障限流装置在超导限流器的低温恒温器内的制冷剂中保持超导状态，从而在电力系统电路的电流正常时通过正常电流，并在电力系统电路上的电流为故障电流时产生失超现象。

14.如权利要求13所述的电阻型超导故障限流器，其中，该制冷剂是液态氮。

15.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，其中，该磁场施加单元安装的高度至少包围所述超导故障限流模块的整个长度，以便在垂直方向向超导故障限流模块的整个长度均匀地施加磁场，并且构造为圆形的线圈绕组包围所述超导故障限流模块的外围。

16.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，其中，该磁场施加单元是具有空气缝隙的螺线管，在正常电流在电力系统的电路上流动时，与电力系统的电路机械和电气地隔离。

17.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，其中该快速开关单元是晶闸管、栅极关断晶闸管、静电感应晶体管、静电感应晶闸管、功率MOS场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管中之一的功率半导体开关。

18.如权利要求11所述的电阻型超导故障限流器，进一步包括薄膜型电流引线，其中使用铜或碳的盘型超导薄膜彼此连接而无电阻损失，以将所述超导故障限流装置连接到外电流引线，其中将该超导故障限流模块，该磁场施加单元和该电流引线安装在冷却剂冷却的低温恒温器中，以保持超导状态。

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