CN1972052A - 超导型混合限流开关 - Google Patents

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Abstract

一种超导型混合限流开关，包括电磁斥力式机械开关、固态开关和超导限流器，其特征是所述固态开关和超导限流器串联后与电磁斥力式机械开关并联，所述电磁斥力式机械开关由斥力驱动线圈、运动盘、开关触头和斥力驱动线圈驱动电路构成，所述运动盘位于开关触头上，斥力驱动线圈位置对应于运动盘。本发明具有快速开关能够长时通过千安级额定电流的能力，降低了超导限流器长期工作在额定大电流时对低温冷却系统的要求。超导限流器只在故障状态短时串入系统中，将短路电流限制在固态开关可分断的范围，并利用固态开关将短路电流分断。本方案解决了快速开关分断数十千安短路电流的灭弧难题，且极大降低了低温冷却系统的要求，有着广阔的工程应用前景和良好经济效益。

Description

超导型混合限流开关
技术领域
本发明涉及电网短路故障时使用的限流开关，尤其涉及一种超导型混合限流开关。
背景技术
随着电力系统现代化程度的日益提高、新型供电网络的不断发展和系统容量的不断增大，一方面提高了系统供电的可靠性、连续性和供电品质，但同时也带来了短路故障电流水平的迅速提高，短路电流的危害日渐突出。巨大的短路冲击电流已经超过了现有断路器的极限接通和分断能力。在短路情况较严重的时候(例如发电机出线端短路)，短路电流将达到额定运行时电流值的十倍以上。因此，若不在电力系统中采取合适的限流技术，一旦发生短路故障，将无法实现系统的选择性保护，可能导致全面停电，后果将十分严重。
目前，国内外研究者为解决电力系统保护问题开展了大量的故障电流限制技术研究。采用或提出的方法有断路器、熔断器、电力电子固态开关等。但由于大容量断路器存在动作时间长，制造难度和造价很高，且不能使发、配电设备免受故障电流峰值电动力和热效应冲击的问题，而不能满足系统短路电流增长的需要。额定大电流的熔断器自身起弧时间较长，实际分断时系统的短路电流也相当大，对于复杂结构的电网来说，同时也牺牲了保护的选择性，故障后恢复慢，降低了系统运行的自动化水平。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，提出一种开关动作快速准确，能有效抑制短路的超导型混合限流开关。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种超导型混合限流开关，包括电磁斥力式机械开关、固态开关和超导限流器，其特征是所述固态开关和超导限流器串联后与电磁斥力式机械开关并联。
在上述方案中，所述电磁斥力式机械开关由斥力驱动线圈、运动盘、开关触头和斥力驱动线圈驱动电路构成，所述运动盘位于开关触头上，斥力驱动线圈位置对应于运动盘。
在上述方案中，所述斥力驱动线圈驱动电路由直流电源E，电容C，电阻R和受控开关器件G组成，所述直流电源E的一个输出端与电阻R一端相连，电阻R的另一端分两路输出，一路与电容C的一端相连，另一路与受控开关器件G的一端相连，电容C另一端分两路输出，一路与直流电源E的另一端相连，一路与斥力驱动线圈一端相连，受控开关器件G的另一端与斥力驱动线圈的另一端相连，受控开关器件G的控制端与控制器相连。
上述受控开关器件G为GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。
在上述方案中，所述固态开关采用GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。
在上述方案中，所述超导限流器由超导材料YBCO薄膜和保证该超导材料YBCO薄膜能够处于液氮温度的低温杜瓦容器构成，超导材料YBCO薄膜置于低温杜瓦容器内。
在低温杜瓦容器内可以设置有至少两片YBCO薄膜，每片薄膜之间以串并联的方式相连。
在上述运动盘上面设有能使运动盘相对于开关触头有一个预紧力的预紧装置。
上述预紧装置为预紧力弹簧或磁力吸合装置。
本发明提出将电磁斥力式机械开关、固态开关和超导限流器技术进行综合优化设计的超导型混合限流开关方案。工作原理为：当系统正常运行时，固态开关断开，电流全部从电磁斥力式机械开关上流过，此时超导限流器不工作；当检测出系统发生短路故障时，导通固态开关，同时分断电磁斥力式机械开关，将短路电流换流至超导限流器上，超导限流器将短路电流限制在固态开关可以分断的范围内。该方案有效降低了超导限流器额定运行在大电流状态下对超导材料及其低温制冷系统的要求。
该方案具有将电磁斥力式机械开关能够长时通过千安级额定电流的能力，避免了超导限流器长期工作在额定大电流时对低温冷却系统的要求。超导限流器只在故障状态短时串入系统中，将短路电流限制在固态开关可分断的范围，并利用固态开关将短路电流分断。本方案解决了电磁斥力式机械开关分断数十千安短路电流的灭弧难题，且极大降低了低温冷却系统的要求，有着广阔的工程应用前景和良好经济效益，为超导技术的工程实用化提供开辟了一条新的道路。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
图2是电磁斥力式机械开关原理图。
图3是斥力驱动线圈控制电路图。
图4是超导材料YBCO薄膜串并联电路原理图。
图5是超导限流器结构示意图。
具体实施方式
本实施例包括两条并联的支路，参见图1和图2，电磁斥力式机械开关1为通流支路，而固态开关2和超导限流器3串联组成换流支路。所述电磁斥力式机械开关1由斥力驱动线圈4、运动盘5、预紧力弹簧、开关触头6和斥力驱动线圈驱动电路构成，所述运动盘5为铜制或铝制的导电盘，位于开关触头6上，预紧弹簧位于运动盘5上面，使运动盘5相对于开关触头有一个预紧力，斥力驱动线圈4位于运动盘5下面。预紧弹簧可以用磁力吸合装置代替。
上述斥力驱动线圈控制电路(参见图3)由变压器T、二极管D1、电阻R、整流元件(二极管)D2、电容C、受控开关器件G组成，所述受控开关器件为GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。在本实施例中，受控开关器件采用晶闸管G。所述变压器T初级绕组连接交流电源，次级绕组的一端接整流元件D2正极，整流元件D2的负极接电阻R一端，通过整流元件D2给电容C提供直流电源，电阻R另一端分两路输出，一路与电容C一端相连，另一路与晶闸管G的正极相连，电容C另一端与变压器T次级绕组的另一端相连，晶闸管G的负极分两路输出，一路与斥力驱动线圈一端相连，另一路与二极管D1负极相连，二极管D1的正极和斥力驱动线圈另一端与变压器T次级绕组的另一端相连，晶闸管G的控制端与控制器相连。
上述T为升压变压器，二极管D1为斥力驱动线圈提供续流电路，变压器通过D2整流为斥力驱动线圈驱动电路提供直流电源向电容C充电，控制器通过晶闸管G的导通时间来控制电容器C的放电。
所述固态开关采用GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。
参见图4和图5，所述超导限流器3由三片也可以多片超导材料YBCO薄膜31和保证该超导材料YBCO薄膜能够处于液氮温度的低温杜瓦容器32构成。多片YBCO薄膜31进行适当的串并联置于低温杜瓦容器32内。三片YBCO薄膜31经电流引线33连接到两根铜排34上，再由主引线35与外电路进行连接。低温杜瓦容器是保证限流器能够处于液氮温度(77K)，YBCO薄膜正常工作于超导状态的必要装置。超导限流器3只在故障状态短路时串入系统中，将短路电流限制在固态开关可分断的范围，并利用固态开关将短路电流分断，有效降低了超导限流器额定运行在大电流状态下对超导材料及其低温制冷系统的要求。在图5中件号36为支架，件号37为隔板，件号38为液氮。
超导限流器3中薄膜的串并联数量由系统的电压和电流参数确定。由于YBCO薄膜的单位长度耐压约8V/cm，单片直径10cm薄膜的有效长度为80cm，因此用系统电压除以薄膜耐压和单片薄膜的有效长度，可以计算出所需串联薄膜的片数。所需并联的YBCO薄膜数量由系统要求的动作电流和薄膜的临界电流确定。动作电流除以单片薄膜的临界电流(80A)可以得到所需并联的薄膜数量。根据上述原理，在本发明所述的低温杜瓦容器内可以设置一片两片乃至多片YBCO薄膜，以适应系统的电压和电流。
电磁斥力开关的工作原理为，当受控开关器件G导通，由于回路电感很小，使斥力驱动线圈中产生巨大的电容放电电流脉冲，斥力驱动线圈产生的磁场匝穿越运动盘，在运动盘中感应出电流，这个感应电流所产生的磁场与斥力驱动线圈产生的磁场方向相反，斥力驱动线圈与运动盘之间立即产生斥力F，使运动盘向上迅速运动。放电时脉冲电流的增长速度di/dt越大，运动盘中产生的感应电流也就越大，斥力越大。而当电流不变化时，则斥力为零。

Claims (9)

1、一种超导型混合限流开关，包括电磁斥力式机械开关、固态开关和超导限流器，其特征是所述固态开关和超导限流器串联后与电磁斥力式机械开关并联。
2、根据权利要求1所述的超导型混合限流开关，其特征是所述电磁斥力式机械开关由斥力驱动线圈、运动盘、开关触头和斥力驱动线圈驱动电路构成，所述运动盘位于开关触头上，斥力驱动线圈位置对应于运动盘。
3、根据权利要求1或2所述的超导型混合限流开关，其特征是所述斥力驱动线圈驱动电路由直流电源E，电容C，电阻R和受控开关器件G组成，所述直流电源E的一个输出端与电阻R一端相连，电阻R的另一端分两路输出，一路与电容C的一端相连，另一路与受控开关器件G的一端相连，电容C另一端分两路输出，一路与直流电源E的另一端相连，一路与斥力驱动线圈一端相连，受控开关器件G的另一端与斥力驱动线圈的另一端相连，受控开关器件G的控制端与控制器相连。
4、根据权利要求3所述的超导型混合限流开关，其特征是所述受控开关器件G为GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。
5、根据权利要求1或2所述的超导型混合限流开关，其特征是所述固态开关采用GTO、SCR、IGBT或IGCT电力电子器件。
6、根据权利要求1或2所述的超导型混合限流开关，其特征是所述超导限流器由超导材料YBCO薄膜和保证该超导材料YBCO薄膜能够处于液氮温度的低温杜瓦容器构成，超导材料YBCO薄膜置于低温杜瓦容器内。
7、根据权利要求6所述的超导型混合限流开关，其特征是在低温杜瓦容器内设置有至少两片YBCO薄膜，每片薄膜之间以串/并联的方式相连。
8、根据权利要求1或2所述的超导型混合限流开关，其特征是在运动盘上面设有能使运动盘相对于开关触头有一个预紧力的预紧装置。
9、根据权利要求8所述的超导型混合限流开关，其特征是所述预紧装置为预紧力弹簧或磁力吸合装置。
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