CN1976157A - 使用超导体的电源电路保护设备 - Google Patents

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Abstract

在从故障电流中断起的预定时间内需要电路重新闭合的电力系统中，一种使用超导体的电力电路保护设备，该设备包括：主断路器；串联连接到主断路器上的第一超导体元件；在第一超导体元件与主断路器之间切换电路的第一辅助开关；并联连接到第一超导体元件和第一辅助开关上的第二超导体元件；第二超导体元件与主断路器之间切换电路的第二辅助开关；第一监视单元，用来探测跨过第一超导体元件的电压，把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路断开位置、并把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路闭合位置；及第二监视单元，用来探测跨过第二超导体元件的电压，该第二监视单元用来把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路断开位置、并把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路闭合位置。

Description

使用超导体的电源电路保护设备
相关申请
本公开涉及于2005年12月2日提交的有优先权的韩国申请No.10-2005-0117238中包含的主题，该申请特意通过参考全部包括在这里。
技术领域
本发明涉及一种在电力系统中为了故障电流限制使用超导体的电力电路保护设备，并且更具体地说，涉及一种使用超导体的电力电路保护设备，该设备适当地用在从断路器的断路操作起在预定时间内需要断路器的重新闭合功能的环境中。
背景技术
一般地，在电力系统中，故障电流限制器(FCL)用来通过减小在诸如电气短路电流之类的故障电流的产生中的电流，限制施加到母线、绝缘体及断路器上的机械、热和电应力。因此，在电力系统中有对于FCL的增加需要，该FCL可限制由大电功率能量消耗造成的大故障电流。然而，可应用于电力系统的超导体FCL的发展由于技术困难和高成本已经延迟。
随着高温超导体的发展，已经值得注意的是，开发一种使用超导体的非线性电压-电流特性的超导体FCL。另外，自1987年已经开发了把液氮用作冷却剂的高温超导体FCL。
当在电力系统中产生故障电流时，连接到电力系统上的超导体在短时间内从不具有电阻的超导状态过渡到具有大电阻的电阻器状态，这叫做熄弧特性。高温超导体FCL使用超导体的这种熄弧特性。建议的是各种类型的超导体FCL，如电阻器类型FCL、电感类型FCL及混合类型FCL。
另一方面，在其中用于输电和配电的多种线路已经安装在地面上的国家中，如韩国和日本，当由于线路的暴露发生意外错误或一次错误时，为了迅速恢复电力供给，要求断路器在预定时间，例如，从电路断开，即断路操作，起0.3至1秒，之后自动地重新闭合。在从断路器的断路操作起在预定时间内要求断路器的重新闭合功能的环境中，难以把超导体元件用作FCL。在由于诸如用于输电和配电的线路(下文，称作‘电路’)上的电气短路电流之类的故障电流超导体元件从超导状态断开到电阻状态的情况下，为了把电阻状态过渡到超导状态而供给从超导体的环境蒸发的冷却剂并且冷却超导体元件占用远比1秒长的时间。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种把超导体用作FCL的电力电路保护设备，该设备可满足从故障电流中断起在预定时间内需要电路重新闭合的电力系统的条件。
本发明的另一个目的在于提供一种把超导体用作FCL的电力电路保护设备，该设备可满足以上条件并且削减生产成本。
为了实现这些和其它优点并且按照这里实施和广义描述的本发明的目的，提供有一种使用超导体的电力电路保护设备，该设备包括：
主断路器，连接到电力供给线路上，用来当故障电流流过线路时电气断开线路，并且在预定时间之后重新闭合线路；
第一超导体元件，串联连接到主断路器上，当流过线路的电流正常时保持在超导状态下，及当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
第一辅助开关，连接在第一超导体元件与主断路器之间，并且可切换到在第一超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
第二超导体元件，并联连接到第一超导体元件和第一辅助开关上，并且当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
第二辅助开关，串联连接到第二超导体元件上，并联连接到第一超导体元件和第一辅助开关上，及可切换到在第二超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
第一监视单元，连接到第一超导体元件上，用来根据第一超导体元件的电阻变化探测跨过第一超导体元件的电压，当跨过第一超导体元件的电压等于或大于预定电平时，第一监视单元把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路断开位置、并把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路闭合位置；及
第二监视单元，连接到第二超导体元件上，用来根据第二超导体元件的电阻变化探测跨过第二超导体元件的电压，当跨过第二超导体元件的电压等于或大于预定电平时，第二监视单元把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路断开位置、并把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路闭合位置。
也提供有一种使用超导体的电力电路保护设备，该设备包括：
主断路器，连接到电力供给线路上，用来当故障电流流过线路时电气断开线路，并且在预定时间之后重新闭合线路；
超导体元件，串联连接到主断路器上，当流过线路的电流正常时保持在超导状态下，及当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
辅助开关，连接在超导体元件与主断路器之间，并且可切换到在超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
电抗器，并联连接到超导体元件和辅助开关上，用来把旁通路径提供给流到主断路器的电流，并且限制流过该路径的电流；及
监视单元，连接到超导体元件上，用来根据超导体元件的电阻变化探测跨过超导体元件的电压，当跨过超导体元件的电压等于或大于预定电平时，监视单元把切换控制信号供给到辅助开关以切换到电路断开位置。
当联系附图进行时，由本发明的如下详细描述，本发明的以上和其它目的、特征、方面及优点将变得更明白。
附图说明
包括以提供本发明的进一步理解并且包括在本说明书中和构成其一部分的附图，表明本发明的实施例并且与描述一起用来解释本发明的原理。
在附图中：
图1A是方块图，表明按照本发明第一实施例的一种使用超导体的电力电路保护设备；
图1B是示意方块图，表明按照本发明的监视单元的详细结构；
图2是表格，表示当正常电流、第一故障电流及第二故障电流分别在电路上流动时主断路器、第一辅助开关及第二辅助开关的断开或闭合状态；及
图3是方块图，表明按照本发明第二实施例的一种使用超导体的电力电路保护设备。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的优选实施例，这些优选实施例的例子表明在附图中。
现在参照图1A，将解释按照本发明第一实施例的一种使用超导体的电力电路保护设备。
使用超导体的电力电路保护设备包括主断路器27，该主断路器27连接到电力供给线路上并且常闭，当故障电流流过线路时，用来电气断开线路，并且在预定时间之后重新闭合线路。
在对其应用本发明的电力系统中使用的电压级范围从几十kV(千伏)到几百kV，所谓的超高压。因此，诸如真空断路器之类的高压断路器可优选地用作主断路器27。真空断路器在市场上可容易地得到。
在设备中包括的第一超导体元件21串联连接到主断路器27上，当流过线路的电流正常时保持在超导状态下，及当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻。
在设备中包括的第一辅助开关25连接在第一超导体元件21与主断路器27之间，并且可切换到在第一超导体元件21与主断路器27之间的电路的断开位置或闭合位置。
在设备中包括的第二超导体元件22并联连接到第一超导体元件21和第一辅助开关25上，并且当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻。
按照本发明的第一实施例，第一超导体元件21的预定阈值电流大体与第二超导体元件22的预定阈值电流相同。
第二辅助开关26串联连接到第二超导体元件22上，并且也并联连接到第一超导体元件21和第一辅助开关25上。第二辅助开关26可切换到在第二超导体元件22与主断路器27之间的电路的断开位置或闭合位置。
第一辅助开关25是常闭开关，并且第二辅助开关26是常开开关。
第一监视单元23接到第一超导体元件21上，用来根据第一超导体元件21的电阻变化探测跨过第一超导体元件21的电压。当跨过第一超导体元件21的电压等于或大于预定电平时，第一监视单元23把第一切换控制信号供给到第一辅助开关25以切换到电路断开位置，并把第二切换控制信号供给到第二辅助开关26以切换到电路闭合位置。
第二监视断开单元24接到第二超导体元件22上，用来根据第二超导体元件22的电阻变化探测跨过第二超导体元件22的电压。当跨过第二超导体元件22的电压等于或大于预定电平时，第二监视断开单元24把第二切换控制信号供给到第二辅助开关26以切换到电路断开位置，并把第一切换控制信号供给到第一辅助开关25以切换到电路闭合位置。
如在图1B中表明的那样，第一和第二监视断开单元23和24每个分别包括：比较器COMP.，用来把跨过第一超导体元件21的探测电压与预定基准电压REF相比较；和信号发生器SIG.GENERATOR，用来把第一和第二切换控制信号供给到第一和第二辅助开关25和26。
现在将参照图2、1A和1B，描述按照本发明第一实施例的电力电路保护设备的操作。
图2是表格，表示当正常电流、第一故障电流及第二故障电流分别在电路上流动时主断路器27、第一辅助开关25及第二辅助开关26的断开或闭合状态。
当正常电流在图1A的设备，特别是对其已经安装设备的电力电路，上流动时，正常电流通过不具有电阻的第一超导体元件21流入，并且通过常闭第一辅助开关25和常闭主断路器27流出。这里，常开第二辅助开关26是断开的。因而，当正常电流在电力电路上流动时，阻塞第二超导体元件22和第二辅助开关26的电流路径。图2简要地表示在正常电流情况下主断路器27、第一辅助开关25及第二辅助开关26的切换状态。
在其中诸如第一电气短路电流之类的故障电流在对其已经安装设备的电力电路上产生的状态下，现在将解释设备的操作。
当故障电流等于或大于第一超导体元件21的阈值电流时，第一超导体元件21断开从而限制故障电流。由第一超导体元件21限制的故障电流由断开操作，即主断路器27的断开，完全阻塞。
为了在临时故障产生时连续地供给电力，主断路器27在预定时间，例如0.3至1秒，内重新闭合。
监视跨过第一超导体元件21的电压的第一监视单元23根据第一超导体元件21的电阻变化探测跨过第一超导体元件21的电压，并且把探测电压与预定基准电压相比较。
作为比较结果，如果跨过第一超导体元件21的电压等于或大于基准电压，则第一监视单元23把第一切换控制信号供给到第一辅助开关25以切换到电路断开位置，并把第二切换控制信号供给到第二辅助开关26以切换到电路闭合位置。
参照图1B现在将解释第一监视单元23的操作。当正常电流流动时，没有电阻。因此，跨过第一超导体元件21的电压是零。然而，如上所述，当第一故障电流在电路上流动超过第一超导体元件21的阈值电流时，第一超导体元件21断开从而具有电阻。因而，跨过第一超导体元件21的电压升高。图1B的比较器COMP.把跨过第一超导体元件21的探测电压与预定成保护第一超导体元件21的基准电压相比较。作为比较结果，如果跨过第一超导体元件21的探测电压等于或大于预定基准电压，则比较器COMP.供给例如高电平输出信号以通知结果。连接到比较器COMP.的输出上的信号发生器SIG.GENERATOR响应这个高电平输出信号，产生和输出用来断开第一辅助开关25的第一切换控制信号和用来闭合第二辅助开关26的第二切换控制信号。结果，第一辅助开关25被断开，并且第二辅助开关26被闭合。
优选地，第一和第二辅助开关25和26的切换在主断路器27断开之后在重新闭合之前完成。
按照本发明的第一实施例，当第一故障电流如图2中所示流动时，设备的操作可概括为主断路器27、第一辅助开关25及第二辅助开关26的切换状态。
由于主断路器27被重新闭合，所以在电力供给电路中，电流通过第二超导体元件22流入，穿过第二辅助开关26，及通过主断路器27流出。
另一方面，当在第一临时故障电流的产生之后第二临时电气短路电流在电力电路上产生时，或者当第一故障电流连续地在电路上流动很长时间(永久故障)时，现在将描述设备的操作。
当故障电流流动得超过第二超导体元件22的阈值电流时，第二超导体元件22断开从而限制故障电流，并且主断路器27被断开以阻塞故障电流。
为了在临时错误产生时连续地供给电力，主断路器27在预定时间，例如0.3至1秒，内被重新闭合。
当第二超导体元件22被断开时，第二监视单元24根据第二超导体元件22的电阻变化探测跨过第二超导体元件22的电压，并且把探测电压与预定基准电压相比较。
作为比较结果，如果跨过第二超导体元件22的电压等于或大于基准电压，则第二监视单元24把第一切换控制信号供给到第一辅助开关25以切换到电路闭合位置，并且把第二切换控制信号供给到第二辅助开关26以切换到电路断开位置。
当第二故障电流临时产生时，电流通过第一超导体元件21流入，穿过第一辅助开关25，及通过主断路器27流出。
当第二临时故障电流在第一故障电流的产生之后产生时，设备的操作可概括为主断路器27、第一辅助开关25及第二辅助开关26的切换状态，如图2所示。
在故障电流是从第一故障电流的产生维持的永久故障电流的情况下，主断路器27被断开，在0.3至1秒内重新闭合，重新断开，及保持在断开状态下。因而，直到故障电流的原因被除去并且主断路器27被人工恢复到电流施加位置，电力电路被完全断开。
现在将参照图3，描述按照本发明第二实施例的一种使用超导体的电力电路保护设备的结构和操作。现在将解释本发明第一和第二实施例的电力电路保护设备之间的区别。
与第一实施例的设备相比，第二实施例的设备不包括第二超导体元件22、第二辅助开关26及第二监视单元24，并且另外包括电抗器42。
因此，现在将主要解释电抗器42的结构和操作。
在图3中，附图标记41指示结构和功能与第一超导体元件21和第二超导体元件22相同的超导体元件。附图标记43指示用来通过探测跨过超导体元件41的电压、把跨过超导体元件41的电压与基准电压相比较、及当跨过超导体元件41的电压等于或大于基准电压时断开辅助开关44而保护超导体元件41的监视单元。监视单元43在结构和功能上与第一监视单元23和第二监视单元24相同。
以相同方式，辅助开关44在结构和功能上与第一辅助开关25及第二辅助开关26相同。
电抗器42并联连接到超导体元件41和辅助开关44上，用来把旁通路径提供给流到主断路器45的电流，并且限制流过路径的电流。
电抗器42可由用来限制流过路径的电流的电阻器元件、电感性元件及电容性元件的任一种代替。
现在将解释按照本发明第二实施例的使用超导体的电力电路保护设备的操作。
当第一故障电流在对其已经连接设备的电力电路上产生时，如果故障电流等于或大于超导体元件41的阈值电流，则超导体元件41断开从而限制故障电流。由超导体元件41限制的电流由断开操作，即主断路器45的断开，完全阻塞。
为在临时错误产生时连续地供给电力，主断路器45在预定时间，例如0.3至1秒，内重新闭合。
监视跨过超导体元件41的电压的监视单元43根据超导体元件41的电阻变化探测跨过超导体元件41的电压，并且把探测电压与预定基准电压相比较。
作为比较结果，如果跨过超导体元件41的电压等于或大于基准电压，则监视单元43把切换控制信号供给到辅助开关44以切换到电路断开位置。
优选地，辅助开关44的切换在主断路器45断开之后在重新闭合之前完成。
因为主断路器45被重新闭合，所以在电力供给电路中，电流通过电抗器42流入并且通过主断路器45流出。
另一方面，当在第一临时故障电流的产生之后第二临时电气短路电流在电力电路上产生时，或者当第一故障电流连续地在电路上流动很长时间(永久故障)时，现在将描述设备的操作。
由于已经阻塞穿过超导体元件41的电流路径，所以故障电流通过是旁通路径的电抗器42流到主断路器45。故障电流由电抗器42限制，并且最后由主断路器45阻塞。
因而，当故障电流临时产生时，电流通过电抗器42流入并且通过主断路器45流出而没有中断。
在故障电流是从第一故障电流的产生维持的永久故障电流的情况下，主断路器45被断开，在0.3至1秒内重新闭合，重新断开，及保持在断开状态下。因此，直到故障电流的原因被除去并且主断路器45被人工恢复到电流施加位置，电力电路被完全断开。
如早先描述的那样，按照本发明的第二实施例，与第一实施例相同，使用超导体的电力电路保护设备在从故障电流阻塞起在预定时间内可重新闭合电路。另外，电力电路保护设备包括一个超导体元件，并且采用诸如具有电流限制功能的电抗器之类的电流限制元件作为并联旁通路径，由此削减生产成本。
由于本发明可以以几种形式实施而不脱离其精神或基本特性，所以也应该理解，上述实施例不由以上描述的任何细节限制，除非另有说明，而是应该在附属权利要求书中所限定的其精神和范围内广义地理解，并因此，落在权利要求书的边界、或这样的边界等效物内的所有变更和修改因此打算由附属权利要求书包括。

Claims (6)

1.一种使用超导体的电力电路保护设备，包括：
主断路器，连接到电力供给线路上，用来当故障电流流过线路时电气断开线路，并且在预定时间之后重新闭合线路；
第一超导体元件，串联连接到主断路器上，当流过线路的电流正常时保持在超导状态下，及当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
第一辅助开关，连接在第一超导体元件与主断路器之间，并且可切换到在第一超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
第二超导体元件，并联连接到第一超导体元件和第一辅助开关上，并且当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
第二辅助开关，串联连接到第二超导体元件上，并联连接到第一超导体元件和第一辅助开关上，及可切换到在第二超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
第一监视单元，连接到第一超导体元件上，用来根据第一超导体元件的电阻变化探测跨过第一超导体元件的电压，当跨过第一超导体元件的电压等于或大于预定电平时，第一监视单元把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路断开位置、并把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路闭合位置；及
第二监视单元，连接到第二超导体元件上，用来根据第二超导体元件的电阻变化探测跨过第二超导体元件的电压，当跨过第二超导体元件的电压等于或大于预定电平时，第二监视单元把第二切换控制信号供给到第二辅助开关以切换到电路断开位置、并把第一切换控制信号供给到第一辅助开关以切换到电路闭合位置。
2.根据权利要求1所述的电力电路保护设备，其中，第一和第二监视单元每个分别包括：
比较器，用来把跨过第一超导体元件的探测电压与预定基准电压相比较；和
信号发生器，用来把第一和第二切换控制信号供给到第一和第二辅助开关。
3.根据权利要求1所述的电力电路保护设备，其中，第一和第二辅助开关的切换在主断路器的重新闭合之前完成。
4.根据权利要求1所述的电力电路保护设备，其中，第一超导体元件的预定阈值电流大体上与第二超导体元件的预定阈值电流相同。
5.一种使用超导体的电力电路保护设备，包括：
主断路器，连接到电力供给线路上，用来当故障电流流过线路时电气断开线路，并且在预定时间之后重新闭合线路；
超导体元件，串联连接到主断路器上，当流过线路的电流正常时保持在超导状态下，及当流过线路的电流等于或大于预定阈值电流时断开从而具有电阻；
辅助开关，连接在超导体元件与主断路器之间，并且可切换到在超导体元件与主断路器之间的电路的断开位置或闭合位置；
电抗器，并联连接到超导体元件和辅助开关上，用来把旁通路径提供给流到主断路器的电流，并且限制流过该路径的电流；及
监视单元，连接到超导体元件上，用来根据超导体元件的电阻变化探测跨过超导体元件的电压，当跨过超导体元件的电压等于或大于预定电平时，监视单元把切换控制信号供给到辅助开关以切换到电路断开位置。
6.根据权利要求5所述的电力电路保护设备，其中，电抗器可由并联连接到超导体元件和辅助开关上、把旁通路径提供给流到主断路器的电流、及限制流过该路径的电流的电阻器元件、电感性元件及电容性元件的任一种代替。
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