CN210957798U - 一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统，它的组成包括：电力系统(1)，10kV母线(2)，断路器(3)，无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)，变压器(5)，0.4kV母线(6)，在两个断路器(3)之间加装无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)，故障发生时候，无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)失超产生较高电阻，其限流保护作用自动启动直至断路器动作为止，随后无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)从失超状态向正常状态恢复。为了获得有效和足够的失超电阻，采用相邻导线间电流反向即无感绕制，调整超导体的长度、横截面积或临界电流密度都能够改变限流电阻的增长速度和最终可以达到的电阻值。

Description

一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统
技术领域
本实用新型涉及交流供配电技术领域，具体涉及到一种电阻型超导限流器的10kV供配电系统。
背景技术
近年来，社会经济迅猛增长，负荷需求量与日俱增，使得电力电源不断新建扩容、电网结构更趋紧凑、负荷不断密集，这些给国内电网带来了短路电流超标的困扰。电网短路电流的超标不同程度上影响着电网的安全稳定运行。
故障限流的另一种措施是装设限流设备，比如线路安装故障限流器。其功能在于，当线路正常运行时它的阻抗很小，当一次设备发生故障时它的阻抗很大，阻抗的增加可以降低短路电流的大小，从而达到在限制短路电流水平的同时又不影响电力系统正常运行的目的。以往的限流器一定程度上存在一些欠缺，从而未能进入电网实际运用阶段。比如，有些给电网增加了附加阻抗，带来额外的损耗，影响电网运行经济性，有些会降低电网的供电稳定性等。
几种由不同原理或材料制成的限流器比较下来，由超导材料制成的限流器性能更为突出。超导限流器串接在线路上，线路正常运行时，它的阻抗趋近于零，电网故障发生时，超导限流器的阻抗瞬间增大，限制短路电流在预设范围内，当电网恢复正常，它能很快恢复零阻抗状态。
实用新型内容
本实用新型将一种电阻型超导限流器应用于10kV供配电系统，具体技术方案如下：
一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统，它的组成包括：电力系统1，10kV母线2，断路器3，无感线圈式电阻型高温超导限流器4，变压器5，0.4kV母线6，在两个断路器3之间加装无感线圈式电阻型高温超导限流器4，故障发生时候，无感线圈式电阻型高温超导限流器4失超产生较高电阻，其限流保护作用自动启动直至断路器动作为止，随后无感线圈式电阻型高温超导限流器4从失超状态向正常状态恢复。
所述的无感线圈式电阻型高温超导限流器4的组成：无感绕线及绕线筒、电流引线、制冷机、真空室、液氮装置及接入端口。
所述的无感绕线采用高温超导长导线进行无感绕制成螺旋管形状。
所述的螺旋管形状是采用末端连接形。
本实用新型的技术效果：电阻型超导限流器，具有结构简单、限流效果明显、限流速度快等特点，未来在电网中的应用前景广阔；为了获得有效和足够的失超电阻，采用相邻导线间反向电流相互抵消磁场的原理，即无感绕制；超导体的参数对电阻型高温超导限流器的限流性能有直接影响，调整超导体的长度、横截面积或临界电流密度都能够改变限流电阻的增长速度和最终可以达到的电阻值。
附图说明
图1是基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统组成图。
图2是无感线圈式电阻型高温超导限流器结构图。
图3是无感线圈绕制连接图。
图4是具有电阻型限流器的单机-无穷大系统图
图中：1为电力系统，2为10kV母线，3为断路器，4无感线圈式电阻型高温超导限流器，5为变压器，6为0.4kV母线。
具体实施方式
1.下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
本实用新型将一种电阻型超导限流器应用于10kV供配电系统，具体技术方案如下：
一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统，它的组成包括：电力系统1，10kV母线2，断路器3，无感线圈式电阻型高温超导限流器4，变压器5，0.4kV母线6，在两个断路器3之间加装无感线圈式电阻型高温超导限流器4，故障发生时候，无感线圈式电阻型高温超导限流器4失超产生较高电阻，其限流保护作用自动启动直至断路器动作为止，随后无感线圈式电阻型高温超导限流器4从失超状态向正常状态恢复。如图1所示。
所述的无感线圈式电阻型高温超导限流器4的组成：无感绕线及绕线筒、电流引线、制冷机、真空室、液氮装置及接入端口。如图2所示。
所述的无感绕线采用高温超导长导线进行无感绕制成螺旋管形状。如图3所示。
所述的螺旋管形状是采用末端连接形。如图3所示。
2.降压变压器
降压变压器是把指输入端的较高电压，转换为输出相对偏低的理想电压，从而达到降压的目的的变压器。降压变压器是输变电系统中十分重要的设备，其正常运行不仅关系到本身的安全、用户的可靠供配电，而且直接影响电力系统的稳定。
降压变压器保护的配置应该满足在任何情况下，都不能烧毁变压器，使事故扩大，影响电力系统的稳定。详细介绍了其工作原理、继电保护原理、运行条件、操作及要求以及异常运行和处理方法。
本实用新型选择的降压变压器为：10.5kV/0.4kV，1000kVA。
3.断路器
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。
断路器可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前，已获得了广泛的应用。
断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
当短路时，大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大，动作时间越短)。
有电子型的，使用互感器采集各相电流大小，与设定值比较，当电流异常时微处理器发出信号，使电子脱扣器带动操作机构动作。
断路器的特性主要有：额定电压Ue；额定电流In；过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im) 的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器Icu；家用断路器Icn)等。
额定工作电压(Ue)：这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。
额定电流(In)：这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。
4.无感线圈式电阻型高温超导限流器
4.1无感线圈绕制
为获得有效和足够高的失超电阻，可采用高温超导长导线进行无感绕制，制备超导限流元件。无感线圈结构的基本原理是基于相邻导线间反向电流相互抵消磁场的原理。结构可以划分为如下三种基本结构：圆盘形、螺旋管末端连接形和螺旋管末端断开形。其中螺旋管末端连接形如图3所示。
4.2无感线圈式电阻型高温超导限流器基本结构
组成：无感绕线及绕线筒、电流引线、制冷机、真空室、液氮装置及接入端口。如图2所示。液氮的容量为1300L，通过旋转泵将液氮的饱和温度77K冷却到65K。7h之后，获得65K、0.12bar的饱和液氮。然后，用气态氦将0.12bar的低温冷却系统加压到3bar，并通过GM制冷机实现低温系统稳定长期的操作。由于传导和辐射产生的热损耗约为105W，工作电流630A产生的交流损耗约为92W，所以正常工作时，整体损耗约为197W。从高温超导限流器的安全因素角度出发，选择65K时制冷能力为270W的AL300作为制冷机。在制冷机的冷头处安装热板，可以促进液氮的对流。
4.3具有电阻型限流器的单机-无穷大系统
图4为一个由同步电机和传输系统连接到母线组成的简单的电力系统。如前所述，稳态条件RSFCL为0。当发生三相短路或接地故障时，会有一个故障电阻Rf作用于母线，高温超导限流器立即向输电线路串联一个电阻RSFCL，如图4所示。
4.4电阻型与配电系统继电保护的配合
配电系统多采用电流三段式保护，电阻型高温超导限流器的接入会使短路电流显著减小，因此会降低所在线路保护的灵敏度或缩小保护范围，造成保护拒动或给保护之间的配合带来困难，导致故障无法及时、准确地切除，进而破坏系统稳定，损坏设备。
超导体的参数对电阻型高温超导限流器的限流性能有直接影响，调整超导体的长度、横截面积或临界电流密度都能够改变限流电阻的增长速度和最终可以达到的电阻值。
(1)超导体长度对限流电阻的影响
超导体越长，失超后限流电阻增长也越快，而且，当使用较长的超导体时，失超后温升也比较缓慢，有利于避免超导体过热击穿。投入电阻型高温超导限流器后，如果故障电流不能达到电流保护的动作值，则可以适当减小超导体的长度，从而减小失超后的限流电阻，使电流保护做出正确反应。
(2)超导体横截面积对限流电阻的影响
超导体横截面积越小，失超后产生的限流电阻越大，投入电阻型高温超导限流器后，如果故障电流不能达到电流保护的动作值，则可以适当增大超导体的横截面积，从而减小失超后的限流电阻，使电流保护做出正确反应。
(3)超导体临界电流密度对限流电阻的影响
临界电流密度越小，超导体失超越早，对故障电流第一个峰值的限制效果也越好。但临界电流密度对正常态电阻的影响不大，投入电阻型高温超导限流器后，如果故障电流不能达到电流速断保护的动作值，则可以适当增大超导体的临界电流密度，从而推迟失超发生时间，减小限流电阻对于故障电流第一个峰值的限制作用，有利于电流速断保护做出正确反应。
(4)通过给超导体并联常规阻抗来调整限流阻值
当调整超导体参数难以同时满足电网对电阻型高温超导限流器限流能力的要求和保护的灵敏性要求时，可以采用给超导体并联常规阻抗的办法来解决电阻型高温超导限流器与配电网继电保护的配合问题。电网正常运行时，由于超导体阻抗几乎为零，线路电流全部从超导部件流过，对系统无影响；故障发生后，超导体失超产生非线性高电阻，一部分短路电流将转移至常规阻抗路径，这时的限流电阻其实是超导体和常规阻抗的并联组合，通过整定常规阻抗值，就可以达到与继电保护装置相配合的目的。同时，由于旁路阻抗为超导体分担了一定的短路电流，所以可以降低超导体本身的温升，便于失超恢复，并有效避免热击穿。
假设超导体的失超电阻为RSFCL，则并联阻抗的整定步骤如下：
(1)假设常规阻抗值为Zshunt。
(2)计算并联常规阻抗后，在系统最小运行方式下，当AB线路15％处发生两相短路故障时，保护K1检测到的故障电流Ik1为
Figure BSA0000194236360000051
(3)计算在系统最小运行方式下，当线路AB末端F1点发生两相短路故障时，保护K1检测到的故障电流Ik2为
Figure BSA0000194236360000052
(4)计算在系统最大运行方式下，当保护出口F3点发生三相短路故障时，保护K1检测到的故障电流Ik3为
Figure BSA0000194236360000053
(5)假设断路器的额定开断电流为Ibr，则考虑到电流速断和限时电流速断保护的灵敏度要求和断路器的开断能力限制，故障电流值必须满足
Figure BSA0000194236360000054
式中，Ksen为限时电流速断的灵敏系数。根据不同的线路参数，由上式可以计算出并联阻抗Zshunt的取值范围。

Claims (4)

1.一种基于电阻型超导限流器的10kV供配电系统，它的组成包括：电力系统(1)，10kV母线(2)，断路器(3)，无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)，变压器(5)，0.4kV母线(6)，其特征在于：在两个断路器(3)之间加装无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)，故障发生时候，无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)失超产生较高电阻，其限流保护作用自动启动直至断路器动作为止，随后无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)从失超状态向正常状态恢复。
2.根据权利要求1所述的10kV供配电系统，其特征在于：所述的无感线圈式电阻型高温超导限流器(4)的组成：无感绕线及绕线筒、电流引线、制冷机、真空室、液氮装置及接入端口。
3.根据权利要求2所述的10kV供配电系统，其特征在于：所述的无感绕线采用高温超导长导线进行无感绕制成螺旋管形状。
4.根据权利要求3所述的10kV供配电系统，其特征在于：所述的螺旋管形状是采用末端连接形。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112688287A (zh) * 2021-01-19 2021-04-20 中天集团上海超导技术有限公司 一种渐开式超导故障限流器限流单元

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