CN211556862U - 一种基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统 - Google Patents

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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Abstract

本实用新型公开了一种基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统，它的组成包括：电力系统(1)，35kV母线(2)，桥路型高温超导限流器(3)，断路器(4)，10kV母线(5)，在两个10kV母线(5)加装桥路型高温超导限流器(3)，当故障电流发生时，流经桥路型高温超导限流器(3)的电流瞬间增大，其电感线圈瞬间产生感抗来阻止瞬间增大的故障电流，同时配合断路器(4)切断供配电系统电路。本实用新型的技术效果：当电网发生短路故障时，超导限流器迅速由稳态转为限流态，呈现很大的反向感应电压并有效限使得电流降低；当故障消除后，超导限流器可以由限流态恢复到稳态，保证电网能够正常运行。

Description

一种基于桥路型超导限流器的35kV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，具体涉及到一种桥路型超导限流器的35kV供配电系统。
背景技术
短路故障对电力系统破坏的严重程度，与短路电流的大小密切相关。在电网发展的初级阶段，电力系统容量小，短路电流水平较低，对因系统短路引发的电流增大问题，一般可以通过更换具有开断能力的开关设备来解决。但是，随着我国电力建设的迅速发展、用电负载的持续增加、低阻抗大容量变压器的应用、发电厂及发电机单机容量的不断提升及各大区电网之间的互联等，使得电力系统的短路电流水平不断提高，从而就对电网中原有的和新投运的开关设备的开断能力提出了更高更苛刻的要求。
一味提高断路器的开断能力无论是在技术还是在经济方面都很困难，而且使用机械断路器开断短路电流通常需要两个甚至更多个周波的时间完成，必要时还需要有限流设备与断路器相配合动作，即利用限流设备将短路容量迅速控制在断路器的切断容量内，保证断路器安全可靠地切断故障线路。这样就可以保护系统设备免遭大短路电流对系统及系统设备的冲击，延长断路器等开关设备和变压器等重要设备的使用寿命，为电力部门和用户带来显著的经济利益。
利用超导材料在正常状态下对电力系统无影响，当发生短路故障时，可以迅速增大阻抗的这一特性，使其成为理想的故障电流限制设备，即超导限流器。
实用新型内容
本实用新型将一种桥路型超导限流器应用于35kV供配电系统，具体技术方案如下：
一种基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统，它的组成包括：电力系统1，35kV母线2，桥路型高温超导限流器3，断路器4，10kV母线5，其特征在于：在两个10kV母线5 加装桥路型高温超导限流器3，当故障电流发生时，流经桥路型高温超导限流器3的电流瞬间增大，其电感线圈瞬间产生感抗来阻止瞬间增大的故障电流，同时配合断路器4切断供配电系统电路。
所述的桥路型高温超导限流器3组成：功率二极管桥路、超导线圈、偏置电源和制冷系统。
所述的超导线圈是根据限流器所在线路的额定电压，确定限流器的超导线圈的标准耐压水平，选择超导线圈的匝间及层间的绝缘材料，根据绝缘材料的电性能，确定超导线圈的匝间及层间的绝缘厚度，从而计算出超导线圈的导体填充系数λ，再计算出超导线圈的全电流密度λJ。
所述的偏置电源是调节桥路型高温超导限流器(3)的动作电流。
本实用新型的技术效果：超导限流器本质上可以认为是一个等价的可变阻抗，其通常分为两种状态：稳态和与限流态。当电网正常运行时，超导限流器处于稳态，所呈现阻抗也较低，因此不会对电网造成影响；当电网发生短路故障时，超导限流器迅速由稳态转为限流态，呈现很大的反向感应电压并有效限使得电流降低；当故障消除后，超导限流器可以由限流态恢复到稳态，保证电网能够正常运行。引入超导限流器不仅可以显著降低断路器的容量，大大降低电网的改造费用及延长电气设备的使用寿命；还将实现对输电线路故障短路电流快速、平稳、有效地限制，为解决输电网安全稳定运行的关键技术难题奠定基础。
附图说明
图1是基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统组成图。
图2是有源式桥路型高温超导限流器结构图。
图3是有源式桥路型高温超导限流器超导线圈偏剖面图。
图4是设置直流偏置放电源的桥路型高温超导限流器系统电路图
图中：1为电力系统，2为35kV母线，3为桥路型高温超导限流器，4为断路器，5为10kV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。
一种基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统，它的组成包括：电力系统1，35kV母线2，桥路型高温超导限流器3，断路器4，10kV母线5，变压器6，其特征在于：在两个10kV母线5加装桥路型高温超导限流器3，当故障电流发生时，流经桥路型高温超导限流器3的电流瞬间增大，其电感线圈瞬间产生感抗来阻止瞬间增大的故障电流，同时配合断路器4切断供配电系统电路。如图1所示。
所述的桥路型高温超导限流器3组成：功率二极管桥路、超导线圈、偏置电源和制冷系统。如图2所示。
所述的超导线圈是根据限流器所在线路的额定电压，确定限流器的超导线圈的标准耐压水平，选择超导线圈的匝间及层间的绝缘材料，根据绝缘材料的电性能，确定超导线圈的匝间及层间的绝缘厚度，从而计算出超导线圈的导体填充系数λ，再计算出超导线圈的全电流密λJ。
所述的偏置电源是调节桥路型高温超导限流器(3)的动作电流。
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：36.75kV/10.5kV，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.有源式桥路型限流器
4.1杜瓦
杜瓦即杜瓦瓶(Dewars)其要结构和各部件功能如下：
外筒体：除保护内桶体外，它还与内桶体形成真空夹层以阻止瓶外热量的侵入，减少瓶内低温液体的自然汽化量；内筒体：储备低温液体；汽化器：通过与外桶内壁的热交换，实现将瓶内的液态气体转化为气态；液阀：控制杜瓦瓶进行液体充灌或从瓶中排出液体；安全阀：当容器的压力大于最大工作压力时自动卸压，其起跳压力略大于最大工作压力；排放阀：在杜瓦瓶灌充液体时，用此阀排放瓶内气相空间的气体，降低瓶内压力，以便快速顺利地灌充液体。其另一作用是杜瓦瓶在储存或其他情况下发生瓶内压力超过最高工作压力时，可用此阀人工排放瓶内的气体，以降低瓶内的压力；压力表：指示瓶内筒的压力；增压阀：此阀开启后，瓶内的液体便会通过增压盘管与外筒壁进行热交换，汽化为气体，进入内筒壁上部的气相空间，使气瓶建立一定的驱动压力(内压)，以便驱动瓶内的低温液体，使其流动；使用阀：用于杜瓦瓶液体汽化回路与用户用气进口端管道通路的开启，也可以用此阀控制气体的流速；液位计：比较直观地指示容器内液面的高低，安装位置应便于操作人员观察和检修。
4.2电感矩阵
通过测量，每个超导带材的分流率依次为0.23、0.21、0.27、0.29，其中0.25是最理想的平衡。尽管在设计过程中没有达到最理想的分流状态，但实际的分流率是符合设计标准的。计算获得的四个带材的分流率依次为0.22、0.22、0.28、0.28。所以，测量结果能与设计值很好地匹配。
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000041
式中，电感矩阵四个自感系数LA、LB、LC、LD(即电感矩阵中的对角线元素)之间的差异很小，只有0.003，但由于强耦合的互感值Mij，耦合系数约为0.99，使得四个带材之间分配到的电流IA、IB、IC、ID出现了一定的差异。
4.3高温超导限流器超导线圈设计
超导线圈是桥路型超导限流器的主要部件，对超导线圈进行设计优化，以确定其最佳尺寸和工作状态，是研制经济实用的超导限流器的基础。下面详细叙述桥路型超导限流器的超导线圈优化设计的基本方法。
(1)超导线圈电感量的确定
电感为L的超导线圈的最大储能为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000051
式中，ILm为超导线圈的最大电流，它是线路发生故障后，断路器在n个半周分开时刻超导线圈中的电流，由偏流I0和电流增值nΔI组成，即
ILm＝I0+nΔI (2)
式中，nΔI是故障发生后由线路电压U＝Umsin(kt)在n个半周内加在超导线圈上的正弦波整流电压引起的。在半个周波内线圈电流的增量为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000052
式中，T是正弦波电压的周期，Ua为U在半周波内的平均值：
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000053
由式(1)～式(4)联解得
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000054
式(5)的右边只有一个变量L，所以Wm是L的函数，由dWm/dL＝0可得到Wm具有最小值时的超导线圈的电感为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000055
按式(6)确定的超导线圈的电感值，对应的是最小的超导线圈。
(2)设计超导线圈用的超导线
通常桥路型超导限流器的超导线圈都绕制成螺管线圈，其电感由线圈的几何尺寸决定，而线圈的几何尺寸取决于绕制超导线圈的超导线的尺寸。
由式(2)、式(3)和式(6)可得
ILm＞2I0 (7)
式(7)表明，按式(6)选择的电感L值，当线路发生故障后，断路器所开断的电流即超导线圈中最大电流总是等于2I0。考虑到线路过载运行，偏流I0＞Im，于是ILm＞2Im。
选定超导线圈载流ILm时的中心场强B0，初估螺管线圈的高度与内径之比值β，用下式近似估算超导线圈的最大场强Bm：
B/B0＝1+0.64/4β (8)
在确定超导线圈的超导线拟达到的短样临界性能的百分数后，借助所用超导体的短样特性Jsc-B曲线，就可以得到超导体的电流密度Jsc(Bm)，从而计算出超导线圈载流ILm时所需的超导体的横截面积，再选用合适的超导线铜超比，就可以确定裸超导线的截面尺寸，并计算出工作电流密度J。
(3)选定超导线圈的绝缘并推算全电流密度
根据限流器所在线路的额定电压，确定限流器的超导线圈的标准耐压水平，选择超导线圈的匝间及层间的绝缘材料，根据绝缘材料的电性能，就可以确定超导线圈的匝间及层间的绝缘厚度，从而估算出超导线圈的导体填充系数λ。这样，就可以计算出超导线圈的全电流密度λJ。
图3为超导线圈剖面图，2a1为其内径，2a2为其外径，2b为其高度。设超导线圈的匝数为N，则载流ILm的超导线圈的全电流密度可以表示为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000061
(4)超导线圈几何尺寸的确定
由于超导线圈的超导线尺寸和绝缘尺寸已经选定，所以超导线圈的绕组平均层厚ω就可以确定。绕制m层的超导线圈的绕组厚度应为
a2-a1＝mω (10)
螺管线圈的中心磁场可以表示为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000062
式中，a＝2a2/(2a1)，β＝2b/(2a1)。
螺管线圈的电感与几何尺寸的关系为
Figure DEST_PATH_GSB0000187895630000063
式中，线圈尺寸的单位为m，电感单位为H，μ0＝4π×10-7H/m。
式(9)-(12)四个方程中，有2a1、2a2、2b、N和m五个未知数。如果选定一个m值，则可以确定一组超导线圈的几何尺寸。对于不同的m，可以得到所对应的不同的几何尺寸。这样，就可以从中优选出一组超导线圈的几何尺寸。
(5)校核超导线圈的工作点及其热和电磁稳定性
对于所得的每一组超导线圈的几何尺寸，应精确计算它们在ILm下的磁场，校核B0、Bm以及超导线圈超导线所达到的短样临界性能的百分数。
为保证超导线圈的安全运行，还要校验超导线圈的电磁应力是否低于其导体的许用应力。同时，要计算超导线圈的热点温度是否低于导体及其结构材料所容许的温度。
(6)超导线圈最佳尺寸的确定
为了取得超导线圈的最佳尺寸，在确定超导线圈的最大储能量具有最小值时的电感之后，选取几个合适的B0值，计算出超导线圈的几组优化的几何尺寸及其对应的超导线重量，可以得到B0与超导线圈所需的超导线重量的关系曲线，从而得到具有最小超导线重量的一组最佳的超导线圈的几何尺寸。
(7)桥路型系统分析
设置直流偏置电源的单相桥路型高温超导限流器的动态仿真电路如图4所示。在超导线圈不失超的前提下，设仿真电路运行到25ms时系统发生三相对地短路，即图4中开关K闭合；电路中系统电源U1取50V，直流偏置电源U2取3V，超导线圈电感量L取10mH，R1、L1和R2、L2分别为系统侧和输电线路侧的阻抗，R3为系统负载电阻，按照数字仿真软件的要求，需要对R4、R5进行设定，这里设置为R4＝R5＝0.1nΩ。因三相电路对称，现仅分析其中的一相。本仿真将研究分析未接入限流器时故障前后系统线路电流的变化及接入限流器后故障前后系统线路电流的变化，从而验证限流器的限流作用。

Claims (4)

1.一种基于桥路型超导限流器的35kV供配电系统，它的组成包括：电力系统(1)，35kV母线(2)，桥路型高温超导限流器(3)，断路器(4)，10kV母线(5)，其特征在于：在两个10kV母线(5)加装桥路型高温超导限流器(3)，当故障电流发生时，流经桥路型高温超导限流器(3)的电流瞬间增大，其电感线圈瞬间产生感抗来阻止瞬间增大的故障电流，同时配合断路器(4)切断供配电系统电路。
2.根据权利要求1所述的35kV供配电系统，其特征在于：所述的桥路型高温超导限流器(3)组成：功率二极管桥路、超导线圈、偏置电源和制冷系统。
3.根据权利要求2所述的35kV供配电系统，其特征在于：所述的超导线圈是根据限流器所在线路的额定电压，确定限流器的超导线圈的标准耐压水平，选择超导线圈的匝间及层间的绝缘材料，根据绝缘材料的电性能，确定超导线圈的匝间及层间的绝缘厚度，从而计算出超导线圈的导体填充系数λ，再计算出超导线圈的全电流密度λJ。
4.根据权利要求2所述的35kV供配电系统，其特征在于：所述的偏置电源是提供调节桥路型高温超导限流器(3)的动作电流。
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