RU2321131C1 - Ultra-conductive limiter of short circuit currents - Google Patents
Ultra-conductive limiter of short circuit currents Download PDFInfo
- Publication number
- RU2321131C1 RU2321131C1 RU2006145577/09A RU2006145577A RU2321131C1 RU 2321131 C1 RU2321131 C1 RU 2321131C1 RU 2006145577/09 A RU2006145577/09 A RU 2006145577/09A RU 2006145577 A RU2006145577 A RU 2006145577A RU 2321131 C1 RU2321131 C1 RU 2321131C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- circuit
- switch
- current
- capacitor
- limiter
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
- Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment
Landscapes
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, а именно к силовой коммутационной аппаратуре, и предназначено для защиты электрооборудования от токов короткого замыкания (КЗ).The invention relates to the field of electrical engineering, namely to power switching equipment, and is intended to protect electrical equipment from short circuit currents (short circuit).
Для защиты электрооборудования в цепях переменного и постоянного тока от токов КЗ применяются устройства, ограничивающие уровень тока до допустимого уровня. Одним из перспективных токоограничивающих устройств является ограничитель токов КЗ, основанный на высокотемпературных сверхпроводниках (ВТСП).To protect electrical equipment in AC and DC circuits from short-circuit currents, devices are used that limit the current level to an acceptable level. One of the promising current-limiting devices is a short-circuit current limiter based on high-temperature superconductors (HTSC).
Известны ВТСП ограничители тока резистивного типа [1]. Такое устройство ограничивает ток КЗ за счет сильной нелинейности вольтамперной характеристики сопротивления сверхпроводника при переходе из сверхпроводящего в нормальное состояние. Рассматриваются два вида исполнения резистивного токоограничителя: последовательное и шунтирующее. В последовательном ограничителе ВТСП включен последовательно с нагрузкой, а ток ограничивается за счет увеличения сопротивления в фазе токоограничения. Эта конструкция может ограничивать одиночные КЗ с восстановлением работоспособности через несколько минут, требуемых для охлаждения сверхпроводника до рабочей температуры. В шунтирующей схеме используется внешнее сопротивление, включенное параллельно сверхпроводнику. С увеличением тока КЗ при переходе сверхпроводника в нормальное состояние ограничение тока обеспечивается внешним сопротивлением. При шунтирующем исполнении ограничитель позволяет уменьшить время, требуемое для охлаждения сверхпроводника до рабочей температуры. Экономическая целесообразность создания резистивных ограничителей в значительной степени определяется требуемым объемом сверхпроводника V~I2Rdt, который в основном определяется сопротивлением в нормальном состоянии R, амплитудой тока I и длительностью воздействия dt тока КЗ.Known HTSC resistive current limiters [1]. Such a device limits the short-circuit current due to the strong nonlinearity of the current-voltage characteristics of the resistance of a superconductor during the transition from the superconducting to the normal state. Two types of resistive current limiter designs are considered: sequential and shunt. In the series limiter, the HTSC is connected in series with the load, and the current is limited by increasing the resistance in the current limiting phase. This design can limit single faults with restoration of operability after a few minutes are required to cool the superconductor to operating temperature. The shunt circuit uses an external resistance connected in parallel with the superconductor. With an increase in short-circuit current during the transition of the superconductor to a normal state, current limitation is provided by an external resistance. In the shunt version, the limiter reduces the time required to cool the superconductor to operating temperature. The economic feasibility of creating resistive limiters is largely determined by the required volume of the superconductor V ~ I 2 Rdt, which is mainly determined by the resistance in the normal state R, the current amplitude I and the duration of the short-circuit current dt.
Недостатком этого устройства является длительное время воздействия токов КЗ на сверхпроводник порядка нескольких (5-10) полуволн переменного тока до тех пор, пока силовой выключатель не отключит поврежденный участок цепи. Поэтому для реализации сверхпроводящего ограничителя тока данного типа потребуется значительный объем сверхпроводника.The disadvantage of this device is the long exposure time of short-circuit currents to a superconductor of the order of several (5-10) half-waves of alternating current until the power switch disconnects the damaged section of the circuit. Therefore, the implementation of a superconducting current limiter of this type will require a significant amount of superconductor.
Известен сверхпроводящий ограничитель тока, содержащий ВТСП и последовательно подсоединенный к нему быстродействующий выключатель, который отключает ток в первом нуле переменного тока [2]. Сигнал для запуска выключателя формируется при повышении напряжения на ВТСП в момент его перехода из сверхпроводящего состояния в нормальное проводящее состояние.Known superconducting current limiter containing HTSC and connected in series to it a high-speed switch that disconnects the current in the first zero of the alternating current [2]. The signal for starting the circuit breaker is formed when the voltage increases on the HTSC at the moment of its transition from the superconducting state to the normal conducting state.
Недостатком данного устройства является большой объем сверхпроводника и невозможность прерывания постоянного тока.The disadvantage of this device is the large volume of the superconductor and the inability to interrupt the DC current.
Ближайшим техническим решением к предлагаемому является устройство, содержащее параллельно соединенные ВТСП и конденсатор, последовательно к которым подсоединен быстродействующий выключатель, который после перехода ВТСП в нормальное состояние отключает ток при первом его прохождении через нуль [3]. Конденсатор служит для генерирования переменного тока, зависящего от емкости конденсатора и индуктивности внешней цепи, с более высокой частотой, чем частота сети. Для затухания колебаний тока параллельно к ВТСП, шунтированному конденсатором, подключается сопротивление. Управляющий импульс на размыкание контактов выключателя формируется при появлении тока или напряжения в цепи конденсатора при переходе сверхпроводника в нормальное состояние.The closest technical solution to the proposed one is a device containing a parallel-connected HTSC and a capacitor, in series with which a high-speed switch is connected, which, after the HTSC transitions to its normal state, turns off the current when it passes through zero for the first time [3]. The capacitor is used to generate alternating current, depending on the capacitance of the capacitor and the inductance of the external circuit, with a higher frequency than the network frequency. To damp current oscillations, a resistance is connected in parallel to the HTSC shunted by the capacitor. A control pulse for opening the contacts of the switch is formed when a current or voltage appears in the capacitor circuit when the superconductor enters a normal state.
Недостатками этого устройства является то, что для перевода тока в выключателе через ноль за время менее длительности первой полуволны тока КЗ при допустимой емкости конденсатора потребуется существенно увеличить сопротивление ВТСП в нормальном состоянии, которое зависит от параметров внешней цепи, а следовательно, и его объем и, соответственно стоимость ограничителя.The disadvantages of this device is that in order to transfer the current in the circuit breaker through zero for a time less than the duration of the first half-wave of the short-circuit current with an acceptable capacitor capacity, it will be necessary to significantly increase the resistance of the HTSC in the normal state, which depends on the parameters of the external circuit, and therefore its volume and, accordingly the cost of the limiter.
Целью предложенного решения является уменьшение объема сверхпроводника при сравнимых режимах токоограничения, обеспечение способности ограничителя выдерживать несколько КЗ, следующих одно за другим через короткие промежутки времени, и независимости сопротивления ВТСП от параметров внешней цепи, а также уменьшение стоимости ограничителя.The aim of the proposed solution is to reduce the volume of the superconductor under comparable current limiting conditions, to ensure the ability of the limiter to withstand several short-circuit, following one after another at short intervals, and the independence of the resistance of the HTSC from the parameters of the external circuit, as well as to reduce the cost of the limiter.
Указанная цель достигается тем, что в сверхпроводящем ограничителе токов КЗ, содержащем параллельно соединенные ВТСП с сопротивлением в нормальном состоянии R и цепь с конденсатором С, последовательно к которым подсоединен выключатель. Новым является то, что в цепи, параллельной сверхпроводнику, последовательно с конденсатором подсоединено линейное сопротивление Z, а параллельно к участку цепи, содержащему выключатель и конденсатор, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L и быстродействующим коммутатором, причем должны выполняться соотношенияThis goal is achieved by the fact that in the superconducting current limiter KZ, containing parallel connected high-temperature superconductors with resistance in the normal state R and a circuit with capacitor C, to which a switch is connected in series. What is new is that in a circuit parallel to the superconductor, a linear resistance Z is connected in series with the capacitor, and in parallel with a section of the circuit containing a switch and a capacitor, a chain is connected in series with the inductance L and the high-speed switch, and the relations
где R - сопротивление ВТСП в нормальном состоянии, Z - линейное сопротивление, подсоединенное последовательно с конденсатором С, L - индуктивность участка цепи с управляемым коммутатором, LС - индуктивность неповрежденного участка цепи.where R is the resistance of the HTSC in the normal state, Z is the linear resistance connected in series with the capacitor C, L is the inductance of the circuit section with the managed switch, L C is the inductance of the undamaged circuit section.
Изобретение иллюстрируется на фиг.1, где показана принципиальная схема сверхпроводящего ограничителя токов КЗ. На фиг.2-4 приведены диаграммы токов и напряжений в процессе отключения постоянного тока.The invention is illustrated in figure 1, which shows a schematic diagram of a superconducting current limiter KZ. Figure 2-4 shows a diagram of currents and voltages in the process of disconnecting direct current.
Ограничитель содержит ВТСП 1, параллельно которому подсоединена цепочка с последовательно соединенными конденсатором 2 емкостью С и линейным сопротивлением Z 3. Последовательно к параллельно соединенным ВТСП 1 и цепи с конденсатором 2 и сопротивлением 3 подключен выключатель 4, выполненный как быстродействующий выключатель, отключающий ток при его прохождении через ноль. Время срабатывания выключателя 4 должно быть коротким (не более 5 мс), чтобы уменьшить уровень ограничения нарастающего тока КЗ и сократить длительность его воздействия на ВТСП 1. Команда на размыкание контактов выключателя 4 подается при превышении тока уставки в цепи выключателя 4. Параметры ВТСП 1 подбираются таким образом, чтобы он переходил из сверхпроводящего в нормальное состояние незадолго (~1 мс) до разведения контактов выключателя 4.The limiter contains a
Предпочтительнее в качестве быстродействующего выключателя использовать вакуумный выключатель, который отличается коротким временем горения электрической дуги и низким уровнем рассеиваемой в нем энергии. Параллельно выключателю подсоединено нелинейное сопротивление 5 для поглощения энергии, накопленной в индуктивности внешней цепи 6, и ограничения коммутационных перенапряжений при отключении тока. Параллельно к участку цепи, содержащему выключатель 4 и конденсатор 2, подсоединена цепочка с последовательно соединенными индуктивностью L 7 и быстродействующим управляемым коммутатором 8, который включается сразу после размыкания контактов выключателя, причем для отключения токов в выключателе и коммутаторе 8 должны выполняться соотношенияIt is preferable to use a vacuum circuit breaker as a high-speed switch, which is characterized by a short burning time of the electric arc and a low level of energy dissipated in it. In parallel to the switch, a
где LС - индуктивность неповрежденного участка цепи.where L C is the inductance of the undamaged portion of the circuit.
Конденсатор 2 служит для приема энергии при переходе ВТСП 1 в нормальное состояние. При включении коммутатора 8 в LC контуре возникает переменный ток с частотой , который обеспечивает перевод тока КЗ в выключателе 4 через ноль при выполнении соотношений (1) и (2). В качестве быстродействующего управляемого коммутатора 8 предпочтительнее использовать управляемый вакуумный разрядник, который способен быстро включаться (время включения единицы микросекунд) и отключать ток при его уменьшении до нескольких ампер. Линейное сопротивление 3 служит для зарядки конденсатора 2.
Ограничитель способен прерывать как постоянный, так и переменный ток через короткий промежуток времени (1-2 мс) после перехода ВТСП 1 в нормальное состояние, что существенно снижает воздействие токов КЗ на сверхпроводник и способствует быстрому возвращению ВТСП 1 в сверхпроводящее состояние после отключения тока КЗ. При сравнимых параметрах отключаемого тока минимальный объем ВТСП 1 проводника может быть существенно уменьшен по сравнению с известными сверхпроводящими ограничителями токов КЗ.The limiter is able to interrupt both direct and alternating current after a short period of time (1-2 ms) after the transition of the
Ограничитель работает следующим образом.The limiter works as follows.
При нарастании тока КЗ до величины тока уставки I0 вырабатывается команда на разведение контактов выключателя 4. Параметры ВТСП 1 подбираются таким образом, чтобы он переходил из сверхпроводящего состояния в нормальное состояние при токе КЗ I>I0. После перехода сверхпроводника в нормальное состояние происходит зарядка конденсатора 2 до напряжения Uс~IR. В момент разведения контактов выключателя 4 на максимальное расстояние подается команда на включение коммутатора 8. После включения коммутатора 8 ток в выключателе 4 быстро спадает до нуля и он отключает ток. Если сопротивление 3 Z>R, через коммутатор 8 будет протекать переменный ток с частотой который при условии (3) будет переходить через ноль, и коммутатор 8 отключит этот ток. Энергия, накопленная в индуктивности внешней цепи Lc 6, выделится в нелинейном сопротивлении 5 и полный ток быстро спадет до нуля. После возвращения ВТСП 1 в сверхпроводящее состояние ограничитель токов КЗ будет снова готов к работе.When the short-circuit current rises to the value of the set current I 0 , a command is issued to separate the contacts of
В качестве примера рассмотрим режим ограничения тока КЗ в цепи постоянного тока с индуктивностью 6 Lс=2 мГн на номинальное напряжение 4 кВ. Предполагается, что емкость конденсатора 2 составляет С=100 мкФ, индуктивность 7 L=40 мкГн, сопротивление 3 Z=10 Ом, а сопротивление ВТСП 1 в нормальном состоянии R=1 Ом. Ток уставки I0=6 кА, а сверхпроводник 1 переходит в нормальное состояние при I=8 кА. Уровень ограничения напряжения в нелинейном сопротивлении 5 составляет 9 кВ. На фиг.2 показано изменение во времени тока в выключателе 4 (кривая 1), тока в коммутаторе 8 (кривая 2) и тока в ВТСП 1 (кривая 3) при условии, что время разведения контактов выключателя 4 составляет 3 мс. На фиг.3 показано изменение во времени тока в индуктивности внешней цепи 6 (кривая 1), тока в нелинейном сопротивлении 5 (кривая 2) и тока в конденсаторе 2 (кривая 3). На фиг.4 показано изменение во времени напряжения на выключателе 4 (кривая 1), напряжения на ВТСП 1 (кривая 2) и напряжения на конденсаторе 2 (кривая 3). Из расчетных диаграмм токов и напряжений следует, что выключатель 4 отключает ток примерно через 1 мс после перехода сверхпроводника 1 в нормальное состояние, после чего ток в ВТСП 1 спадает до нуля в течение 2 мс.As an example, we consider the short-circuit current limiting mode in a direct current circuit with an inductance of 6 L s = 2 mH to a rated voltage of 4 kV. It is assumed that the capacitance of
Таким образом, в предложенном ограничителе токов КЗ минимальный объем ВТСП 1 согласно V~I2Rdt может быть существенно уменьшен по сравнению с известными сверхпроводящими ограничителями токов КЗ (например, в прототипе сопротивление R составляет 200 Ом).Thus, in the proposed short-circuit current limiter, the minimum amount of
Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 06-08-01483).This work was partially supported by the Russian Foundation for Basic Research (grant No. 06-08-01483).
Источники информацииInformation sources
1. Swarm S. Kaisi, HTS Fault Current Limiter Concept, Proceeding of IEEE Power Engineering Society Meeting, June 6-10. 2004.1. Swarm S. Kaisi, HTS Fault Current Limiter Concept, Proceeding of IEEE Power Engineering Society Meeting, June 6-10. 2004.
2. Заявка Германии № 19939066, класс Н02Н 9/02, опубл. 2001-03-08.2. German application No. 19939066,
3. Патент Германии № 4030413, класс Н02Н 9/02, опубл. 25.4.1991 (прототип).3. German patent No. 4030413,
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006145577/09A RU2321131C1 (en) | 2006-12-22 | 2006-12-22 | Ultra-conductive limiter of short circuit currents |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006145577/09A RU2321131C1 (en) | 2006-12-22 | 2006-12-22 | Ultra-conductive limiter of short circuit currents |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2321131C1 true RU2321131C1 (en) | 2008-03-27 |
Family
ID=39366469
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006145577/09A RU2321131C1 (en) | 2006-12-22 | 2006-12-22 | Ultra-conductive limiter of short circuit currents |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2321131C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487439C1 (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Superconductive circuit breaker |
RU209772U1 (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-23 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Superconducting short-circuit current limiter |
-
2006
- 2006-12-22 RU RU2006145577/09A patent/RU2321131C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2487439C1 (en) * | 2011-12-26 | 2013-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Superconductive circuit breaker |
RU209772U1 (en) * | 2020-08-17 | 2022-03-23 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Superconducting short-circuit current limiter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107342754B (en) | Direct current breaker based on coupling inductance coil and control method thereof | |
US11295912B2 (en) | Arrangement, system, and method of interrupting current | |
US11611207B2 (en) | DC circuit breaker with an alternating commutating circuit | |
Hajian et al. | Evaluation of semiconductor based methods for fault isolation on high voltage DC grids | |
SE1551717A1 (en) | Arrangement, system, and method of interrupting current | |
CN108599120B (en) | Direct current limiting circuit breaker | |
Raghavendra et al. | Modified Z-source DC circuit breaker with enhanced performance during commissioning and reclosing | |
AU2011214562B2 (en) | Surge-limiting device for direct current networks | |
CN113196074A (en) | Hybrid circuit breaker using transient commutation current injection circuit | |
CN106849327B (en) | Alternating current-direct current hybrid circuit breaker and control method | |
US10218170B2 (en) | Current-limiting device utilizing a superconductor for a current-limiting operation | |
RU2695800C1 (en) | Device for dc switching in dc pole of direct voltage network | |
CN102222874A (en) | Direct-current solid-state circuit breaker | |
CA2228397C (en) | A device for connecting a vsc converter to a source of alternating voltage | |
Wu et al. | Research on current limiting solid state circuit breaker for DC microgrid | |
RU2321131C1 (en) | Ultra-conductive limiter of short circuit currents | |
Jehle et al. | Hybrid circuit breaker for HVDC grids with controllable pulse current shape | |
CN105958857A (en) | Inductance energy storage pulse power source utilizing superconductive pulse transformer | |
AU2019341286B2 (en) | Arc-extinguishing circuit and apparatus | |
CN110989442B (en) | Control method of rapid switching system | |
Sen et al. | Application of Surge Arrester in Limiting Voltage Stress at DC Breaker | |
RU209772U1 (en) | Superconducting short-circuit current limiter | |
Radmanesh et al. | Bridge Type Series Resonance Transient Current Limiter for Medium-Voltage Smart Grids Application | |
Cheng et al. | A DC Power Connector with Voltage Spike Suppression | |
Virdag et al. | Performance analysis of counter-current injection based dc circuit breaker with improved capacitor charging circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151223 |