TWI489720B - 超導體故障電流限制器系統 - Google Patents

超導體故障電流限制器系統 Download PDF

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Description

超導體故障電流限制器系統
本發明是有關於超導體電路故障電流限制器，其中，特別是有關於冗餘型超導體電路故障電流限制器系統。
超導體故障電流限制器(SCFCL)是一種於電源系統中限制故障電流的裝置。電源系統包含傳輸和配電網絡以傳遞電能至不同工業、商業或住宅的負載。故障電流是一種因為像是短路故障造成電源系統中的異常電流。此故障電流可能發生於任何事件，像是天氣嚴重破壞電源線和元件，例如：雷擊電源系統。當故障發生時，會立刻出現巨大的負載。在這種故障的情況下，網絡會傳送巨大的電流(例如：故障電流)或是在此情況的故障至負載做為響應，這種故障電流狀態是不可取的，因為它會傷害網絡或連接網絡之裝置。
SCFCL包括位於低溫槽(Cryogenic Tank)的超導體。此超導體在超導狀態(Superconducting State)下於正常或穩定運作中具有零阻抗。為了維持超導體於此超導狀態，超導體運作於低於臨界溫度(Critical Temperature)、臨界電流密度(Critical Current Density)和臨界磁場(Critical Magnetic Field)中。如果超過三個中的任一個，超導體將終止超導狀態至正常狀態，並顯現阻值。隨著時間下，SCFCL可能需要進行維護、修理或更換，此缺點就是會讓電源系統在此期間無法被保護免於故障電流。
因此該領域需要一種可以克服上述不足之處和缺點的SCFCL系統。
根據本揭露內容的第一目的，提供一種SCFCL系統。此SCFCL系統包含一個第一SCFCL、第二SCFCL和控制器用以控制至少一個開關耦合所述第一SCFCL到介於交流電電源與負載間之電源線，且在操作在第一操作模式下將第二SCFCL電性隔離於電源線。而在第一操作模式下，第一SCFCL運作而第二SCFCL當成備用。。
根據本揭露內容的另一目的，提供一種三相SCFCL系統。此三相SCFCL包括對應第一相位的第一SCFCL，包括耦合到第一SCFCL輸入端之第一開關和耦合到第一SCFCL輸出端之第二開關，且對應第一相位的第一SCFCL；對應第二相位的第二SCFCL，包括耦合到第二SCFCL輸入端之第三開關和耦合到第二SCFCL輸出端之第四開關；對應第三相位的第三SCFCL，包括耦合到第三SCFCL輸入端之第五開關和耦合到第三SCFCL輸出端之第六開關；以及第四SCFCL，包括輸入端耦合到第一、第三和第五開關，且具有輸出端耦合到第二、第四和第六開關。所述三相SCFCL系統也包括一控制器，用以定位第一開關、第二開關、第三開關、第四開關、第五開關和第六開關，當第一、第二和第三在運作中而第四SCFCL作為備用的第一運作模式時，讓電流流經第一SCFCL、第二SCFCL和第三SCFCL並電性隔離第四SCFCL、第五 SCFCL和第六SCFCL。
本發明將以此發明之實施例參照所附參考圖示作充分介紹。然而，此發明可以採用不同形式實施例實施，但但本發明不應該被限制在本文所列之實施例。相反地，這些所提供的實施例將會充分且完整地，或將會完整地闡述本發明的範圍給具有通常技藝者。在圖示中，相同的元件將會在整個說明書中以相同的標號加以說明。
圖1為說明根據本揭露內容的實施例的包括超導體故障電流限制器(Superconducting Fault Current Limiter，簡稱“SCFCL”)SCFCL系統118的電源系統100電路示意圖。此為一個簡化的電源系統100且該領域具有通常技術者可暸解其他具有SCFCL系統118之電源系統和此揭露內容一致。電源系統100包含AC電源產生器102、SCFCL系統118、正常使用狀態為關閉之斷路器108、以及不同負載110例如是工業、商業和住宅的負載。故障條件可能會因為不慎接地而發生在如圖所示的位置112。
SCFCL系統118包括第一SCFCL 106-1、第二SCFCL 106-2、控制器120、冷凍系統122和開關103、105。第一SCFCL 106-1、第二SCFCL各具有並聯分流器(Parallel Shunt)114-1、114-2。每一SCFCL 106-1、106-2各具有內部空間之低溫槽104-1、104-2和位於此內部空間內的超導體141-1、141-2。所述低溫槽104-1、104-2可能由不同材料像是介電材料及/或熱絕緣材料製成。超導體141-1、141-2可為任何類型的超導體 材料，例如在低於臨界溫度、臨界電流密度和臨界磁場中顯示超導體特性之釔鋇銅氧化物(YBCO)。所述超導體141-1、141-2可被製成超導電磁帶(Superconducting Tape)且取決於所需要的超導電磁帶數量而有不同的模組。
冷凍系統122用以提供低溫冷卻液(Cryogenic Cooling Fluid)至各SCFCL 106-1、106-2的低溫槽140-1、140-2以冷卻相關的超導體141-1、141-2到低於其臨界溫度。高溫超導体的臨界溫度大約於77°K和93°K之間。冷凍系統122包括低溫冷卻單位，如箭頭132所示，在提供低溫冷卻液回相同位置前，此低溫冷卻單位先冷卻從相關的低溫槽140-1及140-2接收之低溫冷卻液。雖然只顯示一個冷凍系統122，但各SCFCL 106-1、106-2具有各自相關的冷凍系統。此冷凍系統122也包括閥門、幫浦、感測器和儲存槽以儲存多餘的低溫冷卻液。低溫冷卻液可能為液態氮、液態氦、液態氬和液態氖等，和/或該些混合物。
控制器120可以是或包括可用以程式化(Programmed)設計執行所需輸入/輸出功能的一般目的通用計算機或一般目的通用的計算機網絡。控制器120也包括其他電子電路或元件，例如特定用途之積體電路、其他硬體、可程式化電子裝置、或離散元件電路等。控制器120也包含通訊裝置、資料儲存裝置和軟體。控制器120也可用以與多數個系統和元件構成通聯或是控制，例如開關103、105、各SCFCL 106-1、106-2之不同元件和子系統，包括電流感測器和冷凍系統122。控制器120也可與主機系統124構成通聯，例如遙測系統(Telemetry System)，以通知主機系統SCFCL系統118的特定的運作條件。主機系統124也可具有藉由與控制器120構成通聯而遠端控制SCFCL系統118之能力。
在運作模式中，第一SCFCL 106-1在運作中而第二SCFCL 106-2藉由開關103、105的位置從電源線107電性隔離而使第二SCFCL 106-2作為備用。在穩定狀態之條件下，AC電源產生器102提供電源至負載110，斷路器108關閉，電流從電源線107和第一SCFCL 106-1流至負載110。第一SCFCL 106-1的超導體141-1於超導電狀態呈現零阻抗。故障條件可能因為發生於如圖所示的位置112的不慎路徑接地而發生。AC電源產生器102對此響應而傳送一個巨大的故障電流。超導體141-1因而失效且產生遠大於分流器114-1阻值的阻值。因此，故障電流傳輸到分流器114-1內，在斷路器108可以打開前，所述分流器114-1藉由減少故障電流之峰對峰值以限制故障電流至可接受之電位(在60Hz操作頻率下，傳統的斷路器108打開前需要2至3個週期)。在故障時間區間(Interval)後，斷路器108打開且沒有電流傳至負載110。
隨著時間，第一SCFCL 106-1可能需要進行維護、修理或更換而無法提供服務。好處是，在其他運作模式下，第二SCFCL 106-2可用以取代第一SCFCL 106-1。要改變到此運作模式，開關103、105可響應來自控制器120的信號，以切換至新位置，才能有效地導引電流從開關103至第二SCFCL 106-2，且通過另一個開關105至斷路器108而返回，如路徑160所示。如此一來，第一SCFCL 106-1可以進行維護、修理 或更換而不提供服務，而電源系統100可由第二SCFCL 106-2保護而避免故障電流。控制器120也可與主機124構成通聯以警告主機124此事件。
對應於一條件(Condition)的發生，而觸發決定何時第一SCFCL 106-1會被降級且第二SCFCL 106-2被提升或準備提升，可以採用手動觸發或是自動觸發。例如，為了維護、修理或替換第一SCFCL 160-1，可能採取手動觸發而重新對開關103、105定位，以沿路徑160提供電流。自動觸發可藉由控制器120的控制而觸發，以自動控制開關103、105進行對第二SCFCL 106-2的提昇，以響應所述的條件。所述條件可能是第一SCFCL經歷之故障電流條件的總值。舉例來說，故障條件總數累計的數量達到五個就會造成超導體141-1失效。在此之後，第二SCFCL 106-2可被提升至運作，而必要時第一SCFCL 106-1會被從運作降級，以進行檢查或修理。所述條件也可以是代表第一SCFCL 106-1維護需要的一花費時間(Elapsed Period)。所述條件也可以是第一SCFCL 106-1元件故障。例如，運作於SCFCL 106-1的冷凍系統122具有一個或多個感測器以感測相同的運作條件且以提供訊號至控制器120代表故障。依照此方法，因為冷凍系統122故障或其中一個元件危及超導体141-1所維持之溫度，此第一SCFCL 106-1可能準備從服務中移除，且有效地以第二SCFCL替換以維持電源系統110的連續性和故障電流防護。最終，所述條件也可以是提供給控制器122的一個訊號，代表第一SCFCL將被降級運作。
在運作模式中，當第一SCFCL 106-1正在提供服務且第二SCFCL 106-2作為備用，第二SCFCL可以保持在即時待命(Immediate Standby)或潛伏待命(Latent Standby)狀態。在即時待命狀態中，冷凍系統122用以提供低溫冷卻液至低溫槽140-2以維持位於低溫槽104-2內部空間之超導體141-2溫度低於超導體的臨界溫度。此外，對於高溫超導體而言，其臨界溫度大約在77°K和93°K之間。控制器120也可監控第二SCFCL 106-2的條件。即時待命狀態有個好處就是當開關103、105被定位到導引電流流經路徑160時，第二SCFCL 106-2已經準備好被提升。即時待命狀態的缺點是低溫冷卻液流動需要維持超導體141-2低於臨界溫度的能量。
第二SCFCL 106-2也被保持在潛伏待命狀態。在此狀態下，不需要提供低溫冷卻液至低溫槽140-2。一旦觸發從潛伏待命狀態轉換至即時待命狀態，控制器120將指示冷凍系統122開始提供低溫冷卻液至低溫槽140-2和監控其他訊號以確認第二SCFCL準備好運作。一旦第二SCFCL 106-2準備好運作，控制器120將指示開關103、105以提升第二SCFCL 106-2，而使電流流經路徑160。潛伏待命狀態的好處是不需要為了第二SCFCL 106-2花費能量來冷卻低溫冷卻液，因為不需要低溫冷卻液準備好用以隨時提供服務或是即時待命。另一個好處是讓人員可以快速的進入低溫槽140-2之內部空間，以執行任何檢查或維修。缺點就是需要準備第二SCFCL運作的時間。然而，假使第二SCFCL 106-2的提升不需要及時，此為有效率的解決辦法。
換到圖2，為說明與本揭露內容之實施例相符的三相SCFCL系統218方塊示意圖。相較於圖1，三相SCFCL系統218說明三相位(A、B和C)和與每個相位連接的第四SCFCL。為了簡化說明，只對每個SCFCL 206-1、206-2、206-3和206-4的冷卻槽240-1、240-2、240-3和240-4作說明。六個開關S1-S6用來對每個SCFCL進行提升和降級的效果。類似的元件將以相同標號表示。
圖3為開關S1、S3和S5的示意圖，而圖4為開關S2、S4、S6的示意圖。如圖所示，當對於相位A、B和C的各個包括低溫槽240-1、240-2、240-3的SCFCL在運作中，電流沿路徑302流經開關S1、S3、S5，直到通過各個SCFCL 206-1、206-2、206-3，再通過S2、S4、S6，如沿著圖4所示的相同路徑302。當一個SCFCL被降級時，此SCFCL的上下游的各個開關被重新定位，以從運作中移除SCFCL且提升備用SCFCL。舉例來說，假使第一SCFCL 206-1在相位A被降級，開關S1和S2將被定位於旁路位置，因此電流將流經如圖3和圖4所示的路徑306，且其他開關對(開關對S3、S4和開關對S5、S6)保持在無旁路(non-bypass)位置，以使電流將流經沿著如圖3和圖4所示的路徑302。在圖3和圖4所示之開關是"先接後斷"類型開關，以使再將降級的SCFCL從電路中移除之前，電流開始通過第四SCFCL 206-4導通。如此，保障電流持續通過三相SCFCL系統218且防止瞬間斷路。
換到圖5，所示為圖2的SCFCL系統218之例子。在第一運作模式中，第一SCFCL 206-1、第二SCFCL 206-2和第三 SCFCL 206-3在運作中，且對應三相位之電流流經上游開關、SCFCL和下游開關。舉例來說，相位A電流會沿路徑502流經第一開關S1、第一SCFCL 206-1和第二開關S2。
在其他運作模式中，一個SCFCL可能被降級，而第四SCFCL 206-4被提升至運作。圖5範例說明所述對應相位B的第二SCFCL 206-2已經被降級之情況。對應相位A之開關S1和S2與對應相位C之開關S5和S6保持在無旁路位置，所以電流持續分別流經路徑502和504。然而，開關S3和S4被定位於旁路位置，所以對於相位B的電流流經路徑506通過第四SCFCL 206-4，在此同時，降級之第二SCFCL 206-2可以進行維護、修理或更換。
SCFCL被降級的觸發事件相似於先前關於圖1所描述的內容。此外，圖2和圖5的第四SCFCL 206-4被保持在先前細述關於圖1中的第二SCFCL 106-2的即時待命狀態或潛伏待命狀態。
因此，已經提供具有至少一個備用SCFCL的SCFCL系統。此SCFCL系統提升備用的SCFCL以使降級的SCFCL可以進行維護、修理或更換。因此，相較於無備用的SCFCL系統，SCFCL系統的可靠度可以提升。可以使用一個或多個備用。此外，SCFCL系統必要時具有額外的機動性以提升和降級不同的SCFCL進入和離開運作，提升和降級也可自動響應於監控狀態下。
目前揭露的內容並非用以限制於此處介紹的特定具體實施例的範圍。甚至，其他不同實施例和對於目前揭露實施例 之改良方法，除了此處所述外，前面敘述和附圖對於該領域之習知技術者是顯而易見的。因此，這樣的實施例和改良方法屬於目前揭露之範圍。更進一步地說，雖然本揭露已敘述於本文之用於特定目的之特定環境之特定實施方法的上下文中，對該領域之習知技術者而言，將理解本揭露內容的用處將不限制於此且本揭露可有效益地落實於任何數量之目的之任何數量的環境中。
100‧‧‧電源系統
102‧‧‧AC電源產生器
103、105‧‧‧開關
106-1‧‧‧第一SCFCL
106-2‧‧‧第二SCFCL
107‧‧‧電源線
108‧‧‧斷路器
110‧‧‧不同負載
112‧‧‧接地位置
114-1、114-2‧‧‧並聯分流器
118‧‧‧SCFCL系統
120‧‧‧控制器
122‧‧‧冷凍系統
124‧‧‧主機
132‧‧‧箭頭
140-1、140-2‧‧‧低溫槽
141-1、141-2‧‧‧超導體
206-1‧‧‧第一SCFCL
206-2‧‧‧第二SCFCL
206-3‧‧‧第三SCFCL
206-4‧‧‧第四SCFCL
218‧‧‧三相SCFCL系統
240-1、240-2、240-3、240-4‧‧‧低溫槽
302‧‧‧電流路徑
306‧‧‧電流路徑
502‧‧‧電流路徑
504‧‧‧電流路徑
506‧‧‧電流路徑
為了使本揭露的內容更好理解，以附圖作為參考，並將元件以數字形式併入本文之中，以及其中：圖1為與揭露實施例相符的SCFCL系統電路圖。
圖2為與揭露實施例相符的SCFCL三相系統方塊圖。
圖3和圖4為圖2開關示意圖
圖5為和圖2所示之電流流動相符的方塊圖
100‧‧‧電源系統
102‧‧‧AC電源產生器
103、105‧‧‧開關
106-1‧‧‧第一SCFCL
106-2‧‧‧第二SCFCL
107‧‧‧電源線
108‧‧‧斷路器
110‧‧‧不同負載
112‧‧‧接地位置
114-1、114-2‧‧‧並聯分流器
118‧‧‧SCFCL系統

Claims (14)

  1. 一種超導體故障電流限制器(SCFCL)系統，包含：一第一SCFCL；一第二SCFCL；一控制器，經組態後以控制至少一個開關以耦合該第一SCFCL和一交流電與一負載間之一電源線，且於一第一操作模式下把該第二SCFCL從該電源線電性隔離，而當該第一SCFCL運作而該第二SCFCL當成備用，其中該控制器還用於控制該至少一個開關以耦合該第二SCFCL和介於該交流電與該負載間之該電源線，且於一第二操作模式下把該第一SCFCL從電源線電性隔離，而當該第二SCFCL運作而該第一SCFCL從運作中降級。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之SCFCL系統，其中該控制器自動從該第一運作模式改變至該第二運作模式以響應該第一SCFCL條件。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之SCFCL系統，其中該條件包含一由該第一SCFCL經歷故障電流條件的總數。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之SCFCL系統，其中該條件包含一代表該第一SCFCL維護需求的花費時間。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之SCFCL系統，其中該條件包含一該第一SCFCL的故障元件。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之SCFCL系統，其中該元件包含一冷凍系統經組態後以提供一低溫冷卻液至該第一SCFCL的一低溫槽。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之SCFCL系統，其中該控制器還用於維持該第二SCFCL於一潛伏待命狀態於該第一運作模式中，其中於該潛伏待命狀態下無提供低溫冷卻液至第二SCFCL的低溫槽。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之SCFCL系統，其中於第一運作模式下該控制器還用於維持該第二SCFCL於即時待命狀態，其中於即時待命狀態下一冷凍系統經組態後以提供一低溫冷卻液至該該第二SCFCL的一低溫槽，該低溫冷卻液足夠維持位於該第二SCFCL低溫槽之一內部空間之一超導體的一溫度低於該超導體的一臨界溫度。
  9. 一種三相超導體故障電流限制器(SCFCL)系統，包含：一第一SCFCL，對應一第一相位具有與該第一SCFCL的一輸入端耦合的一第一開關和與該第一SCFCL的一輸出端耦合的一第二開關；一第二SCFCL，對應第二相位具有與該第二SCFCL的一輸入端耦合的一第三開關和與該第二SCFCL的一輸出端耦合的一第四開關；一第三SCFCL，對應第三相位具有與該第三SCFCL的一輸入端耦合的一第五開關和與該第三SCFCL的一輸出端耦合的一第六開關；一第四SCFCL，具有與該第一開關、該第三開關及該第五開關耦合之一輸入端和與該第二開關、該第四開關及該第六開關耦合之輸出端；及 一控制器，經組態後可定位該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關及該第六開關以讓一電流於一第一運作模式下流經該第一SCFCL、該第二SCFCL和該第三SCFCL並電性隔離該第四SCFCL，而當該第一SCFCL、該第二SCFCL和該第三SCFCL都在運作中而該第四SCFCL作為備用。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之SCFCL系統，其中該控制器還用重新定位該第三開關和該第四開關，以電性隔離該第二SCFCL並電耦合該第四SCFCL的該輸入端至該第三開關和電耦合該第四SCFCL的輸出端至該第四開關，於第二運作模式下當該第四SCFCL被提升至運作而該第二SCFCL被從運作降級。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之SCFCL系統，其中該控制器自動從該第一運作模式改變至該第二運作模式以響應該一第二SCFCL條件。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之SCFCL系統，其中該條件包含一由第二SCFCL經歷故障電流條件的總數。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之SCFCL系統，其中該控制器於該第一運作模式下更用於維持該該第四SCFCL於一潛伏待命狀態，其中於該潛伏待命狀態下無提供低溫冷卻液至該第四SCFCL的一低溫槽。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之SCFCL系統，其中該控制器於該第一運作模式下更用於維持該第四SCFCL於一即時待命狀態，其中一冷凍系統於該即時待命狀態下 經組態後以提供一低溫冷卻液至該第四SCFCL的一低溫槽，該低溫冷卻液足夠維持位於該第四SCFCL的該低溫槽的內部空間之一超導體之一溫度低於該超導體的一臨界溫度。
TW101108894A 2011-03-16 2012-03-15 超導體故障電流限制器系統 TWI489720B (zh)

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