專利名稱：故障電流超導限制器的制作方法
故障電流超導限制器本發(fā)明涉及一種超導故障限流器(SFCL)。更具體地，本發(fā)明涉及用于電網(wǎng)或電力系統(tǒng)保護、對于交流應用適合在直流條件下操作的超導故障限流器。正如公知的，在現(xiàn)代電氣系統(tǒng)中提供故障限流裝置是確?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)的可靠管理和保護的基本要求。操作經(jīng)驗顯示短路故障的出現(xiàn)并非罕見，這種短路故障的影響對于組件的功能以及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性均十分危險。諸如高阻抗變壓器、串聯(lián)的空心電抗器和網(wǎng)絡分路之類的常用來處理該問題的措施引入永久損耗并限制電力系統(tǒng)的高效操作。于是需要研究投資以開發(fā)能夠限制故障電流而且在正常操作條件下不影響電力系統(tǒng)的故障限流器裝置。在故障限流器的所有可能概念中，基于超導材料的那些顯示出理想的特性。實際上，超導故障限流器(SFCL)是在正常操作條件下具有可忽略的阻抗并且能夠在流過其間的電流超過指定為故障閾值的給定值時自發(fā)地切換到高阻抗狀態(tài)的裝置。這種裝置引入到電力系統(tǒng)尤其包括以下優(yōu)點-它允許改進且靈活的電源質(zhì)量且在失效的情況下不危及網(wǎng)絡的安全；-它限制故障電流的第一峰，因此減少對組件的壓力并允許較便宜的設計；-其設計能夠以確保短路電流的對稱分量與現(xiàn)有開關(guān)的中斷能力相符合的方式實現(xiàn)，由此在網(wǎng)絡擴張的情況下避免對其進行替換；-限制動作是自激活的且非?？煽?；-故障消失之后低阻抗狀態(tài)的恢復是自發(fā)的且不需要任何回復動作。取決于布局和操作原理，可將超導故障限流器分類為電阻型、整流器型(也稱為二極管或晶閘管橋型)、屏蔽磁芯型或飽和磁芯型限制器。在Noe和Meurer [2007]中給出了當前受測試的可能SFCL概念的全面回顧。在最近十年中，已經(jīng)制造出基于第一代(BSCC0，鉍鍶鈣銅氧化物)和第二代 (YBC0，釔鋇銅氧化物)高溫超導材料(HTQ兩者的很多超導故障限流器原型以證明技術(shù)可行性。最近，也已經(jīng)考慮使用二硼化鎂(MgB》，即在商業(yè)上能以有競爭力的成本和質(zhì)量獲得的超導體。用于中等電壓應用的一些SFCL原型已經(jīng)達到前工業(yè)發(fā)展階段。已經(jīng)關(guān)于如低溫學、電絕緣、機械強度等大多數(shù)工程問題對它們進行優(yōu)化，并且它們已經(jīng)成功地經(jīng)受中等電壓干線中的長期野外測試。然而，為了使所述裝置能夠有效地進入市場，還必須解決主要與交流損耗和相關(guān)操作成本有關(guān)的一些問題。在以下的描述中，從電阻型限制器開始，詳細檢查一些類型的限制器。電阻型SFCL基于在電流超過限定臨界值時發(fā)生的超導向正常(高電阻率)導電狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。這種SFCL通常由以獲得盡可能低的電感的方式纏繞的超導線或帶(雙線無感線圈或變換平螺旋形)制成。超導線或帶直接攜帶受保護電路中流過的交流，這引起其中的功耗(AC損耗)。事實上，超導線或帶僅在它攜帶純粹的直流時不呈現(xiàn)損耗。所述損耗需要非常昂貴的制冷，以免增加超導元件的溫度，因此意味著非常高的限制器操作成本。此外，實際的超導線或帶由與如銀或銅等正常導體接觸的超導細絲或?qū)又瞥?，以避免由于局部加?熱點)引起的損壞風險。一旦已經(jīng)實現(xiàn)超導帶或線向正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，正常導體層的存在就會降低超導帶或線的電阻。因此，為了獲得滿意的限制效果，需要長的線或帶長度，因此由于交流損耗引起的由限制器消耗的總功率隨之增加。為了使局部過熱的風險最小化同時使帶的長度以及由此的損耗最小化，提出很多不同的超導故障限流器，其中從超導狀態(tài)向正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變由磁場的啟動來輔助。在WO 94/03955和US 7，180，396專利中描述了這種超導故障限流器。所述超導故障限流器需要超導部件的復雜幾何結(jié)構(gòu)以及使用若干并聯(lián)或串聯(lián)連接的正常線圈。此外，在正常操作條件期間，交流總是在超導帶或線中流動，這導致引起高冷卻成本。另一種感興趣的超導故障限流器類型是整流器型超導故障限流器。它由串聯(lián)連接至DC電壓源且嵌入在連接到受保護負載的全波二極管或晶閘管整流器橋中的電感器制成。該電感器可方便地由超導材料線圈組成，以避免電阻損耗。在正常操作條件下，受保護電路的電流(該電流流過二極管或晶閘管)繞過電感器。當該干線電流超過線圈中流動的電流時，四個二極管/晶閘管中的兩個反向偏置，從而線圈自動串聯(lián)插入受保護電路。具有由超導材料線圈構(gòu)成的電感器的橋型超導故障限流器最初由Boenig提出并且在美國專利No. 4，490，769中予以描述。除限制能力外，使用晶閘管而非二極管還允許中斷穿過與晶閘管的柵極相連接的有源控制電路的故障電流的可能性。上述限流器的技術(shù)問題在于直流電壓源的構(gòu)造，而這是獲得穿過線圈的純直流 (DC)所需要的。為了避免該問題，Boening提出通過去除DC源和去除使用超導材料實現(xiàn)電感器的需要來修改最初裝置，如美國專利No. 5，726，848所描述的。上述當前整流器橋型限制器的技術(shù)問題在于缺少直流電壓源(這是設置線圈中的DC電流所必須的)意味著上述限流器甚至在正常操作期間發(fā)生的正常負載變化期間影響網(wǎng)絡，由此導致對用戶的壓降。為了將對電壓的干擾維持在國際標準(EN 50160)規(guī)定的限制內(nèi)，所使用的電感值不能超過適當極限，因此裝置的限制能力大大降低，或者不能將短路故障限制到比不使用限制器達到的值低的相關(guān)值。此外，在存在或不存在DC電壓源的情況下，通過引入串聯(lián)連接到受保護電路的電感來獲得限制效果。在短路故障期間網(wǎng)絡的等效電感一般是電感性的，這意味著以下缺
點·a.電流的零交叉中的延遲以及更加難以熄滅斷路器的斷開極之間的電??；b.在故障期間網(wǎng)絡動態(tài)穩(wěn)定性的降低。顯然，這些技術(shù)限制對于電流供應的最終效率低以及對于經(jīng)濟原因是巨大的。
基于上述，本發(fā)明的目的是提供適合在直流條件下操作的、用于交流應用的電阻型超導故障限流器。本發(fā)明的另一個目的是在正常操作期間(通過在直流下操作)以及故障發(fā)生期間 (借助于并聯(lián)連接的常規(guī)電阻器)，向冷卻系統(tǒng)提供降低的熱負載。因此本發(fā)明的一個特定目的是超導故障限流器，包括連接至受保護電路的由適當數(shù)目的有源器件構(gòu)成的整流器橋，所述整流器橋具有四個分支，它們形成四個節(jié)點，其中第一節(jié)點和與所述第一節(jié)點不相鄰的第二節(jié)點連接至所述受保護電路，特征在于具有連接在所述整流器橋的第三節(jié)點到第四節(jié)點之間的中心分支，包括至少一個電路元件或由至少一個電路元件構(gòu)成，所述至少一個電路元件包含電感組件以及超導非線性電阻性組件，所述電感組件適合于降低流過所述中心分支的電流的波動，具有-第一操作條件，其中流過所述中心分支的電流低于預先設立的閾值，從而包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件處于超導狀態(tài)；以及-第二操作條件，其中流過所述中心分支的電流超過所述預先設立的閾值，從而具有所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件不處于超導狀態(tài)，因此表現(xiàn)出電阻特性。而且根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個電路組件可包括電感器和超導非線性電阻器。仍根據(jù)本發(fā)明，所述電感器可由超導材料制成且可被設置成不具有向所述第二操作條件的轉(zhuǎn)變。在本發(fā)明的另一個方面中，所述電感器和所述超導非線性電阻器可有利地串聯(lián)連接。此外，根據(jù)本發(fā)明，所述電感器可被放置在接近所述超導非線性電阻器的適當位置處，以便借助于所產(chǎn)生的磁場幫助從所述第一操作條件向所述第二操作條件的轉(zhuǎn)變。而且根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個電路元件可包括由超導材料制成的電感器，它包括所述電感組件和所述超導非線性電阻性組件。仍根據(jù)本發(fā)明，所述超導故障限流器可包括與包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件并聯(lián)連接的至少一個常規(guī)電阻器，以便排放在所述第二操作條件下流過所述至少一個電路元件的電流的一部分，因此減少所述限流器的熱負載和恢復時間。此外，根據(jù)本發(fā)明，所述至少一個常規(guī)電阻器可連接到所述整流器橋的所述第一節(jié)點和所述第二節(jié)點。以有利的方式，根據(jù)本發(fā)明，所述限流器可包括連接到所述整流器橋(2)的所述第三節(jié)點和所述第四節(jié)點的常規(guī)電阻器。而且根據(jù)本發(fā)明，所述超導故障限流器可包括與包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件并聯(lián)連接的常規(guī)電阻器。仍根據(jù)本發(fā)明，包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件的超導材料可在以下材料中選擇二硼化鎂(MgB》；鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)；釔鋇銅氧化物 (YBCO)。此外，根據(jù)本發(fā)明，所述限流器可包括用于冷卻包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件的冷卻系統(tǒng)。有利的是，總是根據(jù)本發(fā)明，所述有源器件可包括二極管或晶間管，在后一種情況中，所述超導故障限流器可包括用于所述晶閘管的控制裝置。 仍根據(jù)本發(fā)明，所述整流器橋可包括所述有源器件，每個所述有源器件設置有如下所述連接的陽極和陰極-第一有源器件具有連接到所述第一節(jié)點的陽極和連接到所述第三節(jié)點的陰極；-第二有源器件具有連接到所述第四節(jié)點的陽極和連接到所述第二節(jié)點的陰極；-第三有源器件具有連接到所述第四節(jié)點的陽極和連接到所述第一節(jié)點的陰極；-第四有源器件具有連接到所述第二節(jié)點的陽極和連接到所述第三節(jié)點的陰極.仍根據(jù)本發(fā)明，所述限流器可包括用于冷卻所述超導非線性電阻性組件的冷卻系統(tǒng)。有利的是，根據(jù)本發(fā)明，所述受保護電路在以下中選擇連接到所述第一節(jié)點的饋電線、連接到所述第二節(jié)點的電負載；來自發(fā)電機的饋電線輸出；電廠的附屬服務的饋電線；兩個或更多個配電網(wǎng)絡的總線耦合；母線連接；用于故障電流限制的反應器分路；功率變壓器饋電線；來自母線的饋電線輸出；諸如超導電纜之類的不同超導裝置的組合；分布式發(fā)電單元的連接；環(huán)形網(wǎng)絡的閉合。為了解釋本發(fā)明的原理，以下出于圖示、例證和描述的目的報告與其優(yōu)選實施例有關(guān)的一些附圖，然而它們不旨在是詳盡的

圖1示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器的第一實施例的電路方案；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器的第二實施例的等效電路方案；圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器的第三實施例的等效電路方案；圖北示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器的第四實施例的等效電路方案；圖4示出根據(jù)本發(fā)明的用于三相電源系統(tǒng)的限流器應用的連接方案；圖5示出對于不同電感值的網(wǎng)絡電壓的時間演變；圖6示出對于不同電感值，在正常操作條件期間根據(jù)圖1實施例的超導故障限流器的整流器橋的內(nèi)部分支的電流；圖7示出對于不同的電阻值R根據(jù)圖1實施例的故障電流；以及圖8示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器的一些可能應用。在各附圖中，用相同的附圖標記表示相似的部件。在圖1中，可觀察到根據(jù)本發(fā)明的與受保護電路(圖中未示出)串聯(lián)連接的超導故障限流器1的第一實施例。所示實施例包括整流器橋2，具有四個有源器件3a、3b、3c和 3d，在這種情況下這四個有源器件是二極管。所述整流器橋2具有四個分支，每個分支包括所述二極管3a、3b、3c和3d中的一個。所述分支借助于四個節(jié)點4、5、6和7連接。所述受保護電路可連接至第一節(jié)點4和第
■~-下；5 ο二極管3a、3b、3c和3d與整流器橋2的連接被安排如下- 二極管3a 陽極連接至節(jié)點4，陰極連接至節(jié)點6 ；- 二極管北陽極連接至節(jié)點7，陰極連接至節(jié)點5 ；- 二極管3c 陽極連接至節(jié)點7，陰極連接至節(jié)點4 ；- 二極管3d 陽極連接至節(jié)點5，陰極連接至節(jié)點6。限流器1包括連接至所述節(jié)點6和節(jié)點7的另外的中心分支8。所述中心分支8
7包括彼此串聯(lián)連接的電感器9和超導非線性電阻器10。根據(jù)本發(fā)明的故障限流器1因此利用電阻性限制器和整流器橋限制器概念的組合，如稍后將描述的。超導非線性電阻器10在其超導材料從超導狀態(tài)轉(zhuǎn)變到非超導狀態(tài)的情況下具有電阻行為。在以下的描述中標識兩種操作條件稱為“正?！钡牟僮鳁l件，其中由于適當?shù)睦鋮s系統(tǒng)(例如，低溫浴)非線性電阻器10的超導材料處于超導狀態(tài)；以及稱為“活動”的操作條件，其中非線性電阻器10的超導材料經(jīng)歷從超導狀態(tài)向不超導的正常狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。在正常操作條件下，流過超導非線性電阻器10的電流由流過故障限流器1的正弦電流的峰值包絡線給出。具體地，在圖中指示為iSFa(t)的所述電流由具有疊加波動的恒定值組成，其基諧波分量的頻率是與故障限流器相連接的受保護電路的操作頻率的兩倍。這是由于二極管3a、3b、3c和3d的安排。所述波動分量的幅度隨電感器9的電感值L而降低。因此，電感器9的電感L越高，波動越低，因此超導體的AC損耗越小。換言之， 中心分支8的電感組件的目的是減小波動和AC損耗的大小。當然，只要故障限流器1不影響系統(tǒng)(在正常操作條件期間與其連接的電線或概括地說受保護電路)，則電感器9的電感值L應盡可能高。這意味著，例如在短路的情況下，電感器9的電感不能像例如在短路事件中將故障電路限制在可接受水平所需的那樣高。在穩(wěn)定狀態(tài)，電感器9攜帶在圖之中指示為Itl的DC電流，該電流分成分別流過二極管對3a-;3b和3c-3d的兩個相等部分。由于二極管3a、3b、3c和3d上的壓降，出現(xiàn)電流衰減(波動的減少部分)。當電流下降到低于受保護電路的電流值時，電感器變?yōu)榕c其串聯(lián)連接且電流增加到衰減開始處的正弦峰值。考慮穿過故障限流器1的電流iSFa(t)的正半波。因為二極管3a、3b、3c和3d均正向偏置，所以瞬時電流iSFa(t)繞過所述電流Itl流過的所述中心分支。故障限流器1的總電壓由二極管對3a和3d上的總壓降(其與施加到二極管對3c 和: 上的電壓等效)給出，該壓降相對于受保護電路的電壓可忽略不計，因此故障限流器 1實際上提供零阻抗。因此，根據(jù)以上提到的內(nèi)容，電流i3a_3b = I。/2+iSFa/2流過二極管3a和北，而電流 i3c_3d = I0/2-iSFCL/2 流過二極管 3c 和 3d。當電流超過固定閾值時，所述超導非線性電阻器10能夠經(jīng)歷從所述正常狀態(tài)向所述活動狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此獲得具有電阻R的電阻行為。由于超導非線性電阻器10的轉(zhuǎn)變以及因此在故障條件期間引入與電路串聯(lián)的電阻(以及電感)，因此故障限流器1設置有適當?shù)南拗颇芰Γ@種電阻僅僅是由于有關(guān)非線性電阻器10的材料從超導條件轉(zhuǎn)變?yōu)檎щ姉l件而產(chǎn)生的，這種轉(zhuǎn)變在比特定預先設立的電流高的電流流過它時發(fā)生。因為一般而言在短路期間電力系統(tǒng)的等效阻抗具有主導的電感性分量，所以根據(jù)本發(fā)明的故障限流器1不會使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性變差，而且有助于熄滅斷路器斷開極之間出現(xiàn)的電弧。因此，正如所觀察到的，根據(jù)本發(fā)明的故障限流器1在短路條件期間將電阻分量增加到系統(tǒng)的等效阻抗(原本主要是電感)，并且不使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性變差而且有助于熄滅斷路器斷開極之間出現(xiàn)的電弧。實際考慮電流iSFa(t)的正半波。如果由于導致短路電流的故障而使該電流超過 DC分量I。的值，則電流i3。_3d = I0/2-iSFCL/2將該變符號并且將不會被允許，因為二極管3c 和3d反偏。因此，整個電流I0/2+iSFCL/2 = iSFCL/2+iSFCL/2 = iSFCL流過電感器9和超導非線性電阻器10。在預先設立的故障電流下，超導非線性電阻器10由于以下事件中的一個或多個而從正常操作條件切換到活動操作條件(a)受保護電路的電流超過給定閾值；(b)由電感器9產(chǎn)生的磁場超過給定閾值；(c)超導材料的溫度超過給定閾值；(d)事件(a)和(b)均發(fā)生；(e)事件(a)和(c)均發(fā)生；(f)事件(b)和(C)均發(fā)生；(g)事件(a)、(b)和(C)均發(fā)生；當所述超導非線性電阻器10切換到其非超導條件時，它表現(xiàn)為電阻器，從而限制故障電流。因此，利用超導非線性電阻器10的超導材料的轉(zhuǎn)變來產(chǎn)生期望的故障電流限制效果，與其中超導材料僅用來減少能耗的公知技術(shù)是不同的。而且，正如公知的，超導材料在直流條件下工作最佳，且與有源器件3a、3b、3c和 3d的橋布置結(jié)合的電感器9在不使用諸如外部電流源等任何其它有源器件的情況下實際上確保直流操作條件。可能地，有源器件3a、3b、3c和3d還可實現(xiàn)為晶閘管，從而只要提供用于控制晶閘管柵極的適當裝置，則有關(guān)限制器既可用作斷路器又可用作限流器。所述故障限流器1允許限制單相電路或電力系統(tǒng)中的故障電流。對于三相限流器系統(tǒng)，需要三個故障限流器1，每個相一個故障限流器。而且，根據(jù)該實施例，所述電感器9可由超導材料制成且可按這樣的方式確定尺寸即使發(fā)生故障也不經(jīng)歷任何轉(zhuǎn)變并保持在所述正常操作條件，因此處于超導狀態(tài)。這允許降低有關(guān)限流器1的總損耗。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的超導故障限流器1的又一個實施例，其中中心分支8還包括與超導非線性電阻器10并聯(lián)連接的常規(guī)電阻器11。這一實施例僅在中心分支的電感和超導非線性電阻借助于兩個不同的繞組或裝置制造時適用。所述常規(guī)電阻器11允許在故障條件期間排放流過所述超導非線性電阻器10的電流的一部分，從而減少所述故障限流器1的熱負載和因此引起的恢復時間。換言之，所述常規(guī)電阻器11的技術(shù)效果是降低所述超導非線性電阻器10的超導材料的過熱，因此避免可能的損害并減少從活動操作條件切換回正常操作條件所需的時間。圖3a示出根據(jù)本發(fā)明的故障限流器1的第三實施例，其中常規(guī)電阻器11’連接到所述整流器橋2的非相鄰第三節(jié)點6和第四節(jié)點7。即使在中心分支的電感和超導非線性電阻不是借助于兩個不同的繞組或裝置實現(xiàn)時，該實施例同樣適用。而且在這種情況下，所述常規(guī)電阻器11’允許在故障條件期間排放流過所述超導非線性電阻器10的電流的一部分，從而減少所述故障限流器1的熱負載和因此引起的恢復時間。圖3a的實施例相對于圖2所示具有進一步的優(yōu)點。事實上，如果電感器9也是超導的，則有可能僅使用兩條而不是三條電流導線來將超導部件連接到在室溫下操作的電路的其它部件，因此降低冷卻系統(tǒng)的熱負載。圖: 示出根據(jù)本發(fā)明的故障限流器1的另一個實施例，其中常規(guī)電阻器11”連接到所述整流器橋2的非相鄰第一節(jié)點4和第二節(jié)點5，即與整個限流器1并聯(lián)。最后，有可能構(gòu)想出本發(fā)明的另一個實施例，其中電感器9的電感效果和電阻器 10的非線性超導電阻效果組合在由超導材料制成的單個電感器中(繞組、線圈)，具有-第一操作條件，其中流過所述限流器1的電流低于預定閾值，所以所述電感器9 處于超導狀態(tài)；以及-第二操作條件，其中流過所述限流器1的電流高于所述固定閾值，從而所述電感器9的超導材料從超導狀態(tài)切換到非超導狀態(tài)，因此形成電阻效果。由此，電感器9和超導非線性電阻器10整合為單個組件。所述超導非線性電阻器10和所述電感器9在由超導材料制成的情況下可由任何可用的超導材料制成，不管其自身的臨界溫度和其操作所需的壓力條件如何。此外，根據(jù)本發(fā)明，所述超導非線性電阻器10和所述電感器9的制造在后者由超導材料制成并且與所述超導非線性電阻器10整合的情況下可包括任何構(gòu)造、生產(chǎn)工藝或技術(shù)，例如，具有借助于帶、細絲或?qū)又瞥傻娜魏尾季值睦@組、雙線無感繞組、交替的扁平繞組、具有磁場輔助急冷的繞組、超導曲折線、超導薄膜、體等。此外，眾所周知，為了避免超導體的部分轉(zhuǎn)變，可向其施加磁場(以避免稱為“熱點”的損害過程)。因此，在優(yōu)選實施例中，可將電感器9放置在接近所述超導非線性電阻器 10的適當位置，以便借助于所產(chǎn)生的磁場幫助從所述超導條件至所述非超導條件的最優(yōu)轉(zhuǎn)變。圖4示出連接到饋送電負載13的三相中間電壓分配系統(tǒng)12的故障限流器1的可能應用。當然，在系統(tǒng)的每個相處必須連接一個故障限流器1。在圖4中，示出分配系統(tǒng)12的主要特性和參數(shù)。正如所看到的，電力分配系統(tǒng)12借助于變壓器15連接到132kV傳輸系統(tǒng)14，該變壓器15具有從132kV至20kV的縮放因數(shù)。本實施例中的變壓器15、斷路器16、超導故障限流器1以及負載13均借助于長度為8km的饋電線17串聯(lián)連接。接下來的附圖示出圖1的實施例中以及圖4的連接中的超導故障限流器1的操作特征。在圖5中，由于正常的負載插入(例如，大型生產(chǎn)設備的插入)引起的負載80%的增加所導致的電壓瞬變被示出作為各種電感值的函數(shù)。從圖5中可以看出，當電感器9的電感低于5mH時，電壓下陷低于4%，這是EN 50160標準所要求的。于是選擇電感器9的電感值L = 5mH作為超導繞組的設計電感值。在圖6中，關(guān)于電感器9的不同電感值L繪制超導體的電流?？梢钥闯霾▌拥姆入S著電感的增加而減小。在L = 5mH，超導體中的電流等于459.5±1.4A。在圖7中，關(guān)于L = 5mH和在轉(zhuǎn)變完成后達到的不同電阻值繪制由于三相故障引起的短路電流波形。能夠觀察到，假設超導材料的電阻行為具有電阻值R = 4歐姆，則短路電流是在沒有限流器1的情況下達到的值的約25%。于是選擇值R = 4歐姆作為超導線圈的設計值。最后，圖8示出限制器(1)的可能連接，列出如下(a)來自發(fā)電機的饋電線；(b)用于電站附屬設備的電源；(c)分配網(wǎng)絡19的耦合；(d)母線耦合20;(e)用于故障電流限制的分流反應器；(f)來自變壓器15的饋電線；(g)母線連接/饋電線20;(h)與諸如超導電纜21之類的其它超導裝置的組合；(i)耦合本地發(fā)電單元22 ；(1)環(huán)形網(wǎng)絡的閉合。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)滿意的限制能力而在其正常操作條件期間不影響電力系統(tǒng)。在常規(guī)的整流器橋型故障限流器中，不能同時實現(xiàn)這兩個特征。此外，根據(jù)本發(fā)明的限制器將電阻增加到網(wǎng)絡的短路阻抗中，從而使得電弧熄滅更容易并且避免在故障條件期間網(wǎng)絡的動態(tài)穩(wěn)定性變差。本發(fā)明的優(yōu)點在于超導非線性電阻器操作在直流穩(wěn)定狀態(tài)且無需外部源裝置。另一個優(yōu)點在于所述超導故障限流器不僅適用于電力系統(tǒng)而且適用于海上、陸地和空間交通工具以及電氣鐵路和運輸系統(tǒng)的板上電氣系統(tǒng)。為了說明和描述，已給出本發(fā)明的優(yōu)選實施例的上述描述。不旨在將詳盡本發(fā)明或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的精確形式，且鑒于以上教示很多明顯的修改和變化是可能的， 總之保留由此處所附權(quán)利要求書限定的保護范圍和權(quán)利。
1權(quán)利要求
1.一種故障限流器(1)，包括:連接至受保護電路的由有源器件(3a、3b、3c、3d)構(gòu)成的整流器橋O)，所述整流器橋 (2)具有四個分支，形成四個節(jié)點0、5、6、7)，其中第一節(jié)點(4)和與所述第一節(jié)點(4)不相鄰的第二節(jié)點(5)連接至受保護電路(12、13)，特征在于它包括連接在所述整流器橋O)的第三節(jié)點(6)和第四節(jié)點(7)之間的中心分支(8)，包括至少一個電路元件或由至少一個電路元件構(gòu)成，所述至少一個電路元件包含電感組件以及非線性超導電阻性組件，所述電感組件適合于降低流過所述中心分支(8)的電流的波動幅度，具有-第一操作條件，其中流過所述中心分支(8)的電流低于給定閾值，從而包括非線性超導電阻性組件的所述至少一個電路元件處于超導狀態(tài)；以及-第二操作條件，其中流過所述中心分支(8)的電流超過所述固定閾值，從而包括非線性超導電阻性組件的所述至少一個電路元件不處于超導狀態(tài)，所以提供電阻行為。
2.如權(quán)利要求1所述的限流器(1)，其特征在于，所述至少一個電路元件包括電感器 (9)和超導非線性電阻器(10)。
3.如權(quán)利要求2所述的限流器(1)，其特征在于，所述電感器(9)由超導材料制成且被設計成不經(jīng)歷向所述第二操作條件的轉(zhuǎn)變。
4.如權(quán)利要求2或3所述的限流器(1)，其特征在于，所述電感器(9)和所述超導非線性電阻器(10)串聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求2-4中的一個所述的限流器(1)，其特征在于，所述電感器(9)被放置成接近非線性超導電阻器(10)，以便借助于所產(chǎn)生的磁場幫助從所述第一操作條件向所述第二操作條件的轉(zhuǎn)變。
6.如權(quán)利要求1所述的限流器(1)，其特征在于，所述至少一個電路元件包括具有電感組件和非線性超導電阻性組件的由超導材料制成的電感器。
7.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，它包括與包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件并聯(lián)連接的至少一個常規(guī)電阻器(11、11’、 1”)，以便排放在所述第二操作條件下流過所述至少一個電路元件的電流的一部分，因此減少其上的熱負載和所述限流器(1)的恢復時間。
8.如權(quán)利要求7所述的限流器(1)，其特征在于，所述至少一個常規(guī)電阻器(11”)連接到所述整流器橋O)的所述第一節(jié)點(4)和所述第二節(jié)點(5)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的限流器(1)，其特征在于，它包括連接到所述整流器橋(2) 的所述第三節(jié)點(6)和所述第四節(jié)點(7)的常規(guī)電阻器(11’)。
10.如權(quán)利要求7或9所述的限流器(1)，其特征在于，它包括與包括超導非線性電阻性組件的所述電路元件并聯(lián)連接的常規(guī)電阻器(11)。
11.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件的超導材料在以下材料中選擇二硼化鎂(MgB》；鉍鍶鈣銅氧化物(BSCCO)；釔鋇銅氧化物(YBCO)。
12.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，它包括用于冷卻包括所述超導非線性電阻性組件的所述至少一個電路元件的冷卻系統(tǒng)。
13.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，所述有源器件包括二極管(3a、!3b、3c 禾口 3d)。
14.如權(quán)利要求1-12中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，所述有源器件包括晶閘管以及用于控制所述晶閘管的裝置。
15.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，所述整流器橋(2)包括所述有源器件，每個所述有源器件設置有如下所述連接的陽極和陰極-第一有源器件(3a)具有連接到所述第一節(jié)點(4)的陽極和連接到所述第三節(jié)點(6) 的陰極；-第二有源器件(3b)具有連接到所述第四節(jié)點(7)的陽極和連接到所述第二節(jié)點(5) 的陰極；-第三有源器件(3c)具有連接到所述第四節(jié)點(7)的陽極和連接到所述第一節(jié)點(4) 的陰極；以及-第四有源器件(3d)具有連接到所述第二節(jié)點(5)的陽極和連接到所述第三節(jié)點(6) 的陰極。
16.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，它包括用于冷卻所述超導非線性電阻性組件的冷卻裝置。
17.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的限流器(1)，其特征在于，所述受保護電路在以下中選擇連接到所述第一節(jié)點⑷的饋電線(12)、連接到所述第二節(jié)點(5)的電負載 (13)；來自發(fā)電機的饋電線⑶；用于電站附屬設備的饋電線；網(wǎng)絡耦合(19)；母線耦合 (20)；限流反應器的分路；來自變壓器的饋電線(15)；包含諸如超導電纜之類的其它超導設備的系統(tǒng)；分布式發(fā)電單元0 的連接；環(huán)形網(wǎng)絡的閉合。
全文摘要
本發(fā)明涉及超導故障限流器(1)，包括連接至受保護電路的由有源器件(3a、3b、3c、3d)構(gòu)成的整流器橋(2)，所述整流器橋(2)包括借助四個節(jié)點(4、5、6、7)連接的四個分支，其中第一節(jié)點(4)和與所述第一節(jié)點(4)不相鄰的第二節(jié)點(5)連接至所述受保護電路(12、13)，特征在于它包括從所述整流器橋(2)的第三節(jié)點(6)到第四節(jié)點(7)連接的中心分支(8)，包括至少一個電路元件或由至少一個電路元件構(gòu)成，所述至少一個電路元件包括電感組件以及非線性超導電阻性組件，所述電感組件的目標是降低流過所述中心分支(8)的電流的波動幅度，具有第一操作條件，其中流過所述中心分支(8)的電流不超過給定閾值，從而包括非線性超導電阻性組件的所述至少一個電路元件處于超導狀態(tài)；以及第二操作條件，其中流過所述中心分支(8)的電流超過給定閾值，從而包括非線性超導電阻性組件的所述至少一個電路元件處于非超導狀態(tài)，因此提供電阻行為。
文檔編號H01F6/06GK102217160SQ200980146471
公開日2011年10月12日 申請日期2009年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月14日
發(fā)明者A·莫蘭迪, S·印帕拉托 申請人:博洛尼亞大學阿爾瑪母校研究室