專(zhuān)利名稱(chēng)：一種低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于輸配電網(wǎng)的超導(dǎo)故障限流器，特別涉及低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器。
背景技術(shù)：
由于電力系統(tǒng)的發(fā)展，負(fù)荷的增大，大容量機(jī)組和電廠及變電設(shè)備的投入，尤其是負(fù)荷中心大電廠的出現(xiàn)以及大電力系統(tǒng)的互聯(lián)，使得輸配電網(wǎng)容量大為增加，同時(shí)也使短路電流水平日益增高，甚至于短路電流水平已經(jīng)超過(guò)了目前的斷路器的開(kāi)斷容量。如果不采取措施加以控制，不但使新變電所的設(shè)備投資大大增加而且對(duì)系統(tǒng)中原有變電所設(shè)備將產(chǎn)生很大的影響，甚至需要花費(fèi)大量的投資進(jìn)行改造、改建和改換。
現(xiàn)有技術(shù)主要采取以下方法限制電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)中的短路電流1、發(fā)展高一級(jí)電網(wǎng)，低壓電網(wǎng)分片或?qū)⒛妇€分列、分段運(yùn)行，甚至將電網(wǎng)解列，以及采用直流聯(lián)網(wǎng)，這些措施不僅投資很大，而且設(shè)計(jì)到電網(wǎng)的穩(wěn)定性等復(fù)雜問(wèn)題，除非不得已才采用。
2、采用高阻抗變壓器或者串聯(lián)電抗器。在輸配電系統(tǒng)中采用此措施，不但會(huì)增加網(wǎng)損，還會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3、更換斷路器，對(duì)現(xiàn)有的變電所進(jìn)行增容改造。但代價(jià)太大，而且現(xiàn)有的斷路器容量可能無(wú)法滿(mǎn)足要求。
目前，也有研究采用新的電路來(lái)解決故障限流問(wèn)題的，如圖1所示的專(zhuān)利美國(guó)專(zhuān)利50014一種限流器，主要用于普通的電壓源供電回路中。它接在交流電壓源Vs輸出端與負(fù)載A之間，由二極管D1～D4構(gòu)成的整流橋及其接于整流橋直流側(cè)的超導(dǎo)線圈L與偏壓源Vb串聯(lián)組成。正常運(yùn)行時(shí)，偏壓源提供給超導(dǎo)線圈的直流電流大于負(fù)載電流的峰值，超導(dǎo)線圈和偏壓源串聯(lián)后通過(guò)D1、D3回路，D2、D4回路供電，對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響。一旦負(fù)載短路，當(dāng)故障電流大于偏壓源的電流值時(shí)，超導(dǎo)線圈串入系統(tǒng)主線路進(jìn)行限流，在正半周D1、D4導(dǎo)通，負(fù)半周D2、D3導(dǎo)通。由于偏壓源的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，增加了這種限流器的實(shí)現(xiàn)難度，如果要提高電壓電流等級(jí)，需要在每個(gè)橋臂上串聯(lián)二極管并增加偏壓源的容量，這種器件的串并聯(lián)增加了系統(tǒng)的損耗和限流效果。

發(fā)明內(nèi)容
為克服已有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種用于輸配電網(wǎng)的低溫橋路型超導(dǎo)限流器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響，系統(tǒng)故障后能立刻投入，可限制短路電流峰值及穩(wěn)態(tài)值，從而減小了故障電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，并且確保原有的斷路器就能可靠地切斷故障電流。
本發(fā)明由以低溫下的MOSFET為電力電子器件的整流橋以及其直流側(cè)連接的超導(dǎo)線圈組成，構(gòu)成一種新型的低溫超導(dǎo)限流器。由四個(gè)MOSFET組成整流橋，其直流側(cè)連接超導(dǎo)線圈，交流側(cè)串聯(lián)于線路，安裝于電網(wǎng)系統(tǒng)線路出口處。本發(fā)明限制的故障電流可由原有的斷路器可靠地?cái)嚅_(kāi)。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于超導(dǎo)電感和低溫整流器橋在同一個(gè)低溫運(yùn)行環(huán)境下集成，其中低溫整流器橋主要由運(yùn)行在低溫下的MOSFET組成。利用MOSFET在低溫下通態(tài)損耗大大降低的特性，采用同步整流技術(shù)控制，可以實(shí)現(xiàn)磁體的充電并且閉環(huán)維持。用于超導(dǎo)限流器時(shí)，除了體積減小等優(yōu)點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢(shì)是由于MOSFET整流橋的損耗非常小，對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略，因此省去了通常的超導(dǎo)限流器需要的偏壓電源；而且MOSFET并聯(lián)的二極管在低溫下壓降上升，從而磁體失超時(shí)的二極管保護(hù)性能也得以提高。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的美國(guó)專(zhuān)利50014的原理圖。D1、D2、D3、D4二極管整流橋，HTS-L超導(dǎo)線圈，VDC直流偏置電源，VS交流電源，A負(fù)載。
圖2是本發(fā)明在單相系統(tǒng)中的原理圖，T1、T2、T3、T4為低溫MOSFET，D1、D2、D3、D4MOSFET寄生二極管，L超導(dǎo)線圈，AC交流電源，R1線路電阻，XL線路電抗，DL斷路器，ZLoad負(fù)載。
圖3是本發(fā)明在單相系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例，AC交流電源，RL線路電阻，XL線路電抗，DL斷路器，ZLoad負(fù)載，F(xiàn)CL低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述本發(fā)明低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器如圖2中虛線框所示。如圖2所示，本發(fā)明連接于AC電力系統(tǒng)線路出口母線處，四個(gè)低溫下的MOSFET T1、T2、T3、T4組成整流橋，T1、T3組成一個(gè)橋臂，T2、T4組成另一個(gè)橋臂，其直流側(cè)連接超導(dǎo)線圈L，交流側(cè)串聯(lián)于交流線路中。構(gòu)成低溫部分的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)，特別是其高壓器件，置于液氮溫區(qū)(77K)，其通態(tài)電阻可以降到室溫下的1/10～1/30，而且頻率可以大大提高。從而大大降低了這種限流器的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。省去了通常的超導(dǎo)限流器需要的偏壓電源；MOSFET在低溫下運(yùn)行，電流工作區(qū)也有了很大的提高，穩(wěn)態(tài)工作電流提高3-5倍，瞬時(shí)工作電流提高十幾倍；MOSFET在低溫下運(yùn)行，可以省掉散熱片，與超導(dǎo)線圈L集成在一起，體積小，效率高；而且MOSFET并聯(lián)的二極管在低溫下壓降上升，從而磁體失超時(shí)的二極管保護(hù)性能也得以提高。
系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)超導(dǎo)線圈的直流電流IL大于線路電流ILine，超導(dǎo)線圈通過(guò)MOSFET T1、T3及T2、T4回路充電，此時(shí)加入的低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響。在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，若故障電流正半波流過(guò)故障限流器，當(dāng)故障電流的瞬時(shí)值大于等于流過(guò)超導(dǎo)線圈L的直流時(shí)，則四個(gè)MOSFET關(guān)斷，故障電流通過(guò)D1、L、D4，此時(shí)超導(dǎo)線圈L與兩個(gè)二極管D1、D4同時(shí)串入系統(tǒng)進(jìn)行故障限流；若故障電流負(fù)半波流過(guò)故障限流器，當(dāng)故障電流的瞬時(shí)值大于等于流過(guò)超導(dǎo)線圈L的直流時(shí)，則四個(gè)MOSFET關(guān)斷，故障電流通過(guò)D2、L、D3，此時(shí)超導(dǎo)線圈L與兩個(gè)二極管D2、D3同時(shí)串入系統(tǒng)進(jìn)行故障限流。二極管D1、D2、D3、D4在低溫下壓降上升，因此更加強(qiáng)了限流效果。
圖3中虛線框中所示為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。本發(fā)明安裝于AC電力系統(tǒng)線路出口母線處，與負(fù)載饋線相串聯(lián)，其中AC交流電源，RL線路電阻，XL線路電抗，DL斷路器，ZLoad負(fù)載，F(xiàn)CL低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器。低溫下的MOSFET組成的整流橋與超導(dǎo)線圈L集成在一個(gè)低溫容器下，只有兩條電流引線引出，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的串并聯(lián)，若有n條FCL并聯(lián)，有利于將故障電流分流，使每個(gè)串聯(lián)支路上的電流值為故障電流的1/n，若有k個(gè)FCL串聯(lián)，則增大了FCL的耐壓等級(jí)，使其增大為單個(gè)FCL的k倍，多個(gè)FCL串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器的電壓等級(jí)和限流能力。
本發(fā)明利用了低溫環(huán)境下MOSFET的損耗小，電流工作區(qū)大的優(yōu)良特性，省去了偏壓源和散熱片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使電力電子器件與超導(dǎo)線圈L集成在一個(gè)低溫環(huán)境下，減小體積，降低損耗，提高效率。系統(tǒng)正常時(shí)流過(guò)超導(dǎo)線圈L的是一直流，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行幾乎無(wú)影響；系統(tǒng)故障后，即當(dāng)故障電流大于流過(guò)超導(dǎo)線圈L的直流電流時(shí)，限流電路串入超導(dǎo)線圈L和兩個(gè)MOSFET寄生二極管，并且利用二極管在低溫環(huán)境下壓降上升的特點(diǎn)，可靠的限制故障電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值，既大大減輕了故障電流對(duì)系統(tǒng)的沖擊，又使得現(xiàn)有斷路器可安全的切斷故障電流。低溫集成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使限流系統(tǒng)串并聯(lián)更為容易，提高了限流器應(yīng)用電網(wǎng)的電壓等級(jí)及限流能力。本發(fā)明用于輸配電網(wǎng)，不僅解決了系統(tǒng)故障電流過(guò)大問(wèn)題，而且還大大降低了系統(tǒng)中各元器件耐流量的要求，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，若用于高壓或超高壓輸電網(wǎng)還可以極大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
權(quán)利要求
1.一種低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器，其特征在于它連接于AC電力系統(tǒng)線路出口母線處，由四個(gè)MOSFETT1、T2、T3、T4組成整流橋，MOSFET[T1、T3]組成一個(gè)橋臂，[T2、T4]組成另一個(gè)橋臂；其直流側(cè)聯(lián)接超導(dǎo)線圈[L]，交流側(cè)串聯(lián)于交流線路中；構(gòu)成低溫部分的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Power MOSFET)，特別是其高壓器件置于液氮溫區(qū)；兩根整流橋交流側(cè)的電流引線引出與系統(tǒng)相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器，其特征在于可以有n條低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器并聯(lián)或有k個(gè)低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器串聯(lián)。
全文摘要
一種用于輸配電網(wǎng)的低溫橋路型超導(dǎo)故障限流器，安裝于系統(tǒng)線路出口處與斷路器DL相串聯(lián)，由四個(gè)MOSFET[T
文檔編號(hào)H02H9/02GK1874102SQ20051001183
公開(kāi)日2006年12月6日 申請(qǐng)日期2005年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者趙彩宏, 黃曉華, 肖立業(yè), 林良真, 余運(yùn)佳 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電工研究所