專利名稱：超導型混合限流開關的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)短路故障時使用的限流開關，尤其涉及一種超導型混合限流開關。
背景技術：
隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代化程度的日益提高、新型供電網(wǎng)絡的不斷發(fā)展和系統(tǒng)容量的不斷增大，一方面提高了系統(tǒng)供電的可靠性、連續(xù)性和供電品質(zhì)，但同時也帶來了短路故障電流水平的迅速提高，短路電流的危害日漸突出。巨大的短路沖擊電流已經(jīng)超過了現(xiàn)有斷路器的極限接通和分斷能力。在短路情況較嚴重的時候(例如發(fā)電機出線端短路)，短路電流將達到額定運行時電流值的十倍以上。因此，若不在電力系統(tǒng)中采取合適的限流技術，一旦發(fā)生短路故障，將無法實現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護，可能導致全面停電，后果將十分嚴重。
目前，國內(nèi)外研究者為解決電力系統(tǒng)保護問題開展了大量的故障電流限制技術研究。采用或提出的方法有斷路器、熔斷器、電力電子固態(tài)開關等。但由于大容量斷路器存在動作時間長，制造難度和造價很高，且不能使發(fā)、配電設備免受故障電流峰值電動力和熱效應沖擊的問題，而不能滿足系統(tǒng)短路電流增長的需要。額定大電流的熔斷器自身起弧時間較長，實際分斷時系統(tǒng)的短路電流也相當大，對于復雜結構的電網(wǎng)來說，同時也犧牲了保護的選擇性，故障后恢復慢，降低了系統(tǒng)運行的自動化水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術存在的不足，提出一種開關動作快速準確，能有效抑制短路的超導型混合限流開關。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案一種超導型混合限流開關，包括電磁斥力式機械開關、固態(tài)開關和超導限流器，其特征是所述固態(tài)開關和超導限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機械開關并聯(lián)。
在上述方案中，所述電磁斥力式機械開關由斥力驅(qū)動線圈、運動盤、開關觸頭和斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路構成，所述運動盤位于開關觸頭上，斥力驅(qū)動線圈位置對應于運動盤。
在上述方案中，所述斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路由直流電源E，電容C，電阻R和受控開關器件G組成，所述直流電源E的一個輸出端與電阻R一端相連，電阻R的另一端分兩路輸出，一路與電容C的一端相連，另一路與受控開關器件G的一端相連，電容C另一端分兩路輸出，一路與直流電源E的另一端相連，一路與斥力驅(qū)動線圈一端相連，受控開關器件G的另一端與斥力驅(qū)動線圈的另一端相連，受控開關器件G的控制端與控制器相連。
上述受控開關器件G為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
在上述方案中，所述固態(tài)開關采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
在上述方案中，所述超導限流器由超導材料YBCO薄膜和保證該超導材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器構成，超導材料YBCO薄膜置于低溫杜瓦容器內(nèi)。
在低溫杜瓦容器內(nèi)可以設置有至少兩片YBCO薄膜，每片薄膜之間以串并聯(lián)的方式相連。
在上述運動盤上面設有能使運動盤相對于開關觸頭有一個預緊力的預緊裝置。
上述預緊裝置為預緊力彈簧或磁力吸合裝置。
本發(fā)明提出將電磁斥力式機械開關、固態(tài)開關和超導限流器技術進行綜合優(yōu)化設計的超導型混合限流開關方案。工作原理為當系統(tǒng)正常運行時，固態(tài)開關斷開，電流全部從電磁斥力式機械開關上流過，此時超導限流器不工作；當檢測出系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，導通固態(tài)開關，同時分斷電磁斥力式機械開關，將短路電流換流至超導限流器上，超導限流器將短路電流限制在固態(tài)開關可以分斷的范圍內(nèi)。該方案有效降低了超導限流器額定運行在大電流狀態(tài)下對超導材料及其低溫制冷系統(tǒng)的要求。
該方案具有將電磁斥力式機械開關能夠長時通過千安級額定電流的能力，避免了超導限流器長期工作在額定大電流時對低溫冷卻系統(tǒng)的要求。超導限流器只在故障狀態(tài)短時串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關可分斷的范圍，并利用固態(tài)開關將短路電流分斷。本方案解決了電磁斥力式機械開關分斷數(shù)十千安短路電流的滅弧難題，且極大降低了低溫冷卻系統(tǒng)的要求，有著廣闊的工程應用前景和良好經(jīng)濟效益，為超導技術的工程實用化提供開辟了一條新的道路。


圖1是本發(fā)明的結構原理圖。
圖2是電磁斥力式機械開關原理圖。
圖3是斥力驅(qū)動線圈控制電路圖。
圖4是超導材料YBCO薄膜串并聯(lián)電路原理圖。
圖5是超導限流器結構示意圖。
具體實施例方式
本實施例包括兩條并聯(lián)的支路，參見圖1和圖2，電磁斥力式機械開關1為通流支路，而固態(tài)開關2和超導限流器3串聯(lián)組成換流支路。所述電磁斥力式機械開關1由斥力驅(qū)動線圈4、運動盤5、預緊力彈簧、開關觸頭6和斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路構成，所述運動盤5為銅制或鋁制的導電盤，位于開關觸頭6上，預緊彈簧位于運動盤5上面，使運動盤5相對于開關觸頭有一個預緊力，斥力驅(qū)動線圈4位于運動盤5下面。預緊彈簧可以用磁力吸合裝置代替。
上述斥力驅(qū)動線圈控制電路(參見圖3)由變壓器T、二極管D1、電阻R、整流元件(二極管)D2、電容C、受控開關器件G組成，所述受控開關器件為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。在本實施例中，受控開關器件采用晶閘管G。所述變壓器T初級繞組連接交流電源，次級繞組的一端接整流元件D2正極，整流元件D2的負極接電阻R一端，通過整流元件D2給電容C提供直流電源，電阻R另一端分兩路輸出，一路與電容C一端相連，另一路與晶閘管G的正極相連，電容C另一端與變壓器T次級繞組的另一端相連，晶閘管G的負極分兩路輸出，一路與斥力驅(qū)動線圈一端相連，另一路與二極管D1負極相連，二極管D1的正極和斥力驅(qū)動線圈另一端與變壓器T次級繞組的另一端相連，晶閘管G的控制端與控制器相連。
上述T為升壓變壓器，二極管D1為斥力驅(qū)動線圈提供續(xù)流電路，變壓器通過D2整流為斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路提供直流電源向電容C充電，控制器通過晶閘管G的導通時間來控制電容器C的放電。
所述固態(tài)開關采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
參見圖4和圖5，所述超導限流器3由三片也可以多片超導材料YBCO薄膜31和保證該超導材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器32構成。多片YBCO薄膜31進行適當?shù)拇⒙?lián)置于低溫杜瓦容器32內(nèi)。三片YBCO薄膜31經(jīng)電流引線33連接到兩根銅排34上，再由主引線35與外電路進行連接。低溫杜瓦容器是保證限流器能夠處于液氮溫度(77K)，YBCO薄膜正常工作于超導狀態(tài)的必要裝置。超導限流器3只在故障狀態(tài)短路時串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關可分斷的范圍，并利用固態(tài)開關將短路電流分斷，有效降低了超導限流器額定運行在大電流狀態(tài)下對超導材料及其低溫制冷系統(tǒng)的要求。在圖5中件號36為支架，件號37為隔板，件號38為液氮。
超導限流器3中薄膜的串并聯(lián)數(shù)量由系統(tǒng)的電壓和電流參數(shù)確定。由于YBCO薄膜的單位長度耐壓約8V/cm，單片直徑10cm薄膜的有效長度為80cm，因此用系統(tǒng)電壓除以薄膜耐壓和單片薄膜的有效長度，可以計算出所需串聯(lián)薄膜的片數(shù)。所需并聯(lián)的YBCO薄膜數(shù)量由系統(tǒng)要求的動作電流和薄膜的臨界電流確定。動作電流除以單片薄膜的臨界電流(80A)可以得到所需并聯(lián)的薄膜數(shù)量。根據(jù)上述原理，在本發(fā)明所述的低溫杜瓦容器內(nèi)可以設置一片兩片乃至多片YBCO薄膜，以適應系統(tǒng)的電壓和電流。
電磁斥力開關的工作原理為，當受控開關器件G導通，由于回路電感很小，使斥力驅(qū)動線圈中產(chǎn)生巨大的電容放電電流脈沖，斥力驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場匝穿越運動盤，在運動盤中感應出電流，這個感應電流所產(chǎn)生的磁場與斥力驅(qū)動線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，斥力驅(qū)動線圈與運動盤之間立即產(chǎn)生斥力F，使運動盤向上迅速運動。放電時脈沖電流的增長速度di/dt越大，運動盤中產(chǎn)生的感應電流也就越大，斥力越大。而當電流不變化時，則斥力為零。
權利要求
1.一種超導型混合限流開關，包括電磁斥力式機械開關、固態(tài)開關和超導限流器，其特征是所述固態(tài)開關和超導限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機械開關并聯(lián)。
2.根據(jù)權利要求1所述的超導型混合限流開關，其特征是所述電磁斥力式機械開關由斥力驅(qū)動線圈、運動盤、開關觸頭和斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路構成，所述運動盤位于開關觸頭上，斥力驅(qū)動線圈位置對應于運動盤。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的超導型混合限流開關，其特征是所述斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路由直流電源E，電容C，電阻R和受控開關器件G組成，所述直流電源E的一個輸出端與電阻R一端相連，電阻R的另一端分兩路輸出，一路與電容C的一端相連，另一路與受控開關器件G的一端相連，電容C另一端分兩路輸出，一路與直流電源E的另一端相連，一路與斥力驅(qū)動線圈一端相連，受控開關器件G的另一端與斥力驅(qū)動線圈的另一端相連，受控開關器件G的控制端與控制器相連。
4.根據(jù)權利要求3所述的超導型混合限流開關，其特征是所述受控開關器件G為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的超導型混合限流開關，其特征是所述固態(tài)開關采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的超導型混合限流開關，其特征是所述超導限流器由超導材料YBCO薄膜和保證該超導材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器構成，超導材料YBCO薄膜置于低溫杜瓦容器內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求6所述的超導型混合限流開關，其特征是在低溫杜瓦容器內(nèi)設置有至少兩片YBCO薄膜，每片薄膜之間以串/并聯(lián)的方式相連。
8.根據(jù)權利要求1或2所述的超導型混合限流開關，其特征是在運動盤上面設有能使運動盤相對于開關觸頭有一個預緊力的預緊裝置。
9.根據(jù)權利要求8所述的超導型混合限流開關，其特征是所述預緊裝置為預緊力彈簧或磁力吸合裝置。
全文摘要
一種超導型混合限流開關，包括電磁斥力式機械開關、固態(tài)開關和超導限流器，其特征是所述固態(tài)開關和超導限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機械開關并聯(lián)，所述電磁斥力式機械開關由斥力驅(qū)動線圈、運動盤、開關觸頭和斥力驅(qū)動線圈驅(qū)動電路構成，所述運動盤位于開關觸頭上，斥力驅(qū)動線圈位置對應于運動盤。本發(fā)明具有快速開關能夠長時通過千安級額定電流的能力，降低了超導限流器長期工作在額定大電流時對低溫冷卻系統(tǒng)的要求。超導限流器只在故障狀態(tài)短時串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關可分斷的范圍，并利用固態(tài)開關將短路電流分斷。本方案解決了快速開關分斷數(shù)十千安短路電流的滅弧難題，且極大降低了低溫冷卻系統(tǒng)的要求，有著廣闊的工程應用前景和良好經(jīng)濟效益。
文檔編號H02H9/02GK1972052SQ20061012519
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權日2006年11月30日
發(fā)明者莊勁武 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學