一種新型的直流超導(dǎo)限流器及直流斷路器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的直流超導(dǎo)限流器及直流斷路器，直流超導(dǎo)限流器包括相并聯(lián)的超導(dǎo)帶材和直流電阻，所述超導(dǎo)帶材為一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)帶材并聯(lián)和/或串聯(lián)的形式，所述直流電阻為一個(gè)或多個(gè)直流電阻并聯(lián)和/或串聯(lián)的形式；直流斷路器為上述所述的新型的直流超導(dǎo)限流器和直流開斷模塊相串聯(lián)組成；該新型的直流超導(dǎo)限流器能夠和直流斷路器在高電壓大電流場合配合使用。在較高的額定電壓等級(jí)下先通過直流超導(dǎo)限流器限制故障電流到較低的值，再由直流斷路器斷開較低的故障電流值，因?yàn)橹绷鞒瑢?dǎo)限流器可以將故障電流的值限制到很低的水平，所以可以有效降低直流斷路器開斷直流故障電流的難度。
【專利說明】一種新型的直流超導(dǎo)限流器及直流斷路器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及限流器【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種新型的直流超導(dǎo)限流器及直流斷路器。
【背景技術(shù)】
[0002]雖然直流輸電技術(shù)發(fā)展已經(jīng)比較成熟，但是相對(duì)于交流輸電系統(tǒng)靈活、多樣的聯(lián)結(jié)方式，目前世界上已運(yùn)行的直流系統(tǒng)絕大多數(shù)仍采用兩端系統(tǒng)，其主要原因就是缺乏實(shí)用的高壓直流斷路器。隨著直流輸電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，多端系統(tǒng)必然成為新的發(fā)展方向，而運(yùn)用高壓直流斷路器可以實(shí)現(xiàn)改變現(xiàn)有的高壓直流輸電線路的“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式”，使高壓輸電線路變?yōu)榻M網(wǎng)的模式，利用高壓直流斷路器可以實(shí)現(xiàn)將兩端直流輸電系統(tǒng)向多端直流輸電系統(tǒng)的發(fā)展，并且使實(shí)現(xiàn)高壓直流網(wǎng)絡(luò)成為可能。作為系統(tǒng)中起著控制和保護(hù)雙重作用的開關(guān)電器，直流斷路器的研制具有十分重要的意義?，F(xiàn)今我國特高壓直流輸電方式采用雙端網(wǎng)絡(luò)，存在著傳輸方式的單一性。如果有適用的特高壓直流斷路器，不僅能夠建立直流多站系統(tǒng)，還可以建立直流系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)，使直流系統(tǒng)具有靈活的運(yùn)行方式和可靠的調(diào)節(jié)手段。因此，直流斷路器是解決系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、提高可靠性和可控性的重要途徑。目前常用的高壓直流斷路器的原理有自激振蕩型，它激振蕩型和利用限流器件先限流再開斷型。利用限流器先限流再開斷是當(dāng)今熱門的研究方向，這也與目前限流技術(shù)的快速發(fā)展是分不開的。限流技術(shù)之所以受到關(guān)注，主要有以下兩個(gè)原因:第一，電網(wǎng)容量不斷增加，短路電流水平也隨之增加，限制短路電流可以提高電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、電網(wǎng)供電質(zhì)量以及電網(wǎng)的運(yùn)行靈活性；第二，現(xiàn)有功率器件過載能力低，而且能承受的di/dt、du/dt有限，為防止故障時(shí)對(duì)功率器件造成擊穿或損壞，需使用電流限制器。若只使用超導(dǎo)帶材進(jìn)行故障電流的限制，一是直流系統(tǒng)故障電流大，極易損壞超導(dǎo)帶材，二是若只使用超導(dǎo)帶材限流，則需要把故障電流限制到很低的水平，故障電流全部由超導(dǎo)帶材承擔(dān)，需要大量的超導(dǎo)帶材，使超導(dǎo)限流器的價(jià)格十分昂貴。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種新型的直流超導(dǎo)限流器及直流斷路器，本發(fā)明新型的直流超導(dǎo)限流器能夠運(yùn)用在高電壓場合，具有限制大故障電流的能力。
[0004]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0005]一種新型的直流超導(dǎo)限流器，包括相并聯(lián)的超導(dǎo)帶材I和直流電阻2，所述超導(dǎo)帶材I為一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)帶材并聯(lián)和/或串聯(lián)的形式，所述直流電阻2為一個(gè)或多個(gè)直流電阻并聯(lián)和/R或串聯(lián)的形式。
[0006]通過在所述超導(dǎo)帶材I上添加磁場的方法來提高超導(dǎo)帶材的失超速度，提高其限制電流的能力，使限流更加迅速。
[0007]在所述超導(dǎo)帶材I上還并聯(lián)有過電壓吸收裝置5，用于吸收超導(dǎo)帶材I兩端的過電壓。
[0008]所述過電壓吸收裝置5為氧化鋅避雷器。
[0009]一種直流斷路器，由上述所述的新型的直流超導(dǎo)限流器和直流開斷模塊3相串聯(lián)組成。
[0010]超導(dǎo)帶材并聯(lián)直流電阻的選擇:
[0011]超導(dǎo)帶材并聯(lián)的直流電阻的主要作用為分流，使大部分故障電流從并聯(lián)的直流電阻中通過，從而使流過超導(dǎo)帶材的電流減小，超導(dǎo)帶材的產(chǎn)熱量減少，從而減少超導(dǎo)帶材的長度。本實(shí)施例并聯(lián)電阻為純電阻的形式，不采用直流電阻和電感的串聯(lián)形式，因?yàn)槿舸?lián)直流電感，在故障電流到來時(shí)，電感的阻值增大，使并聯(lián)電阻部分的阻值增大，電流轉(zhuǎn)移到超導(dǎo)帶材中去，從而起不到保護(hù)超導(dǎo)帶材和減少超導(dǎo)帶材長度的目的。
[0012]并聯(lián)直流電阻的阻值選擇可為超導(dǎo)帶材失超后電阻的五分之一，所以故障電流的六分之五從并聯(lián)電阻中流過，只有故障電流的六分之一從超導(dǎo)帶材中流過，超導(dǎo)帶材的失超后電阻會(huì)逐漸增大，所以超導(dǎo)帶材中的電流會(huì)逐漸減小，從而起到保護(hù)超導(dǎo)帶材的目的。
[0013]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0014]1、現(xiàn)有的直流超導(dǎo)限流器采用超導(dǎo)帶材直接限流，故障電流值全部由超導(dǎo)帶材本身承擔(dān)，由于大的故障電流由超導(dǎo)帶材本身承擔(dān)，超導(dǎo)帶材在瞬間產(chǎn)生大量熱量，容易徹底損壞；本發(fā)明采用超導(dǎo)帶材和電阻相并聯(lián)的形式，故障電流由超導(dǎo)帶材和并聯(lián)的電阻共同承擔(dān)，大部分的故障電流從并聯(lián)電阻中流過，超導(dǎo)帶材承的障電流值減小，產(chǎn)生的熱量減少，損壞的可能性大大降低。并聯(lián)電阻起到了保護(hù)超導(dǎo)帶材的目的。
[0015]2、超導(dǎo)帶材并聯(lián)電阻后總的電阻值減小，直流系統(tǒng)中的電阻4和此總電阻值共同分壓，所以超導(dǎo)帶材需要承受的電壓值減小，需要的超導(dǎo)帶材的長度減少可以減少為原來的20%左右?？梢詼p少直流超導(dǎo)限流器的成本和體積。
[0016]3、當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)大的故障電流時(shí)，超導(dǎo)帶材I的阻值瞬間增大，大部分電流從并聯(lián)電阻2中流過，所以電流被限制到較低的值，使直流斷路器可以很容易的開斷被限制的直流故障電流，降低了直流斷路器的開斷難度。由于直流斷路器需要開斷的電流值減小，可以降低直流斷路器的成本和設(shè)計(jì)研發(fā)難度。假設(shè)直流系統(tǒng)的線路電阻為R4，超導(dǎo)帶材和電阻并聯(lián)后的阻值為R，直流線路的電流為Idc，系統(tǒng)的額定電壓為Vdd直流系統(tǒng)的電感值為Ldc，直流系統(tǒng)故障電流的時(shí)間常數(shù)為τ，可以得到:
[0017]Idc=Vdc/ (R+R4)
[0018]τ =Ldc/ (R+R4)
[0019]4、本發(fā)明超導(dǎo)限流器為高溫電阻型超導(dǎo)限流器，電阻型超導(dǎo)限流器具有結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度快，電流過載系數(shù)低的特點(diǎn)；材料采用釔鋇銅氧化物YBCO或其他超導(dǎo)材料，因其電阻在失超時(shí)很大，能將故障電流限制在很低的水平；并聯(lián)電阻起到分流的作用，大部分故障電流從電阻中流過，起到了保護(hù)超導(dǎo)帶材的作用。在系統(tǒng)沒有故障電流時(shí)，電流從超導(dǎo)帶材中通過，超導(dǎo)帶材在超導(dǎo)態(tài)時(shí)無電阻，所以所設(shè)計(jì)的新型的直流超導(dǎo)限流器的損耗極小。
[0020]5、本發(fā)明超導(dǎo)限流模塊為多個(gè)超導(dǎo)帶材和并聯(lián)電阻串聯(lián)或/和并聯(lián)組成，直流開斷模塊也為多個(gè)直流斷路器串聯(lián)或/和并聯(lián)組成，當(dāng)超導(dǎo)限流模塊和直流開斷模塊采取多個(gè)模塊相串聯(lián)的形式時(shí)，能夠提高所構(gòu)成的高壓直流斷路器的額定電壓；當(dāng)超導(dǎo)限流模塊和直流開斷模塊分別采用多個(gè)模塊相并聯(lián)的形式時(shí)，能夠提高所構(gòu)成的高壓直流斷路器的額定電流。
[0021]6、因?yàn)槌瑢?dǎo)帶材快速失超，電阻瞬間增大，同時(shí)和并聯(lián)電阻一同承擔(dān)故障電流，由于超導(dǎo)帶材的阻值更大，所以所承擔(dān)的電流值減小，并聯(lián)電阻后的超導(dǎo)帶材不用承擔(dān)過大的故障電流，產(chǎn)生的熱量減少，對(duì)相同的恢復(fù)時(shí)間來說，可以承受的電壓值增大，可以大大減少超導(dǎo)帶材的長度，從而節(jié)省成本。超導(dǎo)帶材無需承受很大的故障電流，所以超導(dǎo)帶材的產(chǎn)熱減少，損壞的可能性減少。超導(dǎo)帶材的產(chǎn)熱減少，可以縮短超導(dǎo)帶材的恢復(fù)時(shí)間，可以減少冷卻液的氣化量，降低擊穿的可能性，在高電壓等級(jí)下尤其重要?？梢酝ㄟ^并聯(lián)過電壓吸收裝置來限制超導(dǎo)帶材和并聯(lián)電阻兩端的電壓，例如使用氧化鋅避雷器來保護(hù)過電壓給超導(dǎo)帶材和并聯(lián)的電阻帶來的損壞，在直流系統(tǒng)中過電壓吸收裝置的位置不同，保護(hù)的作用也不同。
[0022]7、超導(dǎo)帶材的用量減少，可以有效減小超導(dǎo)限流部分的體積和成本，冷卻設(shè)備的體積減小，也減少了成本。設(shè)備體積的減小，使提高設(shè)備的電壓等級(jí)更加容易。新型的直流超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)也比較容易。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1是本發(fā)明單個(gè)超導(dǎo)帶材和直流電阻相并聯(lián)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為給直流超導(dǎo)限流器增加并聯(lián)過電壓吸收裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3是本發(fā)明直流斷路器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為說明直流斷路器在多端直流輸電系統(tǒng)的重要性的說明圖。
[0027]圖5是本發(fā)明直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖6為在圖5的基礎(chǔ)上增加過電壓吸收裝置的示意圖。
[0029]圖7為圖6在出現(xiàn)截流情況時(shí)的波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0031]如圖1所示，本發(fā)明一種新型的直流超導(dǎo)限流器，包括相并聯(lián)的超導(dǎo)帶材I和直流電阻2。
[0032]如圖2所示，給限流模塊并聯(lián)過電壓吸收裝置5，起到保護(hù)超導(dǎo)帶材和并聯(lián)電阻的作用。
[0033]如圖3所示，為超導(dǎo)限流模塊和直流開斷模塊相串聯(lián)組成的高壓直流斷路器。該高壓直流斷路器具有開斷大直流故障電流的能力。超導(dǎo)限流模塊為多個(gè)超導(dǎo)帶材及并聯(lián)電阻相串聯(lián)或/和并聯(lián)構(gòu)成。直流開斷模塊為多個(gè)直流斷路器串聯(lián)或/和并聯(lián)構(gòu)成。為了提高本發(fā)明所構(gòu)成高壓直流斷路器的額定電壓，可以采用多個(gè)直流開斷模塊相串聯(lián)的形式，超導(dǎo)限流模塊也可以采用多個(gè)串聯(lián)的形式。為了提高本發(fā)明所構(gòu)成高壓直流斷路器的額定電流，可以采用多個(gè)直流限流模塊并聯(lián)的形式，超導(dǎo)限流模塊也可以采用多個(gè)并聯(lián)的形式。
[0034]圖4為直流斷路器在多端直流輸電系統(tǒng)的重要作用，高壓直流斷路器的成功研制使多端直流輸電成為可能。高壓直流斷路器的成功研制是高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)可以形成的關(guān)鍵。[0035]圖5直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。為說明在直流系統(tǒng)中為了降低出現(xiàn)截流時(shí)產(chǎn)生的過電壓，在直流輸電系統(tǒng)中增加吸收過電壓的電容器6。目的在于在直流斷路器開斷電流時(shí)，如果出現(xiàn)截流現(xiàn)象，此電流可以轉(zhuǎn)移到和其并聯(lián)的電容器6上，電容器6充電使其電壓升高，當(dāng)流過直流系統(tǒng)中電感的電流等于零時(shí)，電容上的電壓達(dá)到最大值，然后，電容再對(duì)系統(tǒng)中的電感和電源放電，經(jīng)幾次衰減振蕩之后，最后電容兩端的電壓穩(wěn)定在電源電勢(shì)的數(shù)值，即限制了系統(tǒng)的過電壓，從而達(dá)到保護(hù)限流模塊和開斷模塊的目的。
[0036]圖6為在圖5的基礎(chǔ)上增加過電壓吸收裝置5的示意圖。直流系統(tǒng)中為了限制線路中不同種類的過電壓，在直流系統(tǒng)中安裝過電壓吸收裝置5。本實(shí)施例過電壓吸收裝置5為氧化鋅避雷器。
[0037]圖7為圖6電路圖出現(xiàn)截流情況時(shí)的波形圖，I為流過直流系統(tǒng)的總電流，V為電容器6兩端的電壓，Ic^PVtl分別為直流輸電系統(tǒng)的額定電壓和額定電流。在h時(shí)刻，直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，故障電流迅速上升，在流過超導(dǎo)帶材的電流超過超導(dǎo)帶材的臨界電流值時(shí)，超導(dǎo)帶材迅速失超，產(chǎn)生電阻，超導(dǎo)帶材和并聯(lián)電阻在tl時(shí)刻開始限流，因?yàn)槌瑢?dǎo)帶材的電阻增加，所以系統(tǒng)的電流減小，在電流未減小到零時(shí)，開斷模塊已經(jīng)將電流開斷，出現(xiàn)截流現(xiàn)象。由于超導(dǎo)帶材在失超前電阻很小，開斷模塊的電阻也很小，所以在h時(shí)刻前電壓V的值很小，失超后，超導(dǎo)帶材的電阻值增大，限流模塊的電阻增大，所以V呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在t2時(shí)刻，出現(xiàn)截流，假設(shè)截流電流為I1,出現(xiàn)截流時(shí)，電容器兩端電壓為V1，在t2時(shí)刻電容器兩端電壓V迅速增大，電壓增大的值由電容的值和系統(tǒng)中的電感值L決定。當(dāng)流過系統(tǒng)電感L的電流為零時(shí)，電容C上的電壓達(dá)到最大值Vmax,由能量守恒原理:
[0038](C X Vmax2) /2= (I12XL) /2+ (C X V12) /2
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種新型的直流超導(dǎo)限流器，其特征在于:包括相并聯(lián)的超導(dǎo)帶材(I)和直流電阻(2)，所述超導(dǎo)帶材(I)為一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)帶材并聯(lián)和/或串聯(lián)的形式，所述直流電阻(2)為一個(gè)或多個(gè)直流電阻并聯(lián)和/或串聯(lián)的形式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型直流超導(dǎo)限流器，其特征在于:通過在所述超導(dǎo)帶材(I)上添加磁場的方法來提高超導(dǎo)帶材的失超速度，提高其限制電流的能力，使限流更加迅速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型直流超導(dǎo)限流器，其特征在于:所述直流電阻(2)的阻值為超導(dǎo)帶材(I)失超后電阻的五分之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型直流超導(dǎo)限流器，其特征在于:在所述超導(dǎo)帶材(I)上還并聯(lián)有過電壓吸收裝置(5)，用于吸收超導(dǎo)帶材(I)兩端的過電壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種新型直流超導(dǎo)限流器，其特征在于:所述過電壓吸收裝置(5)為氧化鋅避雷器。
6.一種直流斷路器，其特征在于:由權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)所述的新型的直流超導(dǎo)限流器和直流開斷模塊(3)相串聯(lián)組成。
【文檔編號(hào)】H02H9/02GK103956718SQ201410074849
【公開日】2014年7月30日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】王建華, 劉志遠(yuǎn), 項(xiàng)彬, 耿英三, 柳父悟, 譚亞雄, 楊騉 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)