本發(fā)明屬于電工技術(shù)領(lǐng)域，更準(zhǔn)確地，本發(fā)明涉及一種適用于電力系統(tǒng)短路保護(hù)的故障電流限制器。

背景技術(shù)：

構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)，將來輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)可選用的一種重要方式是電壓源型高壓直流輸電(vschvdc)，直流短路故障電流的快速斷開問題是vsc-hvdc電網(wǎng)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

目前，盡管高壓直流斷路器被認(rèn)為是解決直流電網(wǎng)短路故障問題的有效辦法之一，但是，隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展和輸電容量的不斷上升，使得短路電流的水平不斷提高，當(dāng)短路大電流超過高壓直流斷路器的遮斷容量時(shí)，則斷路器無法動(dòng)作，故障無法切除，而繼續(xù)發(fā)展更大容量的直流斷路器又面臨一系列難點(diǎn)與挑戰(zhàn)，如滅弧困難、過壓高、吸收故障能量大，同時(shí)直流斷路器還存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗高，體積大等缺點(diǎn)，而目前的混合式直流斷路器雖有應(yīng)用前景，但尚處于研制階段且研發(fā)成本高昂，因此，目前缺乏實(shí)用的高壓直流保護(hù)設(shè)備，這成為制約高壓直流輸(配)電網(wǎng)絡(luò)實(shí)際工程應(yīng)用和發(fā)展的主要瓶頸。

故障電流限制器(faultcurrentlimiter：fcl)的概念于上世紀(jì)70年代首先提出，其基本思想為：快速檢測(cè)即將出現(xiàn)的短路電流峰值，并提前采取措施將其限定在較低水平，以滿足已有斷路器在不超過其切斷能力的前提下切斷短路故障。fcl是一種串聯(lián)接在系統(tǒng)中的電氣設(shè)備，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)它呈現(xiàn)出較低阻抗，在故障運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)高阻抗以進(jìn)行限流操作。

超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，損耗低的特點(diǎn)成功彌補(bǔ)了直流斷路器的不足，降低了直流斷路器的開斷電流水平，減小短路電流的同時(shí)提高了斷路器動(dòng)作的可靠性。因此，直流故障限流器與高壓直流斷路器配合是解決直流短路故障的一種新方法。通過直流故障限流器可有效限制故障電流的峰值和降低其上升速率，實(shí)現(xiàn)高壓直流斷路器的輕型化。研究直流超導(dǎo)限流設(shè)備與斷路器配合使用是解決高壓直流輸電保護(hù)問題的關(guān)鍵。從設(shè)備及措施角度來看，如果能夠在系統(tǒng)中某些點(diǎn)建設(shè)一些專門用于限制系統(tǒng)故障電流的設(shè)備，可以從根本上解決系統(tǒng)短路電流水平超標(biāo)問題，從而大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)規(guī)劃的難度。另外，若在規(guī)劃與建設(shè)階段即考慮用限流器降低系統(tǒng)短路電流，還可能降低建設(shè)造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用。

與普通的限流裝備相比，超導(dǎo)限流器具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)利用超導(dǎo)體自身的特性，超導(dǎo)限流器在短路故障發(fā)生時(shí)的響應(yīng)速度快，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)做出反應(yīng)，從而幾毫秒之內(nèi)就可以完成對(duì)短路電流的限制，大大增加了電網(wǎng)的安全可靠性。(2)超導(dǎo)限流器在運(yùn)行時(shí)呈超導(dǎo)狀態(tài)，為系統(tǒng)帶來的額外的功率損失很小，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成多余的損耗。(3)超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且容易實(shí)現(xiàn)，是一種靜態(tài)的限流器，除卻超導(dǎo)體之外只需少數(shù)的外部輔助裝備即可實(shí)現(xiàn)。

目前，超導(dǎo)限流器研發(fā)最多的是電阻型、橋路型、磁屏蔽型以及飽和鐵芯型的超導(dǎo)限流器。瑞士abb首先于1996年研制出10.5kv/1.2mva磁屏蔽型超導(dǎo)故障限流器，1997年進(jìn)行短路測(cè)試。中國科學(xué)院電工所于1997年便著手開發(fā)1kv/100a的橋路型sfcl，在1999年成功進(jìn)行樣機(jī)的測(cè)試。2007年12月，云南電網(wǎng)公司與北京云電英納超導(dǎo)電纜有限公司成功研制出35kv/90mva飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器掛網(wǎng)樣機(jī)。2008年1月7日，35kv/90mva飽和鐵心型超導(dǎo)限流器掛網(wǎng)樣機(jī)在云南電網(wǎng)公司昆明供電局220kv普吉變電站成功地掛網(wǎng)試運(yùn)行。2012年，中國科學(xué)院電工研究所開始進(jìn)行200kv/1.5ka直流超導(dǎo)限流器的概念設(shè)計(jì)。2013年，上海交通大學(xué)也將一臺(tái)由多個(gè)ybco限流單元組成的10kv/200a限流器用于直流限流試驗(yàn)。上述四種超導(dǎo)限流器的限流方式根據(jù)限流成分可以劃分為兩種：電阻限流和電感限流。其中橋路型，磁屏蔽型和飽和鐵芯型為電感限流。

在直流系統(tǒng)中，電阻型限流器利用超導(dǎo)材料失超特性可以實(shí)現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)限流、響應(yīng)迅速，缺點(diǎn)是失超初期限流電阻沒有達(dá)到最大值，限制短路電流峰值能力較弱，失超過程控制難度較大，降低了設(shè)備的可靠性，自恢復(fù)時(shí)間長；在直流系統(tǒng)中，電感型限流器故障時(shí)自動(dòng)限流，響應(yīng)迅速，能很好的限制短路電流峰值，缺點(diǎn)是缺少阻性分量，故障切除前短路電流趨于穩(wěn)定，限流器電感無法抑制穩(wěn)態(tài)短路電流。

因此，目前迫切需要一種能夠在高壓直流輸電系統(tǒng)中應(yīng)對(duì)單極接地短路故障和兩級(jí)短路故障、同時(shí)能夠抑制短路電流峰值和穩(wěn)態(tài)值的直流超導(dǎo)限流器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于能量快速轉(zhuǎn)移的混合型超導(dǎo)限流器，本發(fā)明依據(jù)電阻限流和電感限流特點(diǎn)，提出了一種既有電阻分量又有電感分量的混合型直流超導(dǎo)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而能限制直流系統(tǒng)短路故障。本發(fā)明的基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程化，可兼顧成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度、觸發(fā)速度的性能指標(biāo)。

為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明提供一種基于能量快速轉(zhuǎn)移的混合式直流超導(dǎo)限流器，其包括兩個(gè)電感線圈、直流快速開關(guān)、旁路電阻、定值電阻以及金屬氧化物避雷器，其中，

所述兩個(gè)電感線圈并聯(lián)連接，形成超導(dǎo)電感線圈整體，所述兩個(gè)電感線圈由超導(dǎo)導(dǎo)線繞制，兩個(gè)電感線圈匝數(shù)相同、結(jié)構(gòu)一致、磁通正向耦合，

所述直流快速開關(guān)與所述超導(dǎo)電感線圈整體串聯(lián)以形成串聯(lián)支路，

所述旁路電阻并聯(lián)在所述串聯(lián)支路兩端，

所述定值電阻并聯(lián)在所述快速開關(guān)兩端，

所述金屬氧化物避雷器有兩個(gè)，分別并聯(lián)在兩個(gè)電感線圈兩端。

以上發(fā)明構(gòu)思中，包括直流超導(dǎo)限流器本體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所述混合型直流超導(dǎo)限流器采用超導(dǎo)電感線圈整體并聯(lián)旁路限流電阻的主體結(jié)構(gòu)，故障時(shí)電感阻礙電流上升，故障電流流通路徑轉(zhuǎn)移至電阻支路，實(shí)現(xiàn)快速投入限流電阻限制短路電流峰值。主體結(jié)構(gòu)中，超導(dǎo)電感線圈整體由兩個(gè)匝數(shù)相同、結(jié)構(gòu)一致、磁通正向耦合的超導(dǎo)電感線圈并聯(lián)而成，磁通正向耦合可以提高整體超導(dǎo)電感增益，減小超導(dǎo)線圈并聯(lián)所帶來的整體電感值下降的影響，同時(shí)兩個(gè)相同的電感線圈并聯(lián)，可以讓兩個(gè)電感線圈在短路故障時(shí)共同承擔(dān)短路電流分量的沖擊，使每個(gè)電感線圈的所承受的電流沖擊為整體超導(dǎo)電感線圈結(jié)構(gòu)所承受的一半。降低了短路電流分量對(duì)于超導(dǎo)電感線圈的影響。主體結(jié)構(gòu)中，在超導(dǎo)電感線圈整體所在支路串聯(lián)接入一個(gè)直流快速開關(guān)并聯(lián)定值電阻的結(jié)構(gòu)。直流系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，直流快速開關(guān)閉合，系統(tǒng)電流的流通路徑是超導(dǎo)電感線圈支路，此時(shí)限流器起到平波電抗的作用。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，直流快速開關(guān)斷開，超導(dǎo)電感線圈支路快速投入一個(gè)開關(guān)旁路電阻以限制電感支路電流峰值，從而保護(hù)超導(dǎo)電感線圈，防止因電流過大發(fā)生損壞，同時(shí)保證在短路電流趨于穩(wěn)定時(shí)，電感支路因含有阻性分量而使限流器可以限制穩(wěn)態(tài)短路電流。而直流快速開關(guān)因其兩端并聯(lián)有定值電阻使斷口電壓被鉗位，大大降低開關(guān)開斷條件，提高開關(guān)運(yùn)行可靠性，使直流快速開關(guān)輕型化，降低限流器制造成本。金屬氧化物避雷器主要防止電感過電壓。

進(jìn)一步的，所述旁路電阻為定值電阻。

進(jìn)一步的，所述超導(dǎo)電感線圈在超導(dǎo)限流器工作過程中一直處于超導(dǎo)態(tài)。

進(jìn)一步的，所述超導(dǎo)限流器安裝在直流輸電線路的首端或末端。

進(jìn)一步的，所述電感線圈可為空心結(jié)構(gòu)或具有鐵芯結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述避雷器為金屬氧化物型避雷器。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

相比于常規(guī)限流器在成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜程度、觸發(fā)速度等性能指標(biāo)難以兼顧的缺陷，本發(fā)明依據(jù)電阻限流和電感限流特點(diǎn)，提出了一種既有電阻分量又有電感分量的混合型直流超導(dǎo)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來限制直流系統(tǒng)短路故障。在系統(tǒng)正常時(shí)，該直流超導(dǎo)限流器可以用做平波電抗器且沒有能量損耗。在短路故障時(shí)，限流器有顯著的限流效果同時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)的電壓跌落進(jìn)行補(bǔ)償。由于在限流器結(jié)構(gòu)中采用超導(dǎo)電感并聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)，在故障發(fā)生時(shí)，限流器使故障沖擊電流快速轉(zhuǎn)移至限流電阻支路，可以迅速限制短路電流峰值。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，為開斷狀態(tài)，限流功能得到進(jìn)一步提升，可以繼續(xù)限制穩(wěn)態(tài)短路電流。超導(dǎo)電感線圈在限流過程中不發(fā)生失超，保證了超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定。

本發(fā)明的基于能量快速轉(zhuǎn)移的混合型超導(dǎo)限流器，該直流超導(dǎo)限流器能夠適用于涵蓋直流系統(tǒng)低壓線路到高壓直流輸電線路，且能夠應(yīng)對(duì)單極接地短路故障和兩級(jí)短路故障，從而適應(yīng)在電網(wǎng)短路容量不斷增大的情況下對(duì)故障限流器這種電網(wǎng)建設(shè)重要設(shè)備的需求，實(shí)現(xiàn)維持系統(tǒng)繼電保護(hù)配置和穩(wěn)定，還可以提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)安全性。

本發(fā)明的基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程化，可兼顧成本、體積、系統(tǒng)復(fù)雜度、觸發(fā)速度等性能指標(biāo)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2為本發(fā)明中基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器運(yùn)行原理圖，其中，圖2(a)為系統(tǒng)正常狀態(tài)時(shí)，限流器通流狀態(tài)圖；圖2(b)為系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)(t＝t1)，快速直流開關(guān)開斷前限流器通流狀態(tài)圖；圖2(c)為系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)(t＝t2＝t1+δt)，快速直流開關(guān)開斷后限流器通流狀態(tài)圖。

圖3為本發(fā)明中基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器的高壓直流輸電系統(tǒng)接入圖。

圖4為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，不安裝限流器與安裝限流器情況下，系統(tǒng)直流電壓變化對(duì)比圖。

圖5為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極短路故障時(shí)，不安裝限流器與安裝限流器情況下，系統(tǒng)直流電流變化對(duì)比圖。

圖6為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，所述直流超導(dǎo)限流器的等效限流電阻變化情況。

圖7為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，所述直流超導(dǎo)線圈整體結(jié)構(gòu)通流與并聯(lián)電感分流情況。

圖8為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，超導(dǎo)電感線圈支路無直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻結(jié)構(gòu)和有直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻結(jié)構(gòu)的情況下，超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)通流變化對(duì)比圖。

圖9為本發(fā)明中高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻和不并聯(lián)定值電阻的情況下，開關(guān)斷口電壓變化對(duì)比圖。

圖10為本發(fā)明中兩個(gè)超導(dǎo)線圈并聯(lián)無耦合的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11為本發(fā)明兩個(gè)超導(dǎo)線圈并聯(lián)發(fā)生正向耦合及等效電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供一種基于能量快速轉(zhuǎn)移的混合式直流超導(dǎo)限流器，其包括電感線圈、直流快速開關(guān)、旁路電阻、定值電阻以及金屬氧化物避雷器，其中，所述兩個(gè)電感線圈由超導(dǎo)導(dǎo)線繞制，所述兩個(gè)電感線圈匝數(shù)相同、結(jié)構(gòu)一致、磁通正向耦合、并聯(lián)連接以形成超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)，所述直流快速開關(guān)與所述超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)串聯(lián)以形成串聯(lián)支路，所述旁路電阻并聯(lián)在所述串聯(lián)支路兩端，所述定值電阻并聯(lián)在所述快速開關(guān)兩端，所述金屬氧化物避雷器有兩個(gè)，分別并聯(lián)在兩個(gè)電感線圈兩端。

本發(fā)明中，所述限流拓?fù)涞闹黧w結(jié)構(gòu)是兩個(gè)相同的電感線圈正向耦合且并聯(lián)連接形成的超導(dǎo)電感線圈整體，超導(dǎo)電感線圈整體并聯(lián)限流電阻，形成兩條主要通流支路。所述電感線圈為超導(dǎo)導(dǎo)線繞制，電感線圈可以采用空心結(jié)構(gòu)也可以采用帶鐵芯結(jié)構(gòu)，所述限流電阻為定值電阻。在實(shí)際運(yùn)行過程中，所述限流器中超導(dǎo)電感線圈需要一直維持超導(dǎo)態(tài)運(yùn)行。

本發(fā)明中，在超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)所在支路中串聯(lián)有直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)無故障時(shí)，直流開關(guān)處于閉合狀態(tài)，開關(guān)旁路電阻被短接，在直流系統(tǒng)中，限流電阻支路因?yàn)殡姼兄窡o阻性成分而被短路，直流穩(wěn)態(tài)電流僅流過超導(dǎo)電感線圈支路，此時(shí)限流器無阻性成分，損耗很小可以忽略，超導(dǎo)電感線圈提供平波電抗。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，限流器快速限制短路電流峰值并且對(duì)直流系統(tǒng)電壓跌落進(jìn)行一定補(bǔ)償，同時(shí)直流開關(guān)迅速斷開，超導(dǎo)電感線圈電流峰值得到限制，同時(shí)穩(wěn)態(tài)短路電流得到限制。

本發(fā)明中，在所述的直流超導(dǎo)限流器中，短路故障時(shí)，直流開關(guān)斷開，與開關(guān)無旁路定值電阻相比，直流開關(guān)因?yàn)橛信月范ㄖ惦娮杞Y(jié)構(gòu)，使其開斷時(shí)斷口電壓受到電阻鉗位，斷口電壓峰值更小，由此降低直流開關(guān)開斷條件，較小直流開關(guān)開斷容量，大大降低直流開關(guān)制造成本。

本發(fā)明中，所述直流超導(dǎo)限流器安裝于直流輸電線路的首端或末端。

本發(fā)明的限流器的工作原理如下：

本發(fā)明限流器能夠在直流系統(tǒng)正常狀態(tài)下，為輸電線路提供一個(gè)超導(dǎo)態(tài)的平波電抗，減小系統(tǒng)輸電線路交流脈動(dòng)分量并濾除部分諧波，同時(shí)保證平波電抗沒有阻性損耗。

當(dāng)直流系統(tǒng)發(fā)生單極接地故障或者兩級(jí)短路故障時(shí)，本發(fā)明的限流器響應(yīng)迅速，利用電感電流不能突變的原理和電感并聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)，在故障發(fā)生瞬間，快速向直流系統(tǒng)中投入所并聯(lián)的旁路電阻，形成較大的等效限流阻抗以有效抑制短路電流峰值，電感的旁路電阻為短路電流提供轉(zhuǎn)移通路，降低了超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)所承受的短路電流沖擊，同時(shí)兩個(gè)電感的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以共同分擔(dān)短路電流，降低單個(gè)電感線圈所承受的短路電流沖擊。兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈電感正向耦合，可以削減電感并聯(lián)導(dǎo)致的超導(dǎo)電感整體結(jié)構(gòu)電感值的下降，使超導(dǎo)電感整體結(jié)構(gòu)的電感值在滿足限流要求的同時(shí)減少線圈匝數(shù)，降低用線量。利用直流快速開關(guān)并聯(lián)電阻機(jī)構(gòu)，開斷開關(guān)向電感線圈支路投入定值電阻抑制超導(dǎo)電感線圈失超，保護(hù)超導(dǎo)電感線圈安全穩(wěn)定運(yùn)行，而開關(guān)斷口電壓由于定值電阻的鉗位作用而降低，降低直流快速開關(guān)的開斷條件，提高開關(guān)動(dòng)作的有可靠性。

為進(jìn)一步闡述本發(fā)明裝置，下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明中基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，如圖1所示，基于能量快速轉(zhuǎn)移的混合式直流超導(dǎo)限流器方案中，本發(fā)明的新型直流限流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由兩個(gè)定值電阻r1和r2、兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈l1和l2、兩個(gè)金屬氧化物避雷器rmoa1和rmoa2，一個(gè)快速直流開關(guān)s1構(gòu)成。其中r1是限流電阻，也是旁路電阻。l1并聯(lián)l2的整體結(jié)構(gòu)提供平波電抗，l1和l2并聯(lián)可以共同分擔(dān)電流，降低單個(gè)電感線圈的短路電流沖擊，l1和l2正向耦合可以提供電感增益?？焖匍_關(guān)s1兩端并聯(lián)定值電阻r2，可以鉗位開關(guān)動(dòng)作過電壓，降低快速開關(guān)s1的斷口電壓。s1與r2的并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以削弱超導(dǎo)電感線圈l1和l2的過電流防止超導(dǎo)電感線圈發(fā)生失超。兩個(gè)金屬氧化物避雷器rmoa1和rmoa2可以分別限制電感l(wèi)1和l2的動(dòng)態(tài)過電壓。

圖2為基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器運(yùn)行原理圖。圖2(a)為系統(tǒng)正常狀態(tài)時(shí)，限流器通流狀態(tài)圖。圖2(b)為系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)(t＝t1)，快速直流開關(guān)開斷前限流器通流狀態(tài)圖。圖2(c)為系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)(t＝t2＝t1+δt)，快速直流開關(guān)開斷后限流器通流狀態(tài)圖。如圖2.(a)所示，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，直流系統(tǒng)無故障運(yùn)行，此時(shí)快速直流開關(guān)s1處于閉合狀態(tài)。直流系統(tǒng)電流僅流過超導(dǎo)電感線圈l1和l2，且兩個(gè)電感分別承擔(dān)一半電流。在直流電流下，當(dāng)超導(dǎo)電感線圈處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，線圈幾乎沒有阻性電壓，因此整個(gè)超導(dǎo)限流器在77k液氮下處于超導(dǎo)態(tài)，沒有能量損耗。低能量損耗有助于串聯(lián)接入直流系統(tǒng)中的電力設(shè)備長期運(yùn)行。同時(shí)，超導(dǎo)電感線圈串聯(lián)接入直流系統(tǒng)可以提供平波電抗，能減小交流脈動(dòng)分量，濾除部分諧波分量從而減少對(duì)傳輸線路的通信干擾，避免不穩(wěn)定的諧波調(diào)節(jié)。由于電感值l1＝l2，且電感正向耦合的互感值為m，因此，超導(dǎo)線圈整體結(jié)構(gòu)電感值l＝m+(l1-m)/2或l＝m+(l2-m)/2。

如圖2.(b)所示，當(dāng)t＝t1時(shí)，直流系統(tǒng)中發(fā)生短路故障，超導(dǎo)直流限流器進(jìn)入限流狀態(tài)。因?yàn)榱鬟^超導(dǎo)電感整體結(jié)構(gòu)的電流i2必須連續(xù)不能發(fā)生突變，因此線圈電流的上升受到電感抑制，大部分短路電流i1流過旁路電阻r1。電感對(duì)于電流變化的阻礙作用使線路中自動(dòng)投入電阻r1，因此電阻r1發(fā)揮限流作用使短路故障電流峰值受到抑制。由于相同的電感l(wèi)1與l2并聯(lián)連接，因此分別流過兩個(gè)電感的電流為i2的一半。在這種情況下，短路電流主要有4個(gè)分量，分別為i1、i2、i3和i4，其中i1＞i2，i3＝i4＝i2/2。

如圖2.(c)所示，δt是故障檢測(cè)時(shí)間。經(jīng)過δt時(shí)間后，直流快速開關(guān)s1在t2開斷。此時(shí)，流過超導(dǎo)電感電流i2將受到限制從而保護(hù)超導(dǎo)電感線圈l1和l2·不發(fā)生失超。超導(dǎo)電感線圈端電壓由于r2電阻分壓而被降低，同時(shí)在開關(guān)s1兩端，開關(guān)動(dòng)作過電壓受到電阻r2的鉗位，因此斷口電壓幅值受到限制。此時(shí)r1、r2及超導(dǎo)電感線圈l1和l2一同接入直流系統(tǒng)，對(duì)故障電流進(jìn)行作用，因限流阻抗中存在電阻-電感性成分，故稱其為混合式。

圖3為基于能量轉(zhuǎn)移的混合型直流超導(dǎo)限流器的高壓直流輸電系統(tǒng)接入圖，是本發(fā)明所述直流超導(dǎo)限流器的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，它是一個(gè)簡(jiǎn)單vsc高壓直流輸電系統(tǒng)。其中，sfcl表示本發(fā)明的中混合式直流超導(dǎo)限流器。限流器被設(shè)計(jì)安裝在傳輸線路的端部。該系統(tǒng)假設(shè)在輸電線路端部發(fā)生接地短路故障，故障發(fā)生時(shí)刻設(shè)置在t1＝2s，經(jīng)過5ms，限流器中開關(guān)s1在t2(t2＝2.005s)打開。

圖4為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，不安裝限流器與安裝限流器情況下，系統(tǒng)直流電壓變化對(duì)比圖，或者說圖4是系統(tǒng)端部直流電壓udc的波形。通過該直流系統(tǒng)安裝限流器前后對(duì)比可知，故障發(fā)生后，該限流器可以在一定程度上補(bǔ)償系統(tǒng)電壓，降低直流電壓跌落速率。

圖5為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，不安裝限流器與安裝限流器情況下，系統(tǒng)直流電流變化對(duì)比圖，或者說圖5是傳輸線路直流電流波形，從圖中可知，該限流器在短路故障時(shí)有明顯的限流效果，短路電流峰值從57.81ka限至25.89ka，短路電流抑制率達(dá)到了55.2％。

圖6為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，所述直流超導(dǎo)限流器的等效限流電阻變化情況，或者說圖6是限流器的等效電阻變化曲線，圖中顯示該限流器有很快的響應(yīng)速度，當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，限流等效電阻可以迅速從0ω變化至3.79ω，最后穩(wěn)定至2.4ω。因此該限流器可以在故障初期以最大限流等效電阻3.79ω限制短路電流峰值，之后以2.4ω等效限流電阻限制持續(xù)的穩(wěn)態(tài)短路電流。當(dāng)限流器的等效電阻為0ω時(shí)，限流器的阻性電壓為0v，此時(shí)限流器幾乎無能量損耗。當(dāng)限流器等效電阻呈現(xiàn)高阻抗時(shí)，限流器可以有效的限制短路電流。

圖7為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，所述直流超導(dǎo)線圈整體結(jié)構(gòu)通流與并聯(lián)電感分流情況圖。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，超導(dǎo)線圈整體結(jié)構(gòu)所承受的短路電流i2最大值為3.3ka，由于兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈l1與l2并聯(lián)分流作用，每個(gè)超導(dǎo)電感線圈僅承擔(dān)1.65ka，即電流i2的50％。降低了超導(dǎo)電感線圈的失超風(fēng)險(xiǎn)，提高了超導(dǎo)線圈運(yùn)行的可靠性。

圖8為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，超導(dǎo)電感線圈支路無直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻結(jié)構(gòu)和有直流開關(guān)并聯(lián)電阻結(jié)構(gòu)的情況下，超導(dǎo)電感線圈電流變化對(duì)比圖。由于r1的分流作用，超導(dǎo)電感線圈中的故障電流分量遠(yuǎn)低于線路總的故障電流。r2并聯(lián)快速開關(guān)s1的結(jié)構(gòu)可以有效的限制超導(dǎo)電感線圈的中短路故障電流分量。如沒有定值電阻r2并聯(lián)開關(guān)s1的結(jié)構(gòu)，超導(dǎo)電感線圈電流在短路故障發(fā)生后會(huì)因?yàn)楣收想娏鞣至慷鴮?dǎo)致線圈電流峰值達(dá)到7.2ka，過高的電流沖擊會(huì)使超導(dǎo)電感線圈發(fā)生失超升至損壞。因?yàn)閞2并聯(lián)開關(guān)s1結(jié)構(gòu)的存在，使得在故障發(fā)生5ms后開關(guān)s1斷開超導(dǎo)電感線圈所在線路投入電阻r2，超導(dǎo)電感線圈電流因此受到限制，線圈中故障電流峰值僅為3.3ka。如果該超導(dǎo)電感線圈整體結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的臨界電流為3.5ka，則當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí)，超導(dǎo)電感線圈不會(huì)發(fā)生失超。該限流器拓?fù)涞膬?yōu)勢(shì)就在于可以用較低臨界電流的超導(dǎo)電感線圈去限制系統(tǒng)中很高的短路沖擊電流。

圖9為高壓直流輸電系統(tǒng)兩極接地短路故障時(shí)，直流開關(guān)并聯(lián)定值電阻和不并聯(lián)定值電阻的情況下，開關(guān)斷口電壓變化對(duì)比圖。圖9表明，當(dāng)開關(guān)s1兩端無并聯(lián)電阻r2時(shí)，開關(guān)斷口電壓會(huì)達(dá)到104kv。當(dāng)開關(guān)s1兩端并聯(lián)定值電阻r2后，s1開斷時(shí)定值電阻r2可以有效鉗位s1的斷口電壓，斷口電壓被限制在19.85kv從而降低了開關(guān)s1的運(yùn)行條件。更低的運(yùn)行條件可以保證直流快速開關(guān)s1的有效開斷并降低開關(guān)的制造成本。

總的來說，本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)就在于對(duì)超導(dǎo)電感的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，與單個(gè)直流超導(dǎo)電感線圈相比，兩個(gè)并聯(lián)電感線圈可以共同分擔(dān)短路電流沖擊。如果單個(gè)電感線圈將承受3000a的電流沖擊，則兩個(gè)并聯(lián)電感所承受的電流沖擊只有其中的二分之一，為1500a。

對(duì)于超導(dǎo)導(dǎo)線而言，目前技術(shù)所量產(chǎn)的二代直流超導(dǎo)導(dǎo)線的自場(chǎng)臨界電流最大也只有500a-600a左右，而由于二代高溫超導(dǎo)導(dǎo)線的各向異性，導(dǎo)致當(dāng)超導(dǎo)導(dǎo)線繞制成線圈時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，會(huì)使得超導(dǎo)線圈的臨界電流大幅衰減，為了使超導(dǎo)線圈能夠通過更大電流而不超過超導(dǎo)線圈臨界電流使導(dǎo)線發(fā)生失超，需要對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行并繞。如果目標(biāo)導(dǎo)通電流過大，就需要對(duì)超導(dǎo)導(dǎo)線進(jìn)行多根并繞，大大增加制作工藝的難度，而其中所需要解決的技術(shù)問題就在于多根導(dǎo)線并繞的均流問題，過多的導(dǎo)線并繞會(huì)增大超導(dǎo)線圈導(dǎo)線換位困難，影響超導(dǎo)線圈的繞制。通過兩個(gè)超導(dǎo)線圈的并聯(lián)，將大大降低超導(dǎo)線圈導(dǎo)通電流并減少超導(dǎo)導(dǎo)線并繞根數(shù)，便于實(shí)施超導(dǎo)導(dǎo)線換位和線圈繞制，降低超導(dǎo)線圈制作工藝的難度。

超導(dǎo)線圈并聯(lián)在降低單個(gè)超導(dǎo)線圈電流沖擊的同時(shí)，在相同的磁場(chǎng)環(huán)境下也降低了超導(dǎo)線圈所承受的電磁應(yīng)力，更好的保證了超導(dǎo)線圈在臨界電流和臨界應(yīng)力的指標(biāo)一下運(yùn)行，防止超導(dǎo)線圈發(fā)生失超甚至損壞。

如圖10所示，線圈并聯(lián)會(huì)降低超導(dǎo)線圈整體所呈現(xiàn)的等效電感值，在l1＝l2的條件下，等效電感值為l＝l1/2＝l2/2，如果需要超導(dǎo)線圈提供更大的等效電感值，就要大幅提高l1和l2的電感值，即提高超導(dǎo)線圈匝數(shù)，從而增加超導(dǎo)導(dǎo)線用線量，提高了超導(dǎo)線圈制作成本。

如圖11所示，如果通過對(duì)超導(dǎo)線圈進(jìn)行設(shè)計(jì)與繞制，在l1＝l2，使超導(dǎo)線圈進(jìn)行正向耦合，則會(huì)獲得一個(gè)正向互感值m，則并聯(lián)線圈整體的等效電感值會(huì)變?yōu)椋簂＝m+(l1-m)/2＝(l1+m)/2或l＝m+(l2-m)/2＝(l2+m)/2。如果通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高線圈耦合度，例如使兩個(gè)線圈磁通串聯(lián)，減小漏磁等方式，可以增大互感值m，從而在不通過增加線圈匝數(shù)來提高線圈自感的前提下通過增大互感值來提高并聯(lián)線圈整體的電感值，與單純的線圈并聯(lián)相比可以降低超導(dǎo)線圈的用線量。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。