故障电流超导限制器 |
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| 申请号 | CN200980146471.0 | 申请日 | 2009-10-14 | 公开(公告)号 | CN102217160A | 公开(公告)日 | 2011-10-12 |
| 申请人 | 博洛尼亚大学阿尔玛母校研究室; | 发明人 | A·莫兰迪; S·印帕拉托; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及超导故障限流器(1)，包括连接至受保护 电路 的由有源器件(3a、3b、3c、3d)构成的 整流器 桥(2)，所述整流器桥(2)包括借助四个 节点 (4、5、6、7)连接的四个分支，其中第一节点(4)和与所述第一节点(4)不相邻的第二节点(5)连接至所述受保护电路(12、13)，特征在于它包括从所述整流器桥(2)的第三节点(6)到第四节点(7)连接的中心分支(8)，包括至少一个电路元件或由至少一个电路元件构成，所述至少一个电路元件包括电感组件以及非线性超导 电阻 性组件，所述电感组件的目标是降低流过所述中心分支(8)的 电流 的 波动 幅度，具有：第一操作条件，其中流过所述中心分支(8)的电流不超过给定 阈值 ，从而包括非线性超导电阻性组件的所述至少一个电路元件处于超导状态；以及第二操作条件，其中流过所述中心分支(8)的电流超过给定阈值，从而包括非线性超导电阻性组件的所述至少一个电路元件处于非超导状态，因此提供电阻行为。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种故障限流器(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 故障电流超导限制器[0001] 本发明涉及一种超导故障限流器(SFCL)。 [0003] 正如公知的，在现代电气系统中提供故障限流装置是确保现代电力系统的可靠管理和保护的基本要求。 [0006] 于是需要研究投资以开发能够限制故障电流而且在正常操作条件下不影响电力系统的故障限流器装置。 [0007] 在故障限流器的所有可能概念中，基于超导材料的那些显示出理想的特性。实际上，超导故障限流器(SFCL)是在正常操作条件下具有可忽略的阻抗并且能够在流过其间的电流超过指定为故障阈值的给定值时自发地切换到高阻抗状态的装置。 [0008] 这种装置引入到电力系统尤其包括以下优点： [0009] -它允许改进且灵活的电源质量且在失效的情况下不危及网络的安全； [0010] -它限制故障电流的第一峰，因此减少对组件的压力并允许较便宜的设计； [0012] -限制动作是自激活的且非常可靠； [0013] -故障消失之后低阻抗状态的恢复是自发的且不需要任何回复动作。 [0014] 取决于布局和操作原理，可将超导故障限流器分类为电阻型、整流器型(也称为二极管或晶闸管桥型)、屏蔽磁芯型或饱和磁芯型限制器。在Noe和Steurer[2007]中给出了当前受测试的可能SFCL概念的全面回顾。 [0016] 最近，也已经考虑使用二硼化镁(MgB2)，即在商业上能以有竞争力的成本和质量获得的超导体。 [0018] 然而，为了使所述装置能够有效地进入市场，还必须解决主要与交流损耗和相关操作成本有关的一些问题。 [0019] 在以下的描述中，从电阻型限制器开始，详细检查一些类型的限制器。 [0020] 电阻型SFCL基于在电流超过限定临界值时发生的超导向正常(高电阻率)导电状态的转变。 [0021] 这种SFCL通常由以获得尽可能低的电感的方式缠绕的超导线或带(双线无感线圈或变换平螺旋形)制成。 [0022] 超导线或带直接携带受保护电路中流过的交流，这引起其中的功耗(AC损耗)。事实上，超导线或带仅在它携带纯粹的直流时不呈现损耗。所述损耗需要非常昂贵的制冷，以免增加超导元件的温度，因此意味着非常高的限制器操作成本。此外，实际的超导线或带由与如银或铜等正常导体接触的超导细丝或层制成，以避免由于局部加热(热点)引起的损坏风险。一旦已经实现超导带或线向正常状态的转变，正常导体层的存在就会降低超导带或线的电阻。因此，为了获得满意的限制效果，需要长的线或带长度，因此由于交流损耗引起的由限制器消耗的总功率随之增加。 [0023] 为了使局部过热的风险最小化同时使带的长度以及由此的损耗最小化，提出很多不同的超导故障限流器，其中从超导状态向正常状态的转变由磁场的启动来辅助。在WO94/03955和US 7,180,396专利中描述了这种超导故障限流器。所述超导故障限流器需要超导部件的复杂几何结构以及使用若干并联或串联连接的正常线圈。此外，在正常操作条件期间，交流总是在超导带或线中流动，这导致引起高冷却成本。 [0024] 另一种感兴趣的超导故障限流器类型是整流器型超导故障限流器。它由串联连接至DC电压源且嵌入在连接到受保护负载的全波二极管或晶闸管整流器桥中的电感器制成。该电感器可方便地由超导材料线圈组成，以避免电阻损耗。 [0025] 在正常操作条件下，受保护电路的电流(该电流流过二极管或晶闸管)绕过电感器。当该干线电流超过线圈中流动的电流时，四个二极管/晶闸管中的两个反向偏置，从而线圈自动串联插入受保护电路。具有由超导材料线圈构成的电感器的桥型超导故障限流器最初由Boenig提出并且在美国专利No.4,490,769中予以描述。 [0026] 除限制能力外，使用晶闸管而非二极管还允许中断穿过与晶闸管的栅极相连接的有源控制电路的故障电流的可能性。 [0027] 上述限流器的技术问题在于直流电压源的构造，而这是获得穿过线圈的纯直流(DC)所需要的。为了避免该问题，Boening提出通过去除DC源和去除使用超导材料实现电感器的需要来修改最初装置，如美国专利No.5,726,848所描述的。 [0028] 上述当前整流器桥型限制器的技术问题在于缺少直流电压源(这是设置线圈中的DC电流所必须的)意味着上述限流器甚至在正常操作期间发生的正常负载变化期间影响网络，由此导致对用户的压降。 [0029] 为了将对电压的干扰维持在国际标准(EN 50160)规定的限制内，所使用的电感值不能超过适当极限，因此装置的限制能力大大降低，或者不能将短路故障限制到比不使用限制器达到的值低的相关值。 [0030] 此外，在存在或不存在DC电压源的情况下，通过引入串联连接到受保护电路的电感来获得限制效果。在短路故障期间网络的等效电感一般是电感性的，这意味着以下缺点： [0032] b.在故障期间网络动态稳定性的降低。 [0033] 显然，这些技术限制对于电流供应的最终效率低以及对于经济原因是巨大的。 [0034] 基于上述，本发明的目的是提供适合在直流条件下操作的、用于交流应用的电阻型超导故障限流器。 [0035] 本发明的另一个目的是在正常操作期间(通过在直流下操作)以及故障发生期间(借助于并联连接的常规电阻器)，向冷却系统提供降低的热负载。 [0036] 因此本发明的一个特定目的是超导故障限流器，包括连接至受保护电路的由适当数目的有源器件构成的整流器桥，所述整流器桥具有四个分支，它们形成四个节点，其中第一节点和与所述第一节点不相邻的第二节点连接至所述受保护电路，特征在于具有连接在所述整流器桥的第三节点到第四节点之间的中心分支，包括至少一个电路元件或由至少一个电路元件构成，所述至少一个电路元件包含电感组件以及超导非线性电阻性组件，所述电感组件适合于降低流过所述中心分支的电流的波动，具有： [0037] -第一操作条件，其中流过所述中心分支的电流低于预先设立的阈值，从而包括所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件处于超导状态；以及 [0038] -第二操作条件，其中流过所述中心分支的电流超过所述预先设立的阈值，从而具有所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件不处于超导状态，因此表现出电阻特性。 [0039] 而且根据本发明，所述至少一个电路组件可包括电感器和超导非线性电阻器。 [0040] 仍根据本发明，所述电感器可由超导材料制成且可被设置成不具有向所述第二操作条件的转变。 [0041] 在本发明的另一个方面中，所述电感器和所述超导非线性电阻器可有利地串联连接。 [0042] 此外，根据本发明，所述电感器可被放置在接近所述超导非线性电阻器的适当位置处，以便借助于所产生的磁场帮助从所述第一操作条件向所述第二操作条件的转变。 [0043] 而且根据本发明，所述至少一个电路元件可包括由超导材料制成的电感器，它包括所述电感组件和所述超导非线性电阻性组件。 [0044] 仍根据本发明，所述超导故障限流器可包括与包括所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件并联连接的至少一个常规电阻器，以便排放在所述第二操作条件下流过所述至少一个电路元件的电流的一部分，因此减少所述限流器的热负载和恢复时间。 [0045] 此外，根据本发明，所述至少一个常规电阻器可连接到所述整流器桥的所述第一节点和所述第二节点。 [0046] 以有利的方式，根据本发明，所述限流器可包括连接到所述整流器桥(2)的所述第三节点和所述第四节点的常规电阻器。 [0047] 而且根据本发明，所述超导故障限流器可包括与包括所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件并联连接的常规电阻器。 [0048] 仍根据本发明，包括所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件的超导材料可在以下材料中选择：二硼化镁(MgB2)；铋锶钙铜氧化物(BSCCO)；钇钡铜氧化物(YBCO)。 [0049] 此外，根据本发明，所述限流器可包括用于冷却包括所述超导非线性电阻性组件的所述至少一个电路元件的冷却系统。 [0050] 有利的是，总是根据本发明，所述有源器件可包括二极管或晶闸管，在后一种情况中，所述超导故障限流器可包括用于所述晶闸管的控制装置。 [0052] -第一有源器件具有连接到所述第一节点的阳极和连接到所述第三节点的阴极； [0053] -第二有源器件具有连接到所述第四节点的阳极和连接到所述第二节点的阴极； [0054] -第三有源器件具有连接到所述第四节点的阳极和连接到所述第一节点的阴极； [0055] -第四有源器件具有连接到所述第二节点的阳极和连接到所述第三节点的阴极.[0056] 仍根据本发明，所述限流器可包括用于冷却所述超导非线性电阻性组件的冷却系统。 [0057] 有利的是，根据本发明，所述受保护电路在以下中选择：连接到所述第一节点的馈电线、连接到所述第二节点的电负载；来自发电机的馈电线输出；电厂的附属服务的馈电线；两个或更多个配电网络的总线耦合；母线连接；用于故障电流限制的反应器分路；功率变压器馈电线；来自母线的馈电线输出；诸如超导电缆之类的不同超导装置的组合；分布式发电单元的连接；环形网络的闭合。 [0059] 图1示出根据本发明的超导故障限流器的第一实施例的电路方案； [0060] 图2示出根据本发明的超导故障限流器的第二实施例的等效电路方案； [0061] 图3a示出根据本发明的超导故障限流器的第三实施例的等效电路方案； [0062] 图3b示出根据本发明的超导故障限流器的第四实施例的等效电路方案； [0063] 图4示出根据本发明的用于三相电源系统的限流器应用的连接方案； [0064] 图5示出对于不同电感值的网络电压的时间演变； [0065] 图6示出对于不同电感值，在正常操作条件期间根据图1实施例的超导故障限流器的整流器桥的内部分支的电流； [0066] 图7示出对于不同的电阻值R根据图1实施例的故障电流；以及 [0067] 图8示出根据本发明的超导故障限流器的一些可能应用。 [0068] 在各附图中，用相同的附图标记表示相似的部件。 [0069] 在图1中，可观察到根据本发明的与受保护电路(图中未示出)串联连接的超导故障限流器1的第一实施例。所示实施例包括整流器桥2，具有四个有源器件3a、3b、3c和3d，在这种情况下这四个有源器件是二极管。 [0070] 所述整流器桥2具有四个分支，每个分支包括所述二极管3a、3b、3c和3d中的一个。所述分支借助于四个节点4、5、6和7连接。所述受保护电路可连接至第一节点4和第二节点5。 [0071] 二极管3a、3b、3c和3d与整流器桥2的连接被安排如下： [0072] -二极管3a：阳极连接至节点4，阴极连接至节点6； [0073] -二极管3b：阳极连接至节点7，阴极连接至节点5； [0074] -二极管3c：阳极连接至节点7，阴极连接至节点4； [0075] -二极管3d：阳极连接至节点5，阴极连接至节点6。 [0076] 限流器1包括连接至所述节点6和节点7的另外的中心分支8。所述中心分支8包括彼此串联连接的电感器9和超导非线性电阻器10。 [0077] 根据本发明的故障限流器1因此利用电阻性限制器和整流器桥限制器概念的组合，如稍后将描述的。 [0078] 超导非线性电阻器10在其超导材料从超导状态转变到非超导状态的情况下具有电阻行为。 [0079] 在以下的描述中标识两种操作条件：称为“正常”的操作条件，其中由于适当的冷却系统(例如，低温浴)非线性电阻器10的超导材料处于超导状态；以及称为“活动”的操作条件，其中非线性电阻器10的超导材料经历从超导状态向不超导的正常状态的转变。 [0080] 在正常操作条件下，流过超导非线性电阻器10的电流由流过故障限流器1的正弦电流的峰值包络线给出。具体地，在图中指示为iSFCL(t)的所述电流由具有叠加波动的恒定值组成，其基谐波分量的频率是与故障限流器相连接的受保护电路的操作频率的两倍。 [0081] 这是由于二极管3a、3b、3c和3d的安排。所述波动分量的幅度随电感器9的电感值L而降低。因此，电感器9的电感L越高，波动越低，因此超导体的AC损耗越小。换言之，中心分支8的电感组件的目的是减小波动和AC损耗的大小。 [0082] 当然，只要故障限流器1不影响系统(在正常操作条件期间与其连接的电线或概括地说受保护电路)，则电感器9的电感值L应尽可能高。 [0083] 这意味着，例如在短路的情况下，电感器9的电感不能像例如在短路事件中将故障电路限制在可接受水平所需的那样高。 [0084] 在稳定状态，电感器9携带在图之中指示为I0的DC电流，该电流分成分别流过二极管对3a-3b和3c-3d的两个相等部分。由于二极管3a、3b、3c和3d上的压降，出现电流衰减(波动的减少部分)。当电流下降到低于受保护电路的电流值时，电感器变为与其串联连接且电流增加到衰减开始处的正弦峰值。 [0085] 考虑穿过故障限流器1的电流iSFCL(t)的正半波。因为二极管3a、3b、3c和3d均正向偏置，所以瞬时电流iSFCL(t)绕过所述电流I0流过的所述中心分支。 [0086] 故障限流器1的总电压由二极管对3a和3d上的总压降(其与施加到二极管对3c和3b上的电压等效)给出，该压降相对于受保护电路的电压可忽略不计，因此故障限流器1实际上提供零阻抗。 [0087] 因此，根据以上提到的内容，电流i3a-3b＝I0/2+iSFCL/2流过二极管3a和3b，而电流i3c-3d＝I0/2-iSFCL/2流过二极管3c和3d。 [0088] 当电流超过固定阈值时，所述超导非线性电阻器10能够经历从所述正常状态向所述活动状态的转变，因此获得具有电阻R的电阻行为。 [0089] 由于超导非线性电阻器10的转变以及因此在故障条件期间引入与电路串联的电阻(以及电感)，因此故障限流器1设置有适当的限制能力，这种电阻仅仅是由于有关非线性电阻器10的材料从超导条件转变为正常导电条件而产生的，这种转变在比特定预先设立的电流高的电流流过它时发生。 [0090] 因为一般而言在短路期间电力系统的等效阻抗具有主导的电感性分量，所以根据本发明的故障限流器1不会使系统的动态稳定性变差，而且有助于熄灭断路器断开极之间出现的电弧。 [0091] 因此，正如所观察到的，根据本发明的故障限流器1在短路条件期间将电阻分量增加到系统的等效阻抗(原本主要是电感)，并且不使系统的动态稳定性变差而且有助于熄灭断路器断开极之间出现的电弧。 [0092] 实际考虑电流iSFCL(t)的正半波。如果由于导致短路电流的故障而使该电流超过DC分量I0的值，则电流i3c-3d＝I0/2-iSFCL/2将该变符号并且将不会被允许，因为二极管3c和3d反偏。因此，整个电流I0/2+iSFCL/2＝iSFCL/2+iSFCL/2＝iSFCL流过电感器9和超导非线性电阻器10。 [0093] 在预先设立的故障电流下，超导非线性电阻器10由于以下事件中的一个或多个而从正常操作条件切换到活动操作条件： [0094] (a)受保护电路的电流超过给定阈值； [0095] (b)由电感器9产生的磁场超过给定阈值； [0096] (c)超导材料的温度超过给定阈值； [0097] (d)事件(a)和(b)均发生； [0098] (e)事件(a)和(c)均发生； [0099] (f)事件(b)和(c)均发生； [0100] (g)事件(a)、(b)和(c)均发生； [0101] 当所述超导非线性电阻器10切换到其非超导条件时，它表现为电阻器，从而限制故障电流。 [0102] 因此，利用超导非线性电阻器10的超导材料的转变来产生期望的故障电流限制效果，与其中超导材料仅用来减少能耗的公知技术是不同的。 [0103] 而且，正如公知的，超导材料在直流条件下工作最佳，且与有源器件3a、3b、3c和3d的桥布置结合的电感器9在不使用诸如外部电流源等任何其它有源器件的情况下实际上确保直流操作条件。 [0104] 可能地，有源器件3a、3b、3c和3d还可实现为晶闸管，从而只要提供用于控制晶闸管栅极的适当装置，则有关限制器既可用作断路器又可用作限流器。 [0105] 所述故障限流器1允许限制单相电路或电力系统中的故障电流。对于三相限流器系统，需要三个故障限流器1，每个相一个故障限流器。 [0106] 而且，根据该实施例，所述电感器9可由超导材料制成且可按这样的方式确定尺寸：即使发生故障也不经历任何转变并保持在所述正常操作条件，因此处于超导状态。这允许降低有关限流器1的总损耗。 [0107] 图2示出根据本发明的超导故障限流器1的又一个实施例，其中中心分支8还包括与超导非线性电阻器10并联连接的常规电阻器11。这一实施例仅在中心分支的电感和超导非线性电阻借助于两个不同的绕组或装置制造时适用。所述常规电阻器11允许在故障条件期间排放流过所述超导非线性电阻器10的电流的一部分，从而减少所述故障限流器1的热负载和因此引起的恢复时间。 [0108] 换言之，所述常规电阻器11的技术效果是降低所述超导非线性电阻器10的超导材料的过热，因此避免可能的损害并减少从活动操作条件切换回正常操作条件所需的时间。 [0109] 图3a示出根据本发明的故障限流器1的第三实施例，其中常规电阻器11’连接到所述整流器桥2的非相邻第三节点6和第四节点7。即使在中心分支的电感和超导非线性电阻不是借助于两个不同的绕组或装置实现时，该实施例同样适用。而且在这种情况下，所述常规电阻器11’允许在故障条件期间排放流过所述超导非线性电阻器10的电流的一部分，从而减少所述故障限流器1的热负载和因此引起的恢复时间。 [0110] 图3a的实施例相对于图2所示具有进一步的优点。事实上，如果电感器9也是超导的，则有可能仅使用两条而不是三条电流导线来将超导部件连接到在室温下操作的电路的其它部件，因此降低冷却系统的热负载。 [0111] 图3b示出根据本发明的故障限流器1的另一个实施例，其中常规电阻器11”连接到所述整流器桥2的非相邻第一节点4和第二节点5，即与整个限流器1并联。 [0112] 最后，有可能构想出本发明的另一个实施例，其中电感器9的电感效果和电阻器10的非线性超导电阻效果组合在由超导材料制成的单个电感器中(绕组、线圈)，具有： [0113] -第一操作条件，其中流过所述限流器1的电流低于预定阈值，所以所述电感器9处于超导状态；以及 [0114] -第二操作条件，其中流过所述限流器1的电流高于所述固定阈值，从而所述电感器9的超导材料从超导状态切换到非超导状态，因此形成电阻效果。 [0115] 由此，电感器9和超导非线性电阻器10整合为单个组件。 [0116] 所述超导非线性电阻器10和所述电感器9在由超导材料制成的情况下可由任何可用的超导材料制成，不管其自身的临界温度和其操作所需的压力条件如何。 [0117] 此外，根据本发明，所述超导非线性电阻器10和所述电感器9的制造在后者由超导材料制成并且与所述超导非线性电阻器10整合的情况下可包括任何构造、生产工艺或技术，例如，具有借助于带、细丝或层制成的任何布局的绕组、双线无感绕组、交替的扁平绕组、具有磁场辅助急冷的绕组、超导曲折线、超导薄膜、体等。 [0118] 此外，众所周知，为了避免超导体的部分转变，可向其施加磁场(以避免称为“热点”的损害过程)。因此，在优选实施例中，可将电感器9放置在接近所述超导非线性电阻器10的适当位置，以便借助于所产生的磁场帮助从所述超导条件至所述非超导条件的最优转变。 [0119] 图4示出连接到馈送电负载13的三相中间电压分配系统12的故障限流器1的可能应用。当然，在系统的每个相处必须连接一个故障限流器1。 [0120] 在图4中，示出分配系统12的主要特性和参数。 [0121] 正如所看到的，电力分配系统12借助于变压器15连接到132kV传输系统14，该变压器15具有从132kV至20kV的缩放因数。 [0122] 本实施例中的变压器15、断路器16、超导故障限流器1以及负载13均借助于长度为8km的馈电线17串联连接。 [0123] 接下来的附图示出图1的实施例中以及图4的连接中的超导故障限流器1的操作特征。 [0124] 在图5中，由于正常的负载插入(例如，大型生产设备的插入)引起的负载80％的增加所导致的电压瞬变被示出作为各种电感值的函数。 [0125] 从图5中可以看出，当电感器9的电感低于5mH时，电压下陷低于4％，这是EN50160标准所要求的。于是选择电感器9的电感值L＝5mH作为超导绕组的设计电感值。 [0126] 在图6中，关于电感器9的不同电感值L绘制超导体的电流。可以看出波动的幅度随着电感的增加而减小。在L＝5mH，超导体中的电流等于459.5±1.4A。 [0127] 在图7中，关于L＝5mH和在转变完成后达到的不同电阻值绘制由于三相故障引起的短路电流波形。能够观察到，假设超导材料的电阻行为具有电阻值R＝4欧姆，则短路电流是在没有限流器1的情况下达到的值的约25％。于是选择值R＝4欧姆作为超导线圈的设计值。 [0128] 最后，图8示出限制器(1)的可能连接，列出如下： [0129] (a)来自发电机的馈电线； [0130] (b)用于电站附属设备的电源； [0131] (c)分配网络19的耦合； [0132] (d)母线耦合20； [0133] (e)用于故障电流限制的分流反应器； [0134] (f)来自变压器15的馈电线； [0135] (g)母线连接/馈电线20； [0136] (h)与诸如超导电缆21之类的其它超导装置的组合； [0137] (i)耦合本地发电单元22； [0138] (l)环形网络的闭合。 [0139] 本发明的优点是能够实现满意的限制能力而在其正常操作条件期间不影响电力系统。在常规的整流器桥型故障限流器中，不能同时实现这两个特征。此外，根据本发明的限制器将电阻增加到网络的短路阻抗中，从而使得电弧熄灭更容易并且避免在故障条件期间网络的动态稳定性变差。 [0140] 本发明的优点在于超导非线性电阻器操作在直流稳定状态且无需外部源装置。 [0142] 为了说明和描述，已给出本发明的优选实施例的上述描述。不旨在将详尽本发明或将本发明限制在所公开的精确形式，且鉴于以上教示很多明显的修改和变化是可能的，总之保留由此处所附权利要求书限定的保护范围和权利。 |
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