高压直流限流断路器

本发明涉及到一种用于切断直流电流的高压限流断路器。

切断高压直流是一个难题。

本发明的一个目的是提供能够可靠，并价廉地解决这个问题的装置。

本发明根据的原则包括这样的组合，本身已知的用于限制要切断的电流值的第一装置和本身也已知的，可以用于最终切断剩余电流的第二装置。

第一装置的构成和在文件FR-A-0073731中叙述的，且包括一个超导绕组，用于通过将绕组切换到正常的导电状态来限制故障电流到正常值。该文件介绍了剩余电流由一个电力断路器切断。对于交流电这是容易的，而对于直流电恰是非常困难的。

这就是为什么本发明建议上述第一装置与第二装置联合的原因，正如由B.Bachma，G.Mauthe，E.Ruoss和H.P.Lips在IEEE公报中关于电力装置和系统PIS104，1985年9月9日中介绍的“500千伏空气吹弧高压直流断路器的研制”。这些第二装置包括一个串联谐振电路，能将一个振荡电流注入到电路中，由此在被切断的电流中产生过零交叉。本发明的新的及原始的组合使其有可能切断在约100千伏的电压下几千安培的电流。

于是本发明就提供了一种设置在一条直流线路的两点之间的直流限流断路器，该断路器包括用于限制电流值的第一装置和用于切断剩 余电流的第二装置;该第一装置包括一个位于致冷器内的超导线圈，上述线圈是由至少两个向相反的绕组构成，上述绕组之一与一个开关串联，且一个低阻值电阻连到上述开关的端子上，断路器的特征在于，上述第二装置包括一个与上述线圈串联的断路器，断路器的端子与压敏电阻相连并与一个电路相连，该电路包括相串联的一个电容和一个电感。

在另一个实施例中，该直流限流断路器用于插在直流线路中的两点间，并包括用于限制电流的第一装置和用于切断剩余电流的第二装置，所述第一装置包括一个放置在致冷器内的超导线圈，所述线圈由至少一组绕向相反两个绕组构成，所述绕组之一是与一个开关串联，一个低阻值电阻连到上述开关的端子上，该断路器的特征在于：所述第二装置包括一个与线圈串联的断路器，和一个与所述断路器并联的电路，该电路包括串联的一个激励开关（make  switch）、电感和电容，以及一个使电感和电容之间公共点接地的电阻。

有利的是设置在致冷器外侧的平衡电阻是与每个超导线圈相串联。

一个压敏电阻连接在上述两个导线点之间或连到限流装置的端子上。

从以下对本发明的各种实施例的叙述和参考附图将对本发明有很好的了解，在附图中：

图1是本发明的一个直流限流断路器的第一个实施例的示意图;

图2是说明本发明限流断路器操作切断剩余电流的一种形式的波形图;

图3是一个限流断路器的第一种变形实施例图，和

图4是限流断路器的第二种变形图。

在图1中，LG表示在S和Q两点间的一条直流线路，本发明的一个限流断路器接在其间。

这个断路器包括两组装置：

第一装置，用于限制电流值，该电流值可能是，例如一个高值故障电流或该线路的正常线路电流;和

第二装置，用于切断上述限流发生后的剩余电流。

该限流装置包括一个致冷器1，在致冷器中设有制冷液体2用于使两个绕组51和52形成超导，为了使图看得清楚，这些绕组是并列示出，而实际上为了减少电感值它们是同心并相反绕向的。

该致冷器设有两个馈入装置3和4，绕组51和52首先与导体31和32相连，导体31和32在馈入装置3的出口处的P点互连，然后与导体41和42相连，导体41和42通过馈入装置4且在点Q处互连。

在致冷器外部装有一个开关60，它与其中一个绕组串联，在此情况下绕组51与一个高阻值电阻R1跨过开关60的两端连接。

低阻值电阻61和62各与绕组51和52中的一个分别串联连接，并用于平衡两个分支的阻抗，以在绕组51和52之间得到适当的电流分配。

用于切断剩余电流的第二装置包括一个设在点S和P之间的断路器D。

断路器D的端子连到一个电路，该电路包括以下串联部件：一个激励开关E，一个电感L以及一个由线路LG持续充电的电容器C。

一个阻值很高的电阻Ri连在该电感和电容之间的公共点上接 地。

最后，一个压敏电阻V将点S和Q互连。

现在叙述装置的运行。

在正常运行期间，断路器D和开关60被闭合，而激励开关E维持断开。

切断故障电流。

如果发生接地故障（例如在点T），且故障电流上升很快，且很快就超过超导导线的临界电流。绕组51和52自动切换到非超导状态（这是自动转换），且在电气上它们成为电阻性的。

在S处电压立即很快上升，由电网中的电磁能（ 1/2 L0I20）造成的冲击转变为静电能（ 1/2 C0U20）。

压敏电阻V的运行电压被调到1.1U或1.2U（当U为电网正常电压时），且从而传导但吸收了大部分能量。

该能量的其余部分由绕组51和52吸收。

这个冲击持续几毫秒。在这些过渡过程之后，加到绕组51和52上的电压U产生一个剩余电流Ir，例如100安培的量级。

在过渡后或在故障后约20毫秒，断路器D被断开，且在其触头之间建立起电弧。几毫秒后，激励开关E被闭合。

然后，充了电的电容C经过断路器D和电感L注入比Ir幅值大的振荡电流i。这个振荡电流i叠加在剩余电流Ir上，从而就在合成电流It（见图2）中的01、02、03、04……处出现过零交叉，这就极有利于断路器D切断电流。

如果在D处切断冲击小，就可能把压敏电阻V置于P和Q点之间，而不是S和Q点之间。

切断正常电流或小于临界电流的电流。

采用一种方法，以使绕组51和52连续改变状态。

当开关60断开时产生电弧，该电弧破坏了绕组51和52间的电流平衡分配。结果，由于绕组52电流超过临界值，首先产生转变，此后，另一个绕组51产生转变。

可考虑一个例子：使要被切断的正常电流是In，并假设临界电流Ic之值为1.5In。

假设该电流在绕组间分配为50%-50%，并且在每个绕组中的临界电流为Ic/2。

通过断开开关60，In趋于通过绕组52;且由于In比Ic/2大，绕组52就从超导状态转换为正常状态。全部电流In趋于通过绕组51，且依次改变状态。

当绕组51改变状态时，跨电路端子两端有一个冲击，且压敏电阻进入工作。

在开关60断开后，断路器D立即断开，且而后激励开关E闭合，将电流i注入断路器D。

在这种情况下，剩余电流流过绕组51和52的时间比先前情况要短，产生较低的低温损失。

采用两个超导线圈的方法，能保证对恒定电流发生的过渡不小于Ic/2。

在一个变形的方案中，能采用四个超导绕组，而不是两个，因而就有可能实现对像Ic/4这样低的恒定电流的过渡。

图3示出了本发明限流断路器的一个变形实施例。

对图1和3为共同的部件采用相同的参考编号。

这个电路与图1电路的不同点在于省去了开关60和电阻R1。

在与上述相同的故障情况下的工作：绕组51和52改变状态，然后注入电流i。

当切断比电流值Ic低的电流时，工作也是相同的。

在这种变形中，可以看到，被注入的电流i需要稍大于Ic，这就是说，电容器C的电容量应该大得多。

例如，假设在第一种情况下，要求注入0.25Ic的电流i，则在第二种情况下，就要求电流i等于Ic。这就要求16倍的电容量，因为电容量之比随电流比的平方而变化。

图4示出一个变形实施例，它与图1不同，其中激励开关E和电阻Ri都被省去了。另外，一个压敏电阻V1被连在点P和Q之间，并且，另一个压敏电阻V2被连到断路器D的端子上。

一旦绕组已经改变状态，就维持要被切断的剩余电流Ir，这次切断剩余电流所采用的原理是依赖于电流的负特性。

这个电弧使得有可能将与Ir相对的电流i放大，直到在流过断路器D的合成电流中产生过零。

在断路器D中已经发生切断以后，电流Ir就被送到Lc电路。当跨在C的端子上的电压达到足够值时，压敏电阻V2工作。然后电流Ir通过压敏电阻V2传送，该压敏电阻V2吸收电路中的电磁能。这就使得Ir衰减。这种原理在IEEE Vol.PAS 104No.10，1985年10月“高压直流断路器的研制及现场试验”中已有叙述。

以上面叙述过各实施例的装置中各部件所要求的值可以容易地计算出。

L、C的值和注入电流i的频率f作为Ic、Ir、i和断路器D的切断功率的函数来确定。

例如，在图1中：

V＝100千伏，Ic＝2500安培，i＝3150安，c＝10微法，L＝0.01亨，f＝500赫芝。

本发明可以应用于切断高压直流电流。