专利名称：一种基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种超导故障限流器，具体涉及的是一种基于新型超导材料的阻 抗复合型超导故障限流器，属于电力设备技术领域。
背景技术：
随着电网的规模日益扩大，短路电流成为了困扰电力系统、严重影响电网安全可 靠性的难题之一。近几年超导故障限流器成为国内外研究前沿和热点课题。超导故障限流 器在电力系统中的大量应用依赖于超导线材的发展。研究开发价格低廉、加工简便、具有 更高临界温度和电流密度的新型超导体，对超导电力技术的实际应用有十分重要的现实意 义。现今的超导故障限流器大多基于氧化物高温超导材料，铋系和钇系。但因为构成 氧化物高温超导体的化学元素昂贵、合成的超导材料脆性大、难以加工成线材，且因为存在 晶界弱连接，限制了其承载超导电流的能力。目前超导故障限流器的发展主要有两个方向，一个是利用超导体的高密度无阻载 流能力，一个是基于S/N的转换原理，利用超导体的失超特性实现短路电流的抑制。饱和铁 心型和电阻型超导故障限流器分别是这两个方向的代表拓扑结构之一。下面说明现有的饱 和铁心型超导故障限流器和电阻型超导故障限流器的工作。根据现有技术的电阻型超导故障限流器，如图1所示，包括超导限制器元件1，电 网正常工作时处于超导状态，故障情况下当流过其电流超过其临界电流处于高阻值状态； 超导串联线圈2串联连接到超导限制器元件1，从而彼此面对，抵消超导限制器元件1的磁 场，使电网正常运行时整个装置电抗为零；并联限制线圈3，在发生故障时通过转移超导限 制元件1的电流而防止超导限制元件过热。现有技术下的超导限制元件1通常采用高温超 导材料，受制于载流能力，需要大量超导体的串并联来提高超导故障限流器相对于高电压 和大电流的承受力，此外超导串联线圈2在故障情况下也会因为具有抵消磁场的作用而降 低限流装置的感抗，这与我们希望超导故障限流器在电网发生短路故障情况能够具有较高 的阻抗值相矛盾。图2为现有技术下的饱和铁心型超导故障限流器的结构。它由第一铁心4和第二 铁心7串联而成(相应于图2中的交流线圈5和6，每个铁心上的次级绕组为高温超导带材 绕成的直流偏置线圈8和9)。超导偏置线圈产生一个直流磁场使铁心处于深度饱和状态。 电网正常工作时串联在电网中的交流线圈5和6由于铁心处于磁饱和状态而呈现低感抗状 态；当系统发生短路故障时，瞬间增大的电流使交流线圈5和6产生的磁场足以抵消直流偏 置线圈8和9产生的磁场，从而使两个铁心交替由饱和状态进入正常态，产生高阻抗，自动 限制了电网中短路电流的增加。饱和铁心型超导故障限流器的交流绕组5和6采用铜绕组， 在正常运行时，一次铜绕组存在电能损耗，虽然一次铜绕组匝数越多，限流电感越强效果越 好，但匝数越多，铜绕组上的电阻就不能忽略，正常运行时超导故障限流器上的电压降就越 大，不能体现出正常运行时超导故障限流器串入电网中对电网无影响的优点；二次侧虽也采用超导绕组，但在电网发生故障前后，超导材料并没有失超，因此饱和铁心型超导故障限 流器也不能很好的利用超导材料失超后的高阻值的优点。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种在满足线路载流能力的 情况下使用最少的超导体且在故障情况下可提高感抗水平的超导故障限流器，同时可以降 低正常运行时的电压损耗并确保操作的可靠性。为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现本发明包括口字形的铁心；铁心的上侧设有MgB2超导绕组，MgB2超导绕组上并联 有电抗器；铁心的下侧设有高温超导绕组，高温超导绕组上串联有直流电压源；高温超导 绕组和直流电压源之间串联有磁力开关和其值可调节的第一电阻，组成第一回路。在电网 正常工作时磁力开关为闭合状态，当电网发生短路故障时，流经电抗器的电流产生的突变 磁场将使磁力开关的动触点与静触点分离。电抗器既作为电网短路故障发生后，磁力开关 的触发线圈，也可以限制超导绕组在电网短路故障状态下两端的过电压。本发明在满 足线路载流能力的情况下，使用最少的超导体，同时提高故障情况下超导故障限流器的感 抗水平，降低正常运行时超导故障限流器上的电压损耗，并确保操作的可靠性。本发明还包括第二电阻和二极管，第二电阻与二极管串联后再并联在高温超导绕 组的两端。磁力开关闭合时二极管截止，其断开时，高温超导绕组与二极管、第二电阻形成 闭合回路，以便高温超导绕组的能量通过二极管和第二电阻释放。上述述超导绕组为线材，高温超导绕组为铋系高温超导带材。上述MgB2超导绕组和高温超导绕组均设置在液氦杜瓦中。上述直流电压源包括外接电网的变压器和整流电路，变压器的输出端与整流电路 的输入端相连接，整流电路与高温超导绕组相串联。通过变压器将高压转为低压，再通过整 流电路整流，以方便在低压侧进行调压操作。上述磁力开关包括动触点和串联到第一回路上的静触点。上述铁心是由冷轧硅钢片裁剪叠合而成。上述电抗器的结构为螺线管线圈。本发明的有益效果(1)电抗器既作为电网短路故障发生后，磁力开关的触发线 圈，也可以限制超导绕组在电网短路故障状态下两端的过电压。(2)本发明中承担限 流任务的一次侧绕组采用了 MgB2新型超导材料，它易合成，易加工，方便制成线材，且硼元 素和镁元素的价格低廉，载流耐压能力强；MgB2新型超导材料，相对于传统的基于高温超导 材料的电阻型超导故障限流器，本发明减少了超导体串并联的个数，有效的降低了限流装 置的制作成本，同时故障状态下超导绕组的电感值也能有效抑制短路电流的瞬态值， 具有更好的限流效果；MgB2新型超导材料，相对于传统的饱和铁心型超导故障限流器，因为 一次侧采用MgB2超导绕组，限流装置正常运行时的电压损耗近似为零，不存在电能损耗，也 不会因为绕组匝数增加而使电能损耗增大，同时超导绕组失超后的电阻值远远大于同尺寸 的铜绕组，因而失超后的限流阻抗值也远远大于同结构尺寸的一次侧采用铜绕组的饱和铁 心型超导故障限流器，另外，因为采用磁力开关闭合和断开二次侧高温超导绕组励磁电路， 因此相对于传统饱和铁心型超导故障限流器，只需要一个铁心，大大降低了本发明的体积。
下面结合附图和具体实施方式
来详细说明本发明；图1为现有的电阻型超导故障限流器的结构示意图；图2为现有的饱和铁心型超导故障限流器的结构示意图；图3为本发明的结构示意图(图中箭头表示的方向为突变磁场的方向)。
具体实施例方式为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式
，进一步阐述本发明。参见图3，本实施例中，为了便于说明，此附图只表示基于新型超导材料的阻 抗复合型超导故障限流器的单相结构，对于电力系统的三相电力线路，每一相都具有同样 的故障限流器的结构，在此予以说明。本发明包括呈口字形的铁心18，铁心18由冷轧硅钢片裁剪叠合而成；在口字形的 铁心18上侧绕有MgB2超导绕组11，MgB2超导绕组11串接在供电系统中，在MgB2超导绕组 11上并联有电抗器10 ；在口字形的铁心18下侧绕有高温超导绕组17，在高温超导绕组17 上串联有直流电压源13，直流电压源13包括变压器20和整流电路19，变压器20的第一端 口 21和第二端口 22外接电网，变压器20的两输出端接整流电路19，整流电路19与高温超 导绕组17相串联；在高温超导绕组17和整流电路19之间串联有磁力开关16及第一电阻 12，高温超导绕组17、整流电路19、磁力开关16和第一电阻12组成第一回路。本实施例中，MgB2超导绕组11为线材；高温超导绕组17为铋系高温超导带材； 皿8化超导绕组11和高温超导绕组17均设置在液氦杜瓦中；电抗器10的结构为螺线管线 圈。磁力开关16在电网正常工作时为闭合状态。第一电阻12的阻值可调。磁力开关 16包括动触点和串联到第一回路电力线上的静触点，该动触点能在与静触点接触以允许电 流在该电力线上流动的位置和通过来自电抗器10的磁力从静触点分离以便断开该电力线 的位置之间切换。第二电阻14与二极管15串联后再并联在高温超导绕组17的两端；磁力 开关16闭合时二极管15截止，断开时，高温超导绕组17与二极管15、第二电阻14形成闭 合回路，以便高温超导绕组17的能量通过第二电阻14与二极管15释放。本发明在串入电网前，调节第一电阻12使铁心18深度饱和，当电网额定交流电流 通过18化超导绕组11时，由于铁心18处于磁饱和状态，此时MgB2超导绕组11在电网中处 于低感抗状态，且由于超导材料在超导状态下的无阻载流特性，MgB2超导绕组11不会因为 匝数的增加而使其超导状态下的电阻增加，因此，MgB2超导绕组11在电网正常工作时处于 低阻抗状态，并联的电抗器10两端的电压降可近似认为是零，即该限流装置在电网正常工 作时对系统无影响。当电网发生短路故障时，流经MgB2超导绕组11的电流急剧增大，当超过MgB2超导 材料的临界电流值时，18化超导材料失超，1%化超导绕组Ii的电阻值也急剧上升，并联的 电抗器10两端电压将不可忽略，从而故障电流将流过并联的电抗器10。流经电抗器10的 电流产生的突变磁场将使磁力开关16的动触点与静触点分离，高温超导绕组17中的能量将通过第二电阻14与二极管15得以释放，铁心18也将退出磁饱和状态。此时MgB2超导 绕组11 一方面具有超导材料失超后的高电阻值，另一方面具有较高的线圈感抗值，将很好 的抑制住电网迅速增加的短路电流。参见图3，第一端口 21和第二端口 22接至交流电网中，先通过变压器20将高压转 为低压，再通过整流电路19整流，以方便在低压侧进行调压操作。电抗器10既作为电网短路故障发生后，磁力开关16的触发线圈，也可以限制MgB2 超导绕组11在电网短路故障状态下两端的过电压。本发明中承担限流任务的一次侧绕组采用了 新型超导材料。易合成，易加工， 方便制成线材，且硼元素和镁元素的价格低廉，载流耐压能力强。新型超导材料，相对于传统的基于高温超导材料的电阻型超导故障限流器， 本发明减少了超导体串并联的个数，有效的降低了限流装置的制作成本，同时故障状态下 18化超导绕组11的电感值也能有效抑制短路电流的瞬态值，具有更好的限流效果。MgB2新型超导材料，相对于传统的饱和铁心型超导故障限流器，因为一次侧采用 皿8化超导绕组11，限流装置正常运行时的电压损耗近似为零，不存在电能损耗，也不会因 为绕组匝数增加而使电能损耗增大，同时超导绕组失超后的电阻值远远大于同尺寸的铜绕 组，因而失超后的限流阻抗值也远远大于同结构尺寸的一次侧采用铜绕组的饱和铁心型超 导故障限流器。另外，因为采用磁力开关16闭合和断开二次侧高温超导绕组17励磁电路， 因此相对于传统饱和铁心型超导故障限流器，只需要一个铁心18，大大降低了本发明的体 积。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
1.一种基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特征在于，包括口字形的 铁心(18)；所述铁心(18)的上侧设有Mg 超导绕组(11)，所述18化超导绕组(11)上并联 有电抗器(10)；所述铁心(18)的下侧设有高温超导绕组(17)，所述高温超导绕组(17)上 串联有直流电压源(1 ；所述高温超导绕组(17)和直流电压源(1 之间串联有磁力开关 (16)和其值可调节的第一电阻(12)，组成第一回路。
2.根据权利要求1所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特征在 于，还包括第二电阻(14)和二极管(15)，所述第二电阻(14)与二极管(15)串联后再并联 在高温超导绕组(17)的两端。
3.根据权利要求1或2所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特 征在于，所述Mg 超导绕组(11)为线材，所述高温超导绕组(17)为铋系高温超导带材。
4.根据权利要求3所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特征在 于，所述Mg 超导绕组(11)和高温超导绕组(17)均设置在液氦杜瓦中。
5.根据权利要求1或2所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特 征在于，所述直流电压源(1 包括外接电网的变压器00)和整流电路(19)，所述变压器 (20)的输出端与整流电路(19)的输入端相连接，所述整流电路(19)与高温超导绕组(17) 相串联。
6.根据权利要求1或2所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特 征在于，所述磁力开关(16)包括动触点和串联到第一回路上的静触点。
7.根据权利要求1或2所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特 征在于，所述铁心(18)是由冷轧硅钢片裁剪叠合而成。
8.根据权利要求1或2所述的基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，其特 征在于，所述电抗器(10)的结构为螺线管线圈。
全文摘要
本发明公开了一种基于新型超导材料的阻抗复合型超导故障限流器，包括口字形的铁心(18)；所述铁心(18)的上侧设有MgB2超导绕组(11)，所述MgB2超导绕组(11)上并联有电抗器(10)；所述铁心(18)的下侧设有高温超导绕组(17)，所述高温超导绕组(17)上串联有直流电压源(13)；所述高温超导绕组(17)和直流电压源(13)之间串联有磁力开关(16)和其值可调节的第一电阻(12)，组成第一回路。本发明在满足线路载流能力的情况下使用最少的超导体且在故障情况下可提高感抗水平，同时可以降低正常运行时的电压损耗并确保操作的可靠性。
文档编号H01F6/04GK102064542SQ20101058695
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者姚成, 姚磊, 梅军, 郑建勇 申请人:东南大学