一种多柱组合式超导阻感型限流器的制造方法
【专利摘要】一种多柱组合式超导阻感型限流器，由n柱超导电感支路组合而成，n≥2。该限流器包括L1柱内线圈L1in和外线圈L1out、L2柱内线圈L2in和外线圈L2out、L3柱内线圈L3in和外线圈L3out、…、Ln柱内线圈Lnin和外线圈Lnout，各柱内外线圈匝数相同，绕向相反。各柱线圈的中心沿圆周均匀分布，两两之间夹角为360°/n，n≥2。超导线圈安装在低温杜瓦Dewar内部。在正常工作时，超导线圈的电阻为零，电感很小。在系统发生突发短路时，超导线圈迅速失超限制短路电流的暂态值，之后各支路断路器相继断开，整个超导阻感型限流器的电感和电阻都逐步增大限制短路电流的稳态值。
【专利说明】一种多柱组合式超导阻感型限流器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于短路故障限流的超导阻感型限流器。
【背景技术】
[0002]随着国民经济的快速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电力系统的不断发展，单机容量和发电厂容量、变电所容量、城市和工业中心负荷不断增加，就使得电力系统之间互联，各级电网中的短路电流水平不断提高。尽管如此，一般的做法仍然是采用断路器对故障线路进行开断，一方面保护电力设备，另一方面也避免由于母线电压过低而对用户造成不利影响。随着短路电流水平的不断提高，就需要不断提高断路器的开断容量。然而，进一步提高断路器的开断容量，不仅在技术上已经越来越困难，而且造价也将大幅度提高。此外，断路器不能直接并联使用。因此，电网故障短路电流的开断容量不足已经越来越成为限制电网发展的重要瓶颈问题。
[0003]考虑到断路器的开断容量不足，近几年来，多种限制电网短路电流的方法也开始被关注和应用。限制电网短路电流的方法主要有:(I)提高电网电压；(2 )解开电网连接，包括断开一些输电线路或双母线间的连接。在出现短路故障时，可以关合备用断路器保障供电；(3)提高电力变压器短路阻抗；(4)装设限流电抗器；(5)装设故障电流限制器。然而，提高电网电压等级的成本太高；解开电网连接的方法，会导致电网的供电可靠性大大降低；采用高阻抗变压器或限流电抗器是目前限制短路电流最简单也是最成熟的方案，但需增加系统无功且不利于电网暂态稳定。为了消除限流电抗器的缺点，可采用在电网中装设故障电流限制器这一解决方案。故障电流限制器在正常条件下阻抗很小，在短路故障时阻抗变大而限流。当前比较成熟的故障限流器技术主要有串联限流电抗器、串联谐振型故障电流限制器、可控串补故障电流限制器等，而处于研究阶段的故障限流器技术主要是应用新材料实现的限流技术，包括超导限流器、PTC热敏电阻限流器和固态限流器。
[0004]在当前的超导限流器技术中，超导电阻型限流器得到了很大关注。在系统正常运行时，超导电阻型限流器呈现无阻抗状态，对电网没有任何影响，在故障发生时，高温超导体失超而呈现高电阻状态进行限流。超导电阻型限流器在制作时，通常是利用单根或多根超导带制作成无感饼式线圈模块，然后多个无感饼式线圈通模块过串并联形成限流器° 论文(Development of resistive fault current limiters based on YBCOcoated conductors,IEEE Transactions on Applied Superconductivity,vol.19，n0.3,PP.1950-1955)采用了单导线中部回旋的八卦型结构制作超导无感电阻，中国发明专利201210057470.2采用了双导线同绕端部焊接的结构制作超导无感电阻。饼式结构超导电阻型限流器的缺点是单饼端口电压最高，因此难以制作成大饼，需要多个小饼串联才能构造成能承受高电压的限流器，从而增加了接头数量。超导电阻型限流器还可构造成圆筒式结构，论文(An analysis and short circuit test of various types of Bi_2223bifilarwinding fault current limiting module, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2006，vol.16，n0.2，pp.703-706)米用双带沿径向叠绕方式构造了圆筒式无感电阻线圈，中国发明专利201210057511.8采用双带沿轴向并绕方式构造了圆筒式无感电阻线圈。但是径向和轴向并绕的圆筒式无感线圈均存在端口电压过高等问题，难以做成大筒。普通饼式结构和圆筒式结构的超导无感电阻线圈在应用于高压大功率场合时，由于单个无感电阻模块无法做大，只能通过串并联实现，存在接头过多、接头损耗大，并联单元之间难以均流，且无法以电感模式运行的诸多缺点，如果找到一种可构造大型超导无感线圈的方法，将具有十分积极的意义。
【发明内容】
[0005]由于现有电阻型高温超导限流器只能构成多个小型单元模块串并联形式，存在接头损耗大，均压均流复杂的缺点，且只能以电阻模式工作，限流过程中产生的焦耳热过高、失超回复慢、难以满足重合闸等问题，现有的超导电感型限流器在稳态运行时增加系统无功和压降，并且由于交流漏磁场的存在，难以采用不锈钢金属杜瓦。本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提出一种多柱组合式超导阻感型限流器。本发明采用超导线圈的电阻和电感共同限流，在稳态时，限流器的电阻为零，电感很小，在突发短路时，超导线圈快速失超、电阻增加限制故障电流的瞬时值，在各支路断路器相继开断后，超导线圈的电感增加，限制故障电流的稳态值。超导线圈可以设计为小电阻、大电感类型，将超导线圈的发热量降低。
[0006]为了实现上述目的，本发明多柱组合式超导阻感型限流器采用以下技术方案:
[0007]多柱组合式超导阻感型限流器由η柱超导电感支路组合而成，η≥2，所述限流器包括LI柱内线圈和外线圈、L2柱内线圈和外线圈、L3柱内线圈和外线圈、…、Ln柱内线圈和外线圈，低温杜瓦 和支路断路器；各柱内、外线圈匝数相同，绕向相反。各柱线圈的中心沿圆周均匀分布，两两之间夹角为360° /η，η>2。LI柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端，内线圈输出端、外线圈输入端和外线圈输出端，输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧:内线圈输入端和内线圈输出端位于LI柱内线圈的上、下两侧，外线圈输入端和外线圈输出端位于LI柱外线圈的上、下两侧；L2柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端，内线圈输出端、外线圈输入端和外线圈输出端，输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧:内线圈输入端和内线圈输出端位于L2柱内线圈的上、下两侧，外线圈输入端和外线圈输出端位于L2柱外线圈的上、下两侧；L3柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端，内线圈输出端、外线圈输入端和外线圈输出端，输入和输出端子分别位于线圈的上下两侧:内线圈输入端和内线圈输出端位于L3柱内线圈的上、下两侧,外线圈输入端和外线圈输出端位于L3柱外线圈的上、下两侧；Ln柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端，内线圈输出端、外线圈输入端和外线圈输出端，输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧:内线圈输入端和内线圈输出端位于Ln柱内线圈的上、下两侧，外线圈输入端和外线圈输出端位于Ln柱外线圈的上、下两侧。限流器不同柱上的内线圈和外线圈布置在低温杜瓦内部；各支路断路器布置在低温杜瓦外部，分别串联在LI柱外线圈输出端支路、L2柱外线圈输出端支路、L3柱外线圈输出端支路和Ln柱外线圈输出端支路。LI柱内线圈输入端、L2柱内线圈输入端、L3柱内线圈输入端和Ln柱内线圈输入端短接作为η柱组合式超导阻感型限流器的输入端，LI柱内线圈输出端和L2柱外线圈输入端连接，L2柱内线圈输出端和L3柱外线圈输入端连接，Ln-1柱内线圈输出端和Ln柱外线圈输入端连接，Ln柱内线圈输出端和LI柱外线圈输入端连接。LI柱外线圈输出端、L2柱外线圈输出端、L3柱外线圈输出端和Ln柱外线圈输出端短接作为η柱组合式超导阻感型限流器的输出端。由于各柱内外线圈的匝数相同，因此各支路的电阻和电感完全对称，从而保证了各支路的电流分布均匀。与单纯超导电阻型限流器的各并联支路电流分配受接头和铜引线影响相比，超导阻感型限流器的各支路电流根据电感分配，因此电流分配更为均匀。各支路断路器正常工作时均为闭合状态。在突发短路时，各支路断路器相继断开，整个超导阻感型限流器的电感和电阻都逐步增大，短路电流逐渐减小。由于超导阻感型限流器采用电阻和电感共同限流，超导带材的发热量小，更有利于提闻稳定性。
[0008]多柱组合式超导阻感型限流器在正常运行时支路断路器闭合，阻感型限流器的电阻为零，电感为各支路漏抗的并联。在系统突发短路时初期，超导阻感型限流器类似于超导电阻型限流器，限流器迅速失超从而限制故障电流的瞬时值，之后由于支路断路器开断，装置的总电抗值迅速增加，从而限制短路故障电流，线路断路器更容易断开。为了提高多柱组合式超导阻感型限流器运行的安全性，减少超导阻感型限流器的发热量，并满足重合闸要求，多柱组合式超导阻感型限流器除了可以采用失超后具有高电阻率的超导带绕制外，还可以完全或部分采用失超后具有低电阻率的超导带绕制。不同柱上的内线圈和外线圈采用Y系超导带材或B系超导带材中的一种绕制，或者不同线圈采用两种不同超导带材绕制；低温杜瓦采用带真空夹层的不锈钢材料制作。
[0009]本发明具有以下主要优点:
[0010]I)本发明构造的多柱组合式超导阻感型限流器，利用超导带材失超的快速性限制故障电流的瞬时值，利用各支路断路器的逐步断开实现阻感型限流器由电阻向阻感的转变，可进一步提高故障限流限制率。
[0011]2)本发明可用于构造大容量的超导限流器。采用多柱组合的方式实现多个超导限流器支路的并联，并能实现各支路电流的均匀分配，从而降低了大型超导限流器制作的技术难度和成本，更有市场竞争力。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]以下结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0013]图1为本发明多柱组合式超导阻感型限流器的等效电路图；
[0014]图2为本发明具体实施例1双柱组合式超导阻感型限流器的安装布局图；
[0015]图3为本发明具体实施例1双柱组合式超导阻感型限流器的线圈结构和接线方式图；
[0016]图4为本发明具体实施例2三柱组合式超导阻感型限流器的安装布局图；
[0017]图5为本发明具体实施例2三柱组合式超导阻感型限流器的线圈结构和接线方式图；
[0018]图6为本发明具体实施例3四柱组合式超导阻感型限流器的安装布局图；
[0019]图7为本发明具体实施例3四柱组合式超导阻感型限流器的线圈结构和接线方式图。
【具体实施方式】[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
[0021]本发明提出了应用于限流器领域的多柱组合式超导阻感型限流器。
[0022]如图1所示，为本发明η (η > 2)柱组合式超导阻感型限流器的等效电路图。η柱组合式超导阻感型限流器各内绕组和外绕组的自感均为L，互感为Μ，电阻正常状态时为0，失超时增加到R。由于双绕组匝数相同，绕向相反，自感L和互感M非常接近。在系统正
常运行时，电抗器的电抗值
【权利要求】
1.一种多柱组合式超导阻感型限流器，其特征在于，多柱组合式超导阻感型限流器由η柱超导电感支路组合而成，n ^ 2 ;所述的限流器包括LI柱内线圈(Llin)和外线圈(Llout),L2柱内线圈(L2in)和外线圈(L2out)、L3柱内线圈(L3in)和外线圈(L3out)，…，Ln柱内线圈(Lnin)和外线圈(Lnout),低温杜瓦(Dewar)和支路断路器(KL1、KL2、KL3、…、KLn);各柱内、外线圈匝数相同，绕向相反；各柱线圈的中心沿圆周均匀分布，两两之间夹角为360° /n,n ^ 2 ；L1柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端(Lla),内线圈输出端(Lib)、外线圈输入端(Llc)和外线圈输出端(Lld),输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧；L2柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端(L2a),内线圈输出端(L2b)、外线圈输入端(L2c)和外线圈输出端(L2d)，输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧；L3柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端(L3a),内线圈输出端(L3b)、外线圈输入端(L3c)和外线圈输出端(L3d)，输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧；Ln柱线圈的接线端子分别为内线圈输入端(Lna),内线圈输出端(Lnb)、外线圈输入端(Lnc)和外线圈输出端(Lnd),输入端子和输出端子分别位于线圈的上下两侧；限流器不同柱上的内线圈和外线圈布置在低温杜瓦(Dewar)内部；各支路断路器(KL1、KL2、KL3、…、KLn)布置在低温杜瓦(Dewar)外部，分别串联在LI柱外线圈输出端(Lld)支路、L2柱外线圈输出端(L2d)支路、L3柱外线圈输出端(L3d)支路和Ln柱外线圈输出端(Lnd)支路。
2.根据权利要求1所述的多柱组合式超导阻感型限流器，其特征在于，所述的多柱超导电感支路采用如下连接方式:L1柱内线圈输入端(Lla)、L2柱内线圈输入端(L2a)、L3柱内线圈输入端(L3a)和Ln柱内线圈输入端(Lna)短接作为η柱组合式超导阻感型限流器的输入端，LI柱内线圈输出端(Llb)和L2柱外线圈输入端(L2c)连接,L2柱内线圈输出端(L2b)和L3柱外线圈输入端(L3c)连接，Ln-1柱内线圈输出端(Ln-1b)和Ln柱外线圈输入端(Lnc)连接,Ln柱内线圈输出端(Lnb)和LI柱外线圈输入端(Llc)连接；L1柱外线圈输出端(Lid)、L2柱外线圈输出端(L2d)、L3柱外线圈输出端(L3d)和Ln柱外线圈输出端(Lnd)短接作为η柱组合式超导阻感型限流器的输出端；由于各柱内外线圈的匝数相同，因此各支路的电阻和电感完全对称，保证了各支路的电流分布均匀。
3.根据权利要求1所述的多柱组合式超导阻感型限流器，其特征在于，在正常工作时各支路断路器(1^1、1^2、1^3、…、KLn)均为闭合状态；在突发短路时，各支路断路器(KL1、KL2、KL3、…、KLn)相继断开，整个超导阻感型限流器的电感和电阻都逐步增大，短路电流逐渐减小。
4.根据权利要求1所述的多柱组合式超导阻感型限流器，其特征在于，不同柱上的内线圈和外线圈采用Y系超导带材或B系超导带材中的一种绕制，或者不同线圈采用不同超导带材绕制；所述的低温杜瓦(Dewar)采用带真空夹层的不锈钢材料制作。
【文档编号】H01F6/06GK103956719SQ201410116959
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】邱清泉, 张志丰, 肖立业, 戴少涛, 张国民, 丘明 申请人:中国科学院电工研究所, 中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网安徽省电力公司