一种基于能量快速转移的混合式直流超导限流器的制作方法

本实用新型属于电工技术领域，更准确地，本实用新型涉及一种适用于电力系统短路保护的故障电流限制器。

背景技术：

构建能源互联网，将来输电网络建设可选用的一种重要方式是电压源型高压直流输电(VSCHVDC)，直流短路故障电流的快速断开问题是VSC-HVDC电网亟待解决的关键技术问题之一。

目前，尽管高压直流断路器被认为是解决直流电网短路故障问题的有效办法之一，但是，随着电网的不断发展和输电容量的不断上升，使得短路电流的水平不断提高，当短路大电流超过高压直流断路器的遮断容量时，则断路器无法动作，故障无法切除，而继续发展更大容量的直流断路器又面临一系列难点与挑战，如灭弧困难、过压高、吸收故障能量大，同时直流断路器还存在结构复杂，损耗高，体积大等缺点，而目前的混合式直流断路器虽有应用前景，但尚处于研制阶段且研发成本高昂，因此，目前缺乏实用的高压直流保护设备，这成为制约高压直流输(配)电网络实际工程应用和发展的主要瓶颈。

故障电流限制器(Fault Current Limiter：FCL)的概念于上世纪70年代首先提出，其基本思想为：快速检测即将出现的短路电流峰值，并提前采取措施将其限定在较低水平，以满足已有断路器在不超过其切断能力的前提下切断短路故障。FCL是一种串联接在系统中的电气设备，在系统正常运行时它呈现出较低阻抗，在故障运行时转而呈现高阻抗以进行限流操作。

超导限流器的结构简单，体积小，损耗低的特点成功弥补了直流断路器的不足，降低了直流断路器的开断电流水平，减小短路电流的同时提高了断路器动作的可靠性。因此，直流故障限流器与高压直流断路器配合是解决直流短路故障的一种新方法。通过直流故障限流器可有效限制故障电流的峰值和降低其上升速率，实现高压直流断路器的轻型化。研究直流超导限流设备与断路器配合使用是解决高压直流输电保护问题的关键。从设备及措施角度来看，如果能够在系统中某些点建设一些专门用于限制系统故障电流的设备，可以从根本上解决系统短路电流水平超标问题，从而大大简化系统规划的难度。另外，若在规划与建设阶段即考虑用限流器降低系统短路电流，还可能降低建设造假和运行费用。

与普通的限流装备相比，超导限流器具有以下优点：(1)利用超导体自身的特性，超导限流器在短路故障发生时的响应速度快，能够在很短的时间内做出反应，从而几毫秒之内就可以完成对短路电流的限制，大大增加了电网的安全可靠性。(2)超导限流器在运行时呈超导状态，为系统带来的额外的功率损失很小，不会对电网造成多余的损耗。(3)超导限流器结构简单且容易实现，是一种静态的限流器，除却超导体之外只需少数的外部辅助装备即可实现。

目前，超导限流器研发最多的是电阻型、桥路型、磁屏蔽型以及饱和铁芯型的超导限流器。瑞士ABB首先于1996年研制出10.5kV/1.2MVA磁屏蔽型超导故障限流器，1997年进行短路测试。中国科学院电工所于1997年便着手开发1kV/100A的桥路型SFCL，在1999年成功进行样机的测试。2007年12月，云南电网公司与北京云电英纳超导电缆有限公司成功研制出35kV/90MVA饱和铁芯型超导限流器挂网样机。2008年1月7日，35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器挂网样机在云南电网公司昆明供电局220kV普吉变电站成功地挂网试运行。2012年，中国科学院电工研究所开始进行200kV/1.5kA直流超导限流器的概念设计。2013年，上海交通大学也将一台由多个YBCO限流单元组成的10kV/200A限流器用于直流限流试验。上述四种超导限流器的限流方式根据限流成分可以划分为两种：电阻限流和电感限流。其中桥路型，磁屏蔽型和饱和铁芯型为电感限流。

在直流系统中，电阻型限流器利用超导材料失超特性可以实现故障时自动触发、自动限流、响应迅速，缺点是失超初期限流电阻没有达到最大值，限制短路电流峰值能力较弱，失超过程控制难度较大，降低了设备的可靠性，自恢复时间长；在直流系统中，电感型限流器故障时自动限流，响应迅速，能很好的限制短路电流峰值，缺点是缺少阻性分量，故障切除前短路电流趋于稳定，限流器电感无法抑制稳态短路电流。

因此，目前迫切需要一种能够在高压直流输电系统中应对单极接地短路故障和两级短路故障、同时能够抑制短路电流峰值和稳态值的直流超导限流器。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于能量快速转移的混合型超导限流器，本实用新型依据电阻限流和电感限流特点，提出了一种既有电阻分量又有电感分量的混合型直流超导限流器拓扑结构，从而能限制直流系统短路故障。本实用新型的基于能量转移的混合型直流超导限流器设备结构简单，易于工程化，可兼顾成本、体积、系统复杂度、触发速度的性能指标。

为实现本实用新型目的，本实用新型提供一种基于能量快速转移的混合式直流超导限流器，其包括电感线圈、直流快速开关、旁路电阻以及定值电阻，其中，

所述电感线圈由超导导线绕制，所述直流快速开关与所述电感线圈串联以形成串联支路，所述旁路电阻并联在所述串联支路两端，所述定值电阻并联在所述快速开关两端。

以上发明构思中，包括直流超导限流器本体拓扑结构，所述混合型直流超导限流器采用限流电阻并联超导电感线圈的主体结构，故障时电感阻碍电流上升，故障电流流通路径转移至电阻支路，实现快速投入限流电阻限制短路电流峰值。主体结构中，在超导电感线圈支路串联接入一个直流快速开关并联定值电阻结构。直流系统处于正常状态时，直流快速开关闭合，系统电流的流通路径是超导电感线圈支路，此时限流器起到平波电抗的作用。当发生短路故障时，直流快速开关断开，超导电感线圈支路快速投入一个开关旁路电阻以限制电感支路电流峰值，从而保护超导电感线圈，防止因电流过大发生损坏，同时保证在短路电流趋于稳定时，电感支路因含有阻性分量而使限流器可以限制稳态短路电流。而直流快速开关因其两端并联有定值电阻使断口电压被钳位，大大降低开关开断条件，提高开关运行可靠性，使直流快速开关轻型化，降低限流器制造成本。

进一步的，所述旁路电阻为定值电阻。

进一步的，所述超导电感线圈在超导限流器工作过程中一直处于超导态。

进一步的，所述超导限流器安装在直流输电线路的首端或末端。

进一步的，所述电感线圈可为空心结构或具有铁芯结构。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

相比于常规限流器在成本、体积、系统复杂程度、触发速度等性能指标难以兼顾，本实用新型依据电阻限流和电感限流特点，提出了一种既有电阻分量又有电感分量的混合型直流超导限流器拓扑结构来限制直流系统短路故障。在系统正常时，该直流超导限流器可以当做平波电抗器且没有能量损耗。在短路故障时，限流器有显著的限流效果同时对直流系统的电压跌落进行补偿。由于在限流器结构中采用超导电感并联电阻结构，在故障发生时，限流器使故障冲击电流快速转移至限流电阻支路，迅速限制短路电流峰值。当开关打开时，为开断状态，限流功能得到进一步提升，可以继续限制稳态短路电流。超导电感线圈在限流过程中不发生失超，保证了超导结构的安全和稳定。

本实用新型的基于能量快速转移的混合型超导限流器，该直流超导限流器能够适用于涵盖直流系统低压线路到高压直流输电线路且能够应对单极接地短路故障和两级短路故障，从而适应在电网短路容量不断增大的情况下对故障限流器这种电网建设重要设备的需求，实现维持系统继电保护配置和稳定、提高电网暂态稳定性和稳态安全性。

本实用新型的基于能量转移的混合型直流超导限流器设备结构简单，易于工程化，可兼顾成本、体积、系统复杂度、触发速度等性能指标。

附图说明

图1为本实用新型中基于能量转移的混合型直流超导限流器拓扑结构图。

图2为本实用新型中基于能量转移的混合型直流超导限流器运行原理图，其中，图2(a)为系统正常状态时，限流器通流状态图；图2(b)为系统发生短路故障时(t＝t₁)，快速直流开关开断前限流器通流状态图；图2(c)为系统发生短路故障时(t＝t₂＝t₁+Δt)，快速直流开关开断后限流器通流状态图。

图3为本实用新型中基于能量转移的混合型直流超导限流器的高压直流输电系统接入图。

图4为本实用新型中高压直流输电系统单极接地短路故障时，不安装限流器与安装限流器情况下，系统直流电压变化对比图。

图5为本实用新型中高压直流输电系统单极接地短路故障时，不安装限流器与安装限流器情况下，系统直流电流变化对比图。

图6为本实用新型中高压直流输电系统单极接地短路故障时，所述直流超导限流器的等效限流电阻变化情况。

图7为本实用新型中高压直流输电系统单极接地短路故障时，超导电感线圈支路无直流开关并联定值电阻结构和有直流开关并联电阻结构的情况下，超导电感线圈电流变化对比图。

图8为本实用新型中高压直流输电系统单极接地短路故障时，直流开关并联定值电阻和不并联定值电阻的情况下，开关断口电压变化对比图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型提供一种基于能量快速转移的混合式直流超导限流器，其包括电感线圈、直流快速开关、旁路电阻以及定值电阻，其中，所述电感线圈由超导导线绕制，所述直流快速开关与所述电感线圈串联以形成串联支路，所述旁路电阻并联在所述串联支路两端，所述定值电阻并联在所述快速开关两端。

本实用新型中，所述限流拓扑的主体结构是电感线圈并联限流电阻，形成两条主要通流支路。所述电感线圈为超导导线绕制，电感线圈可以采用空心结构也可以采用带铁芯结构，所述限流电阻为定值电阻。在实际运行过程中，所述限流器中超导电感线圈需要一直维持超导态运行。

本实用新型中，在超导电感线圈所在支路中串联有直流开关并联定值电阻结构。系统无故障时，直流开关处于闭合状态，开关旁路电阻被短接，在直流系统中，限流电阻支路因为电感支路无阻性成分而被短路，直流稳态电流仅流过超导电感线圈支路，此时限流器无阻性成分，损耗很小可以忽略，超导电感线圈提供平波电抗。当发生短路故障时，限流器快速限制短路电流峰值并且对直流系统电压跌落进行一定补偿，同时直流开关迅速断开，超导电感线圈电流峰值得到限制，同时稳态短路电流得到限制。

本实用新型中，在所述的直流超导限流器中，短路故障时，直流开关断开，与开关无旁路定值电阻相比，直流开关因为有旁路定值电阻结构，使其开断时断口电压受到电阻钳位，断口电压峰值更小，由此降低直流开关开断条件，较小直流开关开断容量，大大降低直流开关制造成本。

本实用新型中，所述直流超导限流器安装于直流输电线路的首端或末端。

本实用新型的限流器的工作原理如下：

本实用新型限流器能够在直流系统正常状态下，为输电线路提供一个超导态的平波电抗，减小系统输电线路交流脉动分量并滤除部分谐波，同时保证平波电抗没有阻性损耗。

当直流系统发生单极接地故障或者两级短路故障时，本实用新型的限流器响应迅速，利用电感电流不能突变的原理和电感并联电阻结构，在故障发生瞬间，快速向直流系统中投入所并联的旁路电阻，形成较大的等效限流阻抗以有效抑制短路电流峰值，电感的旁路电阻为短路电流提供转移通路，降低了超导电感线圈所承受的短路电流冲击，同时利用直流快速开关并联电阻机构，开断开关向电感线圈支路投入定值电阻抑制超导电感线圈失超，保护超导电感线圈安全稳定运行，而开关断口电压由于定值电阻的钳位作用而降低，降低直流快速开关的开断条件，提高开关动作的有可靠性。

为进一步阐述本实用新型装置，下面结合具体实施例进一步说明。

图1为本实用新型中基于能量转移的混合型直流超导限流器拓扑结构图，如图1所示，基于能量快速转移的混合式直流超导限流器方案中，本实用新型的新型直流限流器拓扑结构由两个定值电阻R₁和R₂、一个超导电感线圈L和一个快速直流开关S₁构成。其中R₁是限流电阻，也是旁路电阻，L提供平波电抗。快速开关S₁两端并联定值电阻R₂，可以钳位开关动作过电压，降低快速开关S₁的断口电压。S₁与R₂的并联结构可以削弱超导电感线圈L的过电流防止超导电感线圈发生失超。

图2为基于能量转移的混合型直流超导限流器运行原理图。图2(a)为系统正常状态时，限流器通流状态图。图2(b)为系统发生短路故障时(t＝t₁)，快速直流开关开断前限流器通流状态图。图2(c)为系统发生短路故障时(t＝t₂＝t₁+Δt)，快速直流开关开断后限流器通流状态图。如图2.(a)所示，在稳态时，直流系统无故障运行，此时快速直流开关S₁处于闭合状态。直流系统电流仅流过超导电感线圈L。在直流电流下，当超导电感线圈处于超导态时，线圈几乎没有阻性电压，因此整个超导限流器在77K液氮下处于超导态，没有能量损耗。低能量损耗有助于串联接入直流系统中的电力设备长期运行。同时，超导电感线圈串联接入直流系统可以提供平波电抗，能减小交流脉动分量，滤除部分谐波分量从而减少对传输线路的通信干扰，避免不稳定的谐波调节。

如图2.(b)所示，当t＝t₁时，直流系统中发生短路故障，超导直流限流器进入限流状态I。因为电感电流i₂必须连续不能发生突变，因此线圈电流的上升受到电感抑制，大部分短路电流i₁流过旁路电阻R₁。电感对于电流变化的阻碍作用使线路中自动投入电阻R₁，因此电阻R₁发挥限流作用使短路故障电流峰值受到抑制。在这种情况下，短路电流主要有两个分量，分别为i₁和i₂，其中i₁＞＞i₂。

如图2.(c)所示，Δt是故障检测时间。经过Δt时间后，直流快速开关S₁在t₂开断。此时，流过超导电感电流i₂将受到限制从而保护超导电感线圈L不发生失超。超导电感线圈端电压由于R₂电阻分压而被降低，同时在开关S₁两端，开关动作过电压受到电阻R₂的钳位，因此断口电压幅值受到限制。此时R₁、R₂及超导电感线圈L一同接入直流系统，对故障电流进行作用，因限流阻抗中存在电阻-电感性成分，故称其为混合式。

图3为基于能量转移的混合型直流超导限流器的高压直流输电系统接入图，是本实用新型所述直流超导限流器的一个应用场景，它是一个简单VSC高压直流输电系统。限流器被设计安装在传输线路的端部。该系统假设在输电线路端部发生接地短路故障，故障发生时刻设置在t₁＝2s，经过5ms，限流器中开关S₁在t₂打开。

图4为高压直流输电系统单极接地短路故障时，不安装限流器与安装限流器情况下，系统直流电压变化对比图，或者说图4是系统端部直流电压U_DC的波形。通过该直流系统安装限流器前后对比可知，故障发生后，该限流器可以在一定程度上补偿系统电压，降低直流电压跌落速率。

图5为高压直流输电系统单极接地短路故障时，不安装限流器与安装限流器情况下，系统直流电流变化对比图，或者说图5是传输线路直流电流波形，从图中可知，该限流器在短路故障时有明显的限流效果，短路电流峰值从51kA限至27.6kA，短路电流抑制率达到了45.9％。

图6为高压直流输电系统单极接地短路故障时，所述直流超导限流器的等效限流电阻变化情况，或者说图6是限流器的等效电阻变化曲线，图中显示该限流器有很快的响应速度，当短路故障发生时，限流等效电阻可以从0Ω变化至3.26Ω。当限流器的等效电阻为0Ω时，限流器的阻性电压为0V，此时限流器几乎无能量损耗。当限流器等效电阻呈现高阻抗时，限流器可以有效的限制短路电流。

图7为高压直流输电系统单极接地短路故障时，超导电感线圈支路无直流开关并联定值电阻结构和有直流开关并联电阻结构的情况下，超导电感线圈电流变化对比图。由于R₁的分流作用，超导电感线圈中的故障电流分量远低于线路总的故障电流。R₂并联快速开关S₁的结构可以有效的限制超导电感线圈的中短路故障电流分量。如没有定值电阻R₂并联开关S₁的结构，超导电感线圈电流在短路故障发生后会因为故障电流分量而导致线圈电流峰值达到11.21kA，过高的电流冲击会使超导电感线圈发生失超升至损坏。因为R₂并联开关S₁结构的存在，使得在故障发生5ms后开关S₁断开超导电感线圈所在线路投入电阻R₂，超导电感线圈电流因此受到限制，线圈中故障电流峰值仅为4.8kA，如果该超导电感线圈所设计的临界电流为5kA，则当短路故障发生时，超导电感线圈不会发生失超。该限流器拓扑的优势就在于可以用较低临界电流的超导电感线圈去限制系统中很高的短路冲击电流。

图8为高压直流输电系统单极接地短路故障时，直流开关并联定值电阻和不并联定值电阻的情况下，开关断口电压变化对比图。图8表明，当开关S₁两端无并联电阻R₂时，开关断口电压会达到106kV。当开关S₁两端并联定值电阻R₂后，S₁开断时定值电阻R₂可以有效钳位S₁的断口电压，断口电压被限制在48.4kV从而降低了开关S₁的运行条件。更低的运行条件可以保证直流快速开关S₁的有效开断并降低开关的制造成本。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。