双面超导薄膜限流器多模块扩展电路及失超控制方法与流程

本发明属于电阻型超导限流器模块的成组技术领域，特别是涉及一种双面超导薄膜限流器多模块扩展电路及失超控制方法。

背景技术：

随着经济和社会的发展，电力需求不断增长，电力系统规模不断扩大，系统短路电流水平也不断上升。珠三角、长三角等电力负荷中心，220kv系统在最大运行工况下的短路电流已达100ka量级，迫切需要大容量断路器为系统的安全运行提供保护。目前国内220kv系统用大容量断路器的最大开断能力仅为63ka，已不能满足故障电流开断要求。针对负荷中心断路器开断能力严重不足的困境，在电网中安装电阻型高温超导限流器，是限制故障断路电流、降低断路器开断容量的有效措施。

高温超导限流器单元模块的工作电流和工作电压通常较小，需要通过并联扩展提高工作电流，通过串联扩展提高工作电压，成组扩展过程中对模块的匹配标准和一致性有较高的要求。高温超导限流器的个体差异性无法完全消除，成组串联工作的超导限流器模块很难同步失超，从而降低了超导限流器的短路保护效果，甚至可能因为局部过载而损坏超导限流器模块。双面结构超导薄膜限流器单元模块由于基底的热耦合作用，在失超同步性和热力学上具有优异的性能，是解决失超同步性问题的一种理想结构。但双面超导薄膜限流器的热耦合只存在于单元模块内部，所以在多模块成组工作时双面超导薄膜的结构功能较难得到发挥、不易扩展，且各个模块间不能失超同步，难以对失超传播过程和路径进行控制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双面超导薄膜限流器多模块扩展电路，解决了现有技术中多模块成组工作时双面超导薄膜的结构功能较难得到发挥，不易扩展的问题。

本发明的另一目的还在于提供一种双面超导薄膜限流器多模块扩展电路的失超控制方法，解决了现有技术中限流器的短路保护效果差，可能因为过载而损坏超导限流器模块的问题以及各个模块间不能失超同步，难以对失超传播过程和路径进行控制的问题。

本发明所采用的技术方案是，双面超导薄膜限流器多模块扩展电路，由n个双面超导薄膜限流器模块构成，其中，n为偶数，双面超导薄膜限流器模块由蓝宝石基底、两个超导薄膜限流器单元构成，如图1a所示，两个超导薄膜限流器单元之间设有蓝宝石基底，超导薄膜限流器单元即sfcli-j以2×n的阵列组合连接，其中，i为超导薄膜限流器单元所在的双面超导薄膜限流器模块，i＝1,2,3,…,n；其中，j＝1,2，其中一个超导薄膜限流器单元在双面超导薄膜限流器模块中的正面用j＝1表示，另外一个超导薄膜限流器单元在双面超导薄膜限流器模块中的反面用j＝2表示。

进一步的，所述sfcli-j以2×n的阵列组合连接为任意两个双面超导薄膜限流器模块的两个超导薄膜限流器单元并联构成超导薄膜限流器单元组，双面超导薄膜限流器模块中剩余的两个超导薄膜限流器单元再分别与其他双面超导薄膜限流器模块中的超导薄膜限流器单元并联，其他双面超导薄膜限流器模块中剩余的超导薄膜限流器单元依次与未并联的超导薄膜限流器单元连接，所有超导薄膜限流器单元两两并联构成超导薄膜限流器单元组，并联后的超导薄膜限流器单元组再进行串联，如图2所示。

进一步的，所述超导薄膜限流器单元由超导层和金层构成，金层的表面采用焊接或压接方式引出电流引线连接各个超导限流器单元，如图1b所示即为双面超导薄膜限流器模块的等效电路模型。

进一步的，所述金层的表面采用焊接或压接方式引出电流引线连接各个超导限流器单元。

进一步的，所述双面超导薄膜限流器模块的长为60mm，宽为5mm，长度太长不便于成组安装，超导层容易机械折损，太短则需要更多双面超导薄膜限流器模块连接，且双面超导薄膜限流器模块的面积越大成本越高。双面超导薄膜限流器模块的宽度与设计工作电流有关，设计工作电流＝0.8×超导层宽度×超导层厚度×临界电流密度，临界电流密度为3.0ma/cm²。

进一步的，所述蓝宝石基底的厚度为0.5mm，厚度选择0.5mm时，绝缘效果最好，蓝宝石基底作为失超传播介质用于热耦合。

进一步的，所述超导层即hts的厚度为250nm，根据双面超导薄膜限流器模块的设计电流进行设置；

所述超导层所用的涂层为ybco即钇钡铜氧。

进一步的，所述金层的厚度为100nm，厚度与超导薄膜限流器单元的超导电阻设计值有关，在100nm厚的金层的表面采用焊接或压接方式引出电流引线，电流引线用于超导限流器单元间的串连和并联。超导薄膜限流器单元的超导电阻设计值＝金层电阻率×超导层长度/{金层宽度×金层厚度}，金层电阻率为8×10^-8ω·m。

本发明所采用的另一种技术方案是，双面超导薄膜限流器多模块扩展电路的失超控制方法，具体按照以下步骤进行：

步骤s1、选取任意两个双面超导薄膜限流器模块，使其中的两个超导薄膜限流器单元并联构成超导薄膜限流器单元组，双面超导薄膜限流器模块中剩余的两个超导薄膜限流器单元再分别与其他双面超导薄膜限流器模块中的超导薄膜限流器单元并联，其他双面超导薄膜限流器模块中剩余的超导薄膜限流器单元再依次与未并联的超导薄膜限流器单元连接，最终使所有超导薄膜限流器单元两两并联构成超导薄膜限流器单元组；

步骤s2、并联后的超导薄膜限流器单元组再进行串联，得到双面超导薄膜限流器多模块扩展电路；

步骤s3、当双面超导薄膜限流器多模块扩展电路中的双面超导薄膜限流器模块的数量大于4时，进行设置失超起点.

进一步的，所述步骤s3设置失超起点，具体按照以下步骤进行：

步骤s31、选取失超起点，使作为失超起点的双面超导薄膜限流器模块的宽度减小0.5mm-1mm，失超起点的数量为n/4个，宽度每减小1mm，工作电流减小6a，宽度减小太多则影响阵列模组的工作电流，宽度减小太少则临界电流减小不明显，无法控制双面超导薄膜限流器模块的失超，临界电流减小3～6a既不明显影响阵列模组的工作电流，也能够与其他模块的临界电流有明显区分，并且失超起点均匀分布，加快双面超导薄膜限流器的整体响应过程。

本发明的有益效果是，1、与已提出的双面超导薄膜限流器相比，本发明通过简单的电气联接，实现了双面超导薄膜限流器的多模块扩展。

2、与现有超导薄膜限流器的串联成组技术相比，本发明大大降低了对超导薄膜的一致性要求，一定程度上解决了超导薄膜限流器模块的成组匹配问题。

3、与现有超导薄膜限流器的成组技术相比，本发明充分利用了双面超导薄膜限流器的结构特点，建立了超导薄膜限流器模块间的双向电-热耦合，提高了超导限流器成组工作时的失超同步性。

4、与现有超导薄膜限流器的成组技术相比，本发明充分利用了超导薄膜限流器模块间的双向电-热耦合，在模块间建立了闭合的失超传播通道，实现了对失超传播过程的控制，为双面超导薄膜限流器在更大电流和电压条件下的应用提供了可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是双面超导薄膜限流器模块的爆炸结构图；

图1b是双面超导薄膜限流器模块的等效电路模型图；

图2是双面超导薄膜限流器多模块扩展电路图；

图3是实施例1的双面超导薄膜限流器的4模块扩展电路图；

图4a是实施例2的失超设置方式1的结构示意图；

图4b是实施例2的失超设置方式2的结构示意图；

图4c是实施例2的失超设置方式3的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

双面超导薄膜限流器能够进行大规模的扩展，但随着模块数量的增多，阵列组合的失超传播路径会变长，整体响应时间会变长，失超的起始位置也会有很大的随机性；当失超在整组模块中还未完全建立，而短路电流又已经被限制在超导薄膜限流器单元的临界电流以下时，闭合的失超传播通道就很容易在电耦合处断开，导致部分超导薄膜限流器单元仍处于超导态，限流器功能无法完全体现。本发明的解决方案是在双面超导薄膜限流器的阵列组合中设置失超起点，并使失超起点离散分布，保证故障周期内短路功率相对均匀地分布在各个超导薄膜限流器单元，避免超导薄膜限流器单元的局部过载。

双面超导薄膜限流器阵列组合的整体响应时间取决于初始失超超导薄膜限流器单元间的最长失超传播路径，缩短初始失超超导薄膜限流器单元间的失超传播路径，则失超的整体响应过程会加快，实现对失超传播过程的控制。

实施例1

以超导薄膜限流器的4模块扩展电路(n＝4)为实施例，如图3所示，当系统发生短路时，短路电流if分两个并联支路，通过8个超导薄膜限流器单元；扩展电路中临界电流最小的超导薄膜限流器单元首先失超，由超导态转变为常导态。当超导薄膜限流器单元失超时，短路电流会自动转移到另一并联回路，促使与其并联的超导薄膜限流器单元失超；当双面超导薄膜限流器模块中任意一个超导薄膜限流器单元失超时，由于蓝宝石基底具有良好的传热特性，其产生的焦耳热都能快速传播到另一面的超导薄膜限流器单元，促使双面超导限流器模块同步失超。因此，实施例1根据阵列组合的电耦合和热耦合作用绘制出各个超导薄膜限流器单元间的失超传播路径：

其中，表示超导薄膜限流器单元间的热耦合，表示超导薄膜限流器单元间的电耦合。当任意一个超导薄膜限流器单元失超，都能够通过闭合的通道传播至其他任何超导薄膜限流器单元。上述过程的实际意义是：实现了双面超导薄膜限流器模块间的失超传播，提高了超导限流器模块的失超同步性。

实施例2

以超导薄膜限流器的8模块扩展电路(n＝8)为实施例，通过对比三种设置方式，说明失超起点的设置方法。

当双面超导薄膜限流器的阵列组合中只有一个失超起点，取第2个双面超导薄膜限流器模块的临界电流最小，如图4a所示，根据阵列组合的电耦合和热耦合作用绘制出各个超导薄膜限流器单元间的失超传播路径：

则短路电流流过超导薄膜限流器单元时，sfcl2-1、sfcl2-2首先失超，通过电耦合的作用使得sfcl1-2、sfcl3-1相继失超，sfcl1-2、sfcl3-1再通过热耦合的作用分别使得sfcl1-1、sfcl3-2失超，电耦合和热耦合如此连续作用，最终使所有超导薄膜限流器单元失超。这种情况下，由第2个双面超导限流器模块引起的最长失超传播路径经过了14个超导薄膜限流器单元，双面超导薄膜限流器阵列组合的整体响应速度最慢。

当超导薄膜限流器的阵列组合中有两个失超起点且相对临近，如图4b所示，假设取第2个和第8个双面超导薄膜限流器模块其临界电流最小。根据阵列组合的电耦合和热耦合作用绘制出各个超导薄膜限流器单元间的失超传播路径：

则短路电流流过超导薄膜限流器单元时，sfcl2-1、sfcl2-2、sfcl8-1、sfcl8-2、首先失超，通过电耦合的作用使得sfcl1-2、sfcl1-1、sfcl3-1、sfcl7-2相继失超，sfcl1-2、sfcl1-1失超后，由第2和第8个双面超导限流器模块引起的失超传播靠近第1个双面超导限流器模块的一侧停止，失超方向沿另一侧继续传播，最终使所有超导薄膜限流器单元失超。第2个和第8个双面超导限流器模块引起的最长失超传播路径经过10个超导薄膜限流器单元，与设置方式一相比超导薄膜限流器阵列组合的整体响应速度有所提高。

当双面超导薄膜限流器的阵列组合中有两个失超起点，且在闭合路径中对称分布，如图4c所示，假设取第2个和第6个双面超导薄膜限流器模块的临界电流最小。根据阵列组合的电耦合和热耦合作用可以绘制出各个超导薄膜限流器单元间的失超传播路径：

则短路电流流过超导薄膜限流器单元时，sfcl2-1、sfcl2-2、sfcl6-1、sfcl6-2首先失超，通过电耦合的作用使得sfcl1-2、sfcl3-1、sfcl5-2、sfcl7-1相继失超，sfcl1-2、sfcl3-1、sfcl5-2、sfcl7-1再通过热耦合的作用分别使得sfcl1-1、sfcl3-2、sfcl5-1、sfcl7-2失超，电耦合和热耦合如此连续作用，最终能够使所有超导薄膜限流器单元失超。这种情况下，由第2个和第6个双面超导限流器模块引起的最长失超传播路径经过了6个超导薄膜限流器单元，双面超导限流器阵列组合的整体响应速度明显提高。

对比三种设置方式得到，设置失超起点的数量并且使失超起点均匀分布，则双面超导薄膜限流器的整体响应过程最快。因此，通过控制设置失超起点的分布和数量，能够实现对失超传播过程的简单控制。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。