一種混合型磁通耦合超導故障限流器及限流方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種混合型磁通耦合超導故障限流器及限流方法，本發(fā)明中：耦合變壓器的一次側繞組線圈同快速開關相聯且并入MOA氧化鋅電阻片，二次側繞組線圈同超導限流材料相串聯，繼而將一、二次側繞組線圈呈反向并聯后接入電力系統主回路。在電力系統正常運行時，快速開關處于閉合狀態(tài)；當系統發(fā)生短路故障后，控制快速開關觸發(fā)斷開，耦合變壓器的磁通鎖定特性將解除，且超導材料因其通流大于臨界電流設定而切換到高阻態(tài)，此時限流器呈現電感-電阻混合式成分進行故障限流操作。本發(fā)明的故障限流器結構簡單、響應迅速，有利于降低超導限流材料在正常運行時的交流損耗，提升限流設備的系統經濟性。
【專利說明】一種混合型磁通耦合超導故障限流器及限流方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及電力系統及自動化領域，尤其是涉及一種混合型磁通耦合超導故障限流器及限流方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會的繁榮，經濟的進步，作為國家基礎產業(yè)的電力工業(yè)也以迅猛的勢頭不斷發(fā)展。機組單機容量、發(fā)電廠容量、城市和工業(yè)用電負荷越來越大，加上用戶對供電保障能力、供電質量和可靠性需求的進一步加大，使得電網向更大規(guī)模演變，全國電網互聯逐步形成。事實上，電力系統規(guī)模的迅速發(fā)展及網際互聯技術的應用一方面增加了系統傳輸容量，提高了系統運行的靈活性，另一方面也大大增強了其自身的復雜性，而系統原有的阻尼特性、頻率特性可能都會受到影響，這也使得現代電力系統正面臨著一系列新的矛盾和問題。其中，短路電流水平的急劇增大，給電網的安全運行帶來了極大的隱患。
[0003]過大的短路電流將導致以下嚴重后果:1)產生高能量電弧，損壞元件；2)沖擊周圍電氣設備，導致其使用壽命下降；3)造成導體過熱甚至熔化，而破壞其絕緣結構；4)影響電能動態(tài)質量，系統電壓大幅度下降，導致用戶供電遭到破壞；5)電力系統運行穩(wěn)定性受到振蕩波動，嚴重時帶來整個系統瓦解；6)對電力線路中的通訊線路造成電磁干擾；7)危及人身安全。
[0004]隨著電網不斷發(fā)展，故障電流不斷增大，單純依靠提高斷路器遮斷能力不切實際，一是從技術和經濟角度來看，遮斷容量不可能一直提高。目前雖然國外部分廠家能生產遮斷電流達SOkA的斷路器，但是實際使用數量非常少，且安全可靠性還較難得到保證；二是提高遮斷容量的同時也意味著設備造價將會上升，SOkA的斷路器造價約為63kA斷路器的1.8倍，另外還將涉及改造或更換現有的其他輔助設備，總的投入資金將會比較大。大量的設備改造也會影響生產運行，由此引發(fā)的經濟損失也是非?？捎^的。
[0005]為減輕斷路器等各種電氣設備的負擔、提高電力系統的運行穩(wěn)定性、保證用戶供電的安全可靠性及增強電能的動態(tài)質量，提出了故障限流器的技術理念，該設備在系統正常運行時呈現低阻抗，在系統故障時表征出高阻抗進行限流操作。
[0006]當前故障電流限制器的整體發(fā)展方向是基于新型材料及結合相關控制技術，根據應用材料的區(qū)別，大致又可將其分為二類:一類是選用常規(guī)材料，此類限流器的結構形式和限流機理各有特色，例如基于開關通斷改變電流路徑的電流轉移型，采用串補技術的串聯補償型，利用諧振原理的諧振型以及依靠柔性交流輸電技術的固態(tài)型等；另一類則是使用新型材料，其代表類型是選取超導體的超導限流器。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明主要是解決現有技術所存在的技術問題；提供了一種結構簡單、響應迅速，短路電流能被快速地限制在一定水平內，且耦合變壓器的引入有助于本發(fā)明在高電壓等級電力系統中應用，并有利于降低超導限流材料在正常運行時的交流損耗，提升限流設備的系統經濟性的一種混合型磁通耦合超導故障限流器。
[0008]本發(fā)明的上述技術問題主要是通過下述技術方案得以解決的:
[0009]一種混合型磁通耦合超導故障限流器，其特征在于，包括耦合變壓器、與耦合變壓器的一次側繞組線圈串聯的快速開關、并聯在耦合變壓器的一次側繞組線圈上的MOA氧化鋅電阻片、與耦合變壓器的二次側繞組線圈串聯的超導限流材料；耦合變壓器一、二次側繞組線圈呈反向并聯后接入電力系統主回路。
[0010]在上述的一種混合型磁通耦合超導故障限流器，所述耦合變壓器一次側繞組線圈和二次側繞組線圈的材料為普通繞線材料，超導限流材料為高溫超導體。
[0011]在上述的一種混合型磁通耦合超導故障限流器，所述快速開關為電磁斥力開關或電力電子固態(tài)開關。
[0012]一種混合型磁通耦合超導故障限流方法，其特征在于，基于以下定義:US、Zs、Zload分別表示等效電壓源電壓，線路阻抗和負載阻抗。LpLyIU分別表示變壓器一次側線圈Wl和二次側線圈W2的自感及MOA氧化鋅電阻片電阻，Rsra為高溫超導電阻失超情況阻值，M為耦合變壓器一次、二次側線圈互感。
[0013]具體操作方法如下:在電力系統主回路沒有發(fā)生故障時，快速開關閉合；在電力系統主回路發(fā)生故障時，斷開快速開關，磁通耦合變壓器一、二次線圈解耦，一次側電感線圈L1產生高壓，超過MOA氧化鋅電阻片R_臨界電壓，Rffloa快速減小，與一次側線圈L1形成放電回路，一次側線圈L1過電壓得到快速抑制，高溫超導電阻過流失超RSFa>0 ;此時，磁通耦合變壓器二次側L2與失導電阻Rspa串聯接入系統主回路，快速抑制故障電流；故障切除后，快速開關閉合，磁通耦合變壓器恢復鎖定特性，高溫超導電阻Rsra恢復超導狀態(tài)，故障限流器恢復正常運行。
[0014]本發(fā)明在電力系統正常運行時，快速開關處于閉合狀態(tài)，鑒于耦合變壓器的磁通抵消(鎖定)特性及超導材料呈現低阻狀態(tài)的整體效應，限流器對系統主回路無影響；當系統發(fā)生短路故障后，控制快速開關觸發(fā)斷開(Μ0Α電阻片用以抑制可能的操作過電壓)，耦合變壓器的磁通鎖定特性將解除，且超導材料因其通流大于臨界電流設定而切換到高阻狀態(tài)，此時限流器呈現電感-電阻混合式成分進行故障限流操作。
[0015]因此，本發(fā)明具有如下優(yōu)點:結構簡單、響應迅速，短路電流能被快速地限制在一定水平內，且耦合變壓器的引入有助于本發(fā)明在高電壓等級電力系統中應用，并有利于降低超導限流材料在正常運行時的交流損耗，提升限流設備的系統經濟性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明應用于電力系統的拓撲結構圖。
[0017]圖2為本發(fā)明應用于電力系統的等效電路圖。
[0018]圖3為本發(fā)明實例應用中超導限流材料Rspa的阻值切換特性，橫坐標為時間t(s),縱坐標為超導電阻RSFa (Ω)。
[0019]圖4為本發(fā)明實例應用中故障情況下主回路電流is的波形圖，橫坐標為時間t
(S)，縱坐標為電流is (A);虛線為有故障電流限制器，實線無故障電流限制器。
[0020]圖5為本發(fā)明交流系統的磁通耦合變壓器一、二次側電流波形，橫坐標為時間t
(S)，縱坐標為磁通耦合變壓器一、二次側流過的電流iTRV (A)0【具體實施方式】
[0021]下面通過實施例，并結合附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步具體的說明。
[0022]實施例:
[0023]由圖1所示，本發(fā)明主要通過對快速開關閉合狀態(tài)的控制，基于磁通抵消(鎖定)特性及超導材料低高阻態(tài)的轉換，實現電感-電阻式混合限流操作。
[0024]本發(fā)明包括耦合變壓器、與耦合變壓器的一次側繞組線圈串聯的快速開關、并聯在耦合變壓器的一次側繞組線圈上的MOA氧化鋅電阻片、與耦合變壓器的二次側繞組線圈串聯的超導限流材料；耦合變壓器一、二次側繞組線圈呈反向并聯后接入電力系統主回路。
[0025]其中，耦合變壓器一次側繞組線圈和二次側繞組線圈的材料為普通繞線材料，超導限流材料為高溫超導體；快速開關為電磁斥力開關或電力電子固態(tài)開關。
[0026]基于磁通耦合變壓器與超導電阻的等效電路關系，本發(fā)明應用于交流電力系統的等效圖如圖2所示，us、zs、zlMd分別表示等效電壓源電壓，線路阻抗和負載阻抗。ι^α2、κ_分別表示變壓器一次側線圈Wl和二次側線圈W2的自感及MOA氧化鋅電阻片電阻，Rsfcl為高溫超導電阻失超情況阻值，M為耦合變壓器一次、二次側線圈互感。
[0027]系統正常運行，可控開關SI閉合狀態(tài)，Rffloa呈高阻態(tài)相當于開路、RSFa呈低阻態(tài)相當于短路，根據圖2所示可以得出，混合型磁通耦合超導故障限流器的等效阻抗:
[0028]
【權利要求】
1.一種混合型磁通耦合超導故障限流器，其特征在于，包括耦合變壓器、與耦合變壓器的一次側繞組線圈串聯的快速開關、并聯在耦合變壓器的一次側繞組線圈上的MOA氧化鋅電阻片、與耦合變壓器的二次側繞組線圈串聯的超導限流材料；耦合變壓器一、二次側繞組線圈呈反向并聯后接入電力系統主回路。
2.根據權利要求1所述的一種混合型磁通耦合超導故障限流器，其特征在于，所述耦合變壓器一次側繞組線圈和二次側繞組線圈的材料為普通繞線材料，超導限流材料為高溫超導體。
3.根據權利要求1所述的一種混合型磁通耦合超導故障限流器，其特征在于，所述快速開關為電磁斥力開關或電力電子固態(tài)開關。
4.一種混合型磁通耦合超導故障限流方法，其特征在于，基于以下定義:Us、Zs、ZlMd*別表示等效電壓源電壓，線路阻抗和負載阻抗，LpLda分別表示變壓器一次側線圈Wl和二次側線圈W2的自感及MOA氧化鋅電阻片電阻，Rspa為高溫超導電阻失超情況阻值，M為耦合變壓器一次、二次側線圈互感； 具體操作方法如下:在電力系統主回路沒有發(fā)生故障時，快速開關閉合；在電力系統主回路發(fā)生故障時，斷開快速開關，磁通耦合變壓器一、二次線圈解耦，一次側電感線圈L1產生高壓，超過MOA氧化鋅電阻片R_臨界電壓，R_快速減小，與一次側線圈L1形成放電回路，一次側線圈L1過電壓得到快速抑制，高溫超導電阻過流失超RSFa>0 ;此時，磁通耦合變壓器二次側L2與失導電阻Rspa串聯接入系統主回路，快速抑制故障電流；故障切除后，快速開關閉合，磁通耦合變壓器恢復耦合狀態(tài)，高溫超導電阻Rsra恢復超導狀態(tài)，故障限流器恢復正常運行。
【文檔編號】H02H9/02GK103887782SQ201410145473
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權日:2014年4月11日
【發(fā)明者】陳磊, 鄭峰, 鄧長虹, 李世春, 李苗, 潘浩, 游佳斌, 丁文, 劉輝, 吳之奎 申請人:武漢大學