[发明专利]故障电流超导限制器

说明书

本发明涉及一种超导故障限流器(SFCL)。

更具体地，本发明涉及用于电网或电力系统保护、对于交流应用适合在直流条件下操作的超导故障限流器。

正如公知的，在现代电气系统中提供故障限流装置是确保现代电力系统的可靠管理和保护的基本要求。

操作经验显示短路故障的出现并非罕见，这种短路故障的影响对于组件的功能以及整个系统的稳定性均十分危险。

诸如高阻抗变压器、串联的空心电抗器和网络分路之类的常用来处理该问题的措施引入永久损耗并限制电力系统的高效操作。

于是需要研究投资以开发能够限制故障电流而且在正常操作条件下不影响电力系统的故障限流器装置。

在故障限流器的所有可能概念中，基于超导材料的那些显示出理想的特性。实际上，超导故障限流器(SFCL)是在正常操作条件下具有可忽略的阻抗并且能够在流过其间的电流超过指定为故障阈值的给定值时自发地切换到高阻抗状态的装置。

这种装置引入到电力系统尤其包括以下优点：

-它允许改进且灵活的电源质量且在失效的情况下不危及网络的安全；

-它限制故障电流的第一峰，因此减少对组件的压力并允许较便宜的设计；

-其设计能够以确保短路电流的对称分量与现有开关的中断能力相符合的方式实现，由此在网络扩张的情况下避免对其进行替换；

-限制动作是自激活的且非常可靠；

-故障消失之后低阻抗状态的恢复是自发的且不需要任何回复动作。

取决于布局和操作原理，可将超导故障限流器分类为电阻型、整流器型(也称为二极管或晶闸管桥型)、屏蔽磁芯型或饱和磁芯型限制器。在Noe和Steurer[2007]中给出了当前受测试的可能SFCL概念的全面回顾。

在最近十年中，已经制造出基于第一代(BSCCO，铋锶钙铜氧化物)和第二代(YBCO，钇钡铜氧化物)高温超导材料(HTS)两者的很多超导故障限流器原型以证明技术可行性。

最近，也已经考虑使用二硼化镁(MgB2)，即在商业上能以有竞争力的成本和质量获得的超导体。

用于中等电压应用的一些SFCL原型已经达到前工业发展阶段。已经关于如低温学、电绝缘、机械强度等大多数工程问题对它们进行优化，并且它们已经成功地经受中等电压干线中的长期野外测试。

然而，为了使所述装置能够有效地进入市场，还必须解决主要与交流损耗和相关操作成本有关的一些问题。

在以下的描述中，从电阻型限制器开始，详细检查一些类型的限制器。

电阻型SFCL基于在电流超过限定临界值时发生的超导向正常(高电阻率)导电状态的转变。

这种SFCL通常由以获得尽可能低的电感的方式缠绕的超导线或带(双线无感线圈或变换平螺旋形)制成。

超导线或带直接携带受保护电路中流过的交流，这引起其中的功耗(AC损耗)。事实上，超导线或带仅在它携带纯粹的直流时不呈现损耗。所述损耗需要非常昂贵的制冷，以免增加超导元件的温度，因此意味着非常高的限制器操作成本。此外，实际的超导线或带由与如银或铜等正常导体接触的超导细丝或层制成，以避免由于局部加热(热点)引起的损坏风险。一旦已经实现超导带或线向正常状态的转变，正常导体层的存在就会降低超导带或线的电阻。因此，为了获得满意的限制效果，需要长的线或带长度，因此由于交流损耗引起的由限制器消耗的总功率随之增加。

为了使局部过热的风险最小化同时使带的长度以及由此的损耗最小化，提出很多不同的超导故障限流器，其中从超导状态向正常状态的转变由磁场的启动来辅助。在WO 94/03955和US 7,180,396专利中描述了这种超导故障限流器。所述超导故障限流器需要超导部件的复杂几何结构以及使用若干并联或串联连接的正常线圈。此外，在正常操作条件期间，交流总是在超导带或线中流动，这导致引起高冷却成本。

另一种感兴趣的超导故障限流器类型是整流器型超导故障限流器。它由串联连接至DC电压源且嵌入在连接到受保护负载的全波二极管或晶闸管整流器桥中的电感器制成。该电感器可方便地由超导材料线圈组成，以避免电阻损耗。

在正常操作条件下，受保护电路的电流(该电流流过二极管或晶闸管)绕过电感器。当该干线电流超过线圈中流动的电流时，四个二极管/晶闸管中的两个反向偏置，从而线圈自动串联插入受保护电路。具有由超导材料线圈构成的电感器的桥型超导故障限流器最初由Boenig提出并且在美国专利No.4,490,769中予以描述。

除限制能力外，使用晶闸管而非二极管还允许中断穿过与晶闸管的栅极相连接的有源控制电路的故障电流的可能性。