超导饱和铁心故障限流器

摘要

本发明涉及一种超导饱和铁心故障限流器，包括：一铁心，呈横置日字形；两个铜线绕组，由铜漆包线分别绕在横置日字形铁心两侧的铁柱上，两个铜线绕组的同名端相连接，串接在供电网络中；一超导绕组，由高温超导带材绕在横置日字形铁心的中间铁柱上；一超导电感线圈，与所述的超导绕组串联；一直流偏压源，为可调的直流电源，与所述的超导绕组和超导电感线圈串联形成回路；一非金属液氮容器，将所述的超导绕组和超导电感线圈容置于其中，本发明结构简单，运行安全可靠，响应速度快，超导线圈不存在失超问题，有多次自启动功能，可用于重合闸场合，线路短路故障时产生的过电压小，对直流偏压源影响小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种主要应用于电力输配电设备保护的短路电流限制技术，特别是一种超导饱和铁心故障限流器。

背景技术

随着国民经济的迅速发展，电力工业也在迅速发展，人们对电能的需求日益增长，同时对供电的可靠性以及供电质量的要求也越来越高。因此电网联系紧密，结构加强，环网增多，电网向超大规模方向发展，使电网的容量越来越大。电力系统的高速发展导致了系统短路电流水平急剧增加，短路电流水平的增加不仅对电网的稳定运行带来更大的威胁，而且使原有开关设备的遮断容量不能满足系统发展的要求。

目前国内外电力系统限制短路电流措施主要有：(1)增大主系统到配电设备间的阻抗，如采用高阻抗变压器；中性点经小电抗接地限制单相短路电流等。(2)改变系统运行方式来限制短路电流，如分割母线、分割系统以及对具有大容量机组的电厂采用单元接线等。

然而，上述方法实现起来都有一定的局限性，如采用高阻抗变压器将使电压调节变得困难；采用分割母线、分割系统改变系统运行方式来限制短路电流，使电站的出线回路数大大增加，这样又会大大增加电站的投资，同时使本来已十分复杂的电站总体布置和出线走廊更加复杂化。为此必须寻求适应电力系统发展、安全可靠、切实可行的限制系统短路电流的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种超导饱和铁心故障限流器，将超导技术应用于限制输配电线路的短路电流，使输配电线路中的用电设备安全运行。本发明与传统的限流技术相比，超导饱和铁心故障限流器集检测、触发和限流于一身，是目前最理想的限流技术。

为达上述目的，本发明提供一种超导饱和铁心故障限流器，其包括：

一铁心，呈横置日字形，由冷轧硅钢片裁剪叠合而成；

两个铜线绕组，由铜漆包线分别绕在横置日字形铁心两侧的铁柱上，两个铜线绕组的同名端相连接，串接在供电网络中；

一超导绕组，由高温超导带材绕在横置日字形铁心的中间铁柱上；

一超导电感线圈，与所述的超导绕组串联；

一直流偏压源，为可调的直流电源，与所述的超导绕组和超导电感线圈串联形成回路；

一非金属液氮容器，将所述的超导绕组和超导电感线圈容置于其中。

所述的硅钢片的厚度为0.30～0.35毫米。

所述的横置日字形铁心两侧的铁柱的横截面积相等。

所述的横置日字形铁心的中间铁柱的横截面积为两侧的铁柱的横截面积之和。

所述的高温超导带材为铋系高温超导带材。

所述的超导绕组由分绕组串联而成，每一对中的两个分绕组之间为连续的高温超导带材，无焊接接头。

所述的铜线绕组由分段圆筒式绕组连接而成。

所述的超导电感线圈为空心线圈，由铋系高温超导带材绕制而成。

本发明的优点在于，超导饱和铁心故障限流器结构简单，运行安全可靠，响应速度快。超导线圈不存在失超问题，有多次自启动功能，可用于重合闸场合。线路短路故障时产生的过电压小，对直流偏压源影响小。该装置基本上由铁心电抗器、超导绕组和直流偏压源组成，结构简单、技术成熟，易于工业化生产。

附图说明

图1为超导饱和铁心故障限流器的工作原理示意图；

图2为超导饱和铁心故障限流器的结构示意图；

图3为分段圆筒式绕组示意图；

图4为超导饱和铁心故障限流器的Ψ-I特性曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的具体实施方式。

请参考附图1和2，分别为超导饱和铁心故障限流器的工作原理示意图和超导饱和铁心故障限流器的结构示意图。为了便于说明和作图，此二附图只表示超导饱和铁心故障限流器的单相结构，对于电力系统的三相电力线路，每一相都具有同样的故障限流器的结构，在此予以说明。

如图2所示，本发明提供一种超导饱和铁心故障限流器，其包括：

一铁心4，呈横置日字形，由冷轧硅钢片裁剪叠合而成；

两个铜线绕组1和2，由铜漆包线分别绕在横置日字形铁心两侧的铁柱41和42上，如图1所示，两个铜线绕组的同名端相连接，串接在供电网络8中；

一超导绕组3，由高温超导带材绕在横置日字形铁心的中间铁柱43上；

一超导电感线圈5，与所述的超导绕组3串联；

一直流偏压源6，为可调的直流电源，与所述的超导绕组3和超导电感线圈5串联形成回路，通过调节电源输出电流值使铁心4处于深度饱和状态；

一非金属液氮容器7，将所述的超导绕组3和超导电感线圈5容置于其中。

为了减少铁心4的损耗，本发明的全部铁心结构件无闭合电回路，并保证铁心4各部位的绝缘，以避免由于漏磁穿越结构件所产生的附加损耗和结构件的发热。另外，铁心4的压紧螺杆和拉紧螺杆均采用低导磁不锈钢材料，以减少漏磁切割时产生的附加损耗和发热。

所述的裁剪叠合而成铁心4的硅钢片的厚度为0.30～0.35毫米。

所述的横置日字形铁心4两侧的铁柱41和铁柱42的横截面积相等。

所述的横置日字形铁心4的中间铁柱43的横截面积为两侧的铁柱41和铁柱42的横截面积之和。

所述的高温超导带材为铋系高温超导带材。

所述的超导绕组3由分绕组串联而成，每一对中的两个分绕组之间为连续的高温超导带材，无焊接接头。

如图3所示，为了避免在限流绕组两端产生过电压，所述的铜线绕组1和2由分段圆筒式绕组连接而成。A为绕组的首端，X为绕组的尾端。相临两段圆筒绕组间有过度连接导线和风的通道。该绕组结构不仅具有普通圆筒式绕组的耐冲击特性，而且还解决了绕组层间电压偏高的问题，是一种较为理想的绕组结构。

所述的超导电感线圈5为空心线圈，由铋系高温超导带材绕制而成。

下面结合附图4超导饱和铁心故障限流器的Ψ-I特性曲线，进一步说明本发明超导饱和铁心故障限流器限制故障电流的原理，如图4所示，超导饱和铁心故障限流器的阻抗可以通过Ψ-I(Ψ代表磁通，I代表电流)特性曲线得到说明，图中曲线①表示铁心4无直流偏压源的磁化曲线。当|ψ|≤ψ₁时，铁心4不饱和，电感值较大，即L＝tgβ₁；当|ψ|≥ψ₁时，铁心4饱和，电感值较小，即L＝tgβ₂。曲线②和曲线③表示铁心4有直流偏压源6的磁化曲线。曲线④是曲线②和曲线③合成的。因此限流器电感L＝dψ/dt为；

当电网8正常工作时，调节直流偏压源6使铁心4深度饱和，即工作在a-a’段上，限流器装置阻抗较小。当电网8发生故障时，即工作在a-b段和a’-b’段上，原边交流绕组电流急剧增大，铁心在一个周期内交替去饱和，此时，故障限流器具有较大的暂态阻抗值，从而限制了故障电流。

本发明根据不同电压等级的电网系统可以生产不同型号的超导饱和铁心故障限流器，下面列举两种型号的超导饱和铁心故障限流器：

例一：

10kV/800kVar超导饱和铁心故障限流器。

技术指标：额定电压10kV，额定电流44A，限制电流220A，响应时间10ms。

需要7.5kAm铋系高温超导带材，用于制作超导绕组3；铜导线材816公斤，用于制作两个铜线绕组1和2；厚度为0.3毫米的冷轧无去向硅钢片3208公斤，用于制作铁心4。

例二：

400V/800kVar超导饱和铁心故障限流器。

技术指标：额定电压400V，额定电流1155A，限制电流5775A，响应时间15ms。

需要188kAm铋系高温超导带材，用于制作超导绕组3；铜导线材450公斤，用于制作两个铜线绕组1和2；厚度为0.3毫米的冷轧无去向硅钢片3208公斤，用于制作铁心4。