CN108092252A - 用于多端柔性直流输电电网的超导限流器 - Google Patents

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魏子镪
杨超
兰建西
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Abstract

本发明公开了一种用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，由超导通流/限流电感线圈、分流保护电路、限流电阻和快速开关四个部分组成，超导通流/限流电感线圈和快速开关串联连接，超导通流/限流电感线圈和分流保护电路并联连接，快速开关和限流电阻并联连接。本发明在电网正常输电时几乎零电阻，输电损耗很低；在电网发生短路故障后，既能在短路故障发生初期有效限制换流器桥臂电流的上升速率，保证换流器在所需的一定时间内不闭锁，而之后又能有效地限制直流线路的持续短路电流，保证线路中直流断路器能够按照电网的保护程序正常动作。

Description

用于多端柔性直流输电电网的超导限流器
技术领域
本发明属于电力设备领域，更具体的说，是涉及一种用于多端柔性直流输电电网的超导限流器。
背景技术
理想的输电线路短路故障电流限制设备应在线路正常输电时具有很低的阻抗，所产生的输电损耗和电压降落很小，在线路发生短路故障时又具有较大的阻抗，限制短路电流的水平。与传统的短路故障限流设备相比，超导限流器具有明显的性能优势。到目前为止，已经在原理上提出或在技术上发展了多种类型的超导限流器[1]，他们中间的大多数是为解决交流电网短路故障电流问题的。随着近几年高压直流输电线路的增加，对直流故障限流设备的需求变成越来越迫切，期待利用有效的故障限流设备来摆脱目前直流断路器在开断容量方面无法满足大容量直流输电线路需求的困境。现在可以用于交流输电线路的超导限流器也不适合直接应用于大容量直流输电线路中，所以发展适合于大容量直流电网的超导电流器是十分必要的，也具有良好的工业应用前景。
直流输电线路的限流机理与交流限流机理有许多不同之处，尤其对于多端柔性直流所以在直流限流器的设计方面要考虑与交流限流器不同的一些因素。虽然在低温工作环境等方面的要求几乎相同，但用于直流的超导限流器和用于交流的超导限流器技术特性要求还是有明显区别的。
对于多端柔性直流输电电网，理想的限流装置应该能够做到：
1.在线路发生短路故障初期(一般约为5-6ms)，能够有效地限制换流器桥臂上短路电流的上升率，防止换流器过早闭锁；
2.在这段时间之后，可以有效地限制直流输电线路中持续短路电流的幅值，保证线路中的直流断路器能够正常动作。
在这种理想限流装置的保护下，一个多端柔性直流电网就具有了在某段线路发生短路故障后将故障关联的部分暂时局部隔离，而输电电网的其它部分保持正常输电，大大提高了电网的故障生存能力。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种新型的、满足理想限流器特征的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，在电网正常输电时几乎零电阻，输电损耗很低；在电网发生短路故障后，既能在短路故障发生初期有效限制换流器桥臂电流的上升速率，保证换流器在所需的一定时间内不闭锁，而之后又能有效地限制直流线路的持续短路电流，保证线路中直流断路器能够按照电网的保护程序正常动作。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，由超导通流/限流电感线圈、分流保护电路、限流电阻和快速开关四个部分组成，所述超导通流/限流电感线圈和快速开关串联连接，所述超导通流/限流电感线圈和分流保护电路并联连接，所述快速开关和限流电阻并联连接。
所述超导通流/限流电感线圈为空心电感线圈或带有磁性芯柱的电感线圈，所述磁性芯柱为两端开放的几何体，或闭合体；超导通流/限流电感线圈为螺线管线圈或由饼状线圈串联而成的绕组；制作超导通流/限流电感线圈的超导材料是铌钛、铌三锡、铋系、钇系、硼化鎂或铁基超导体。
所述超导通流/限流电感线圈的电感值范围为10-1000mH；所述超导通流/限流电感线圈应置于绝热容器之内，通过冷却介质浸泡或传导冷却使之在正常输电状态时处于超导状态。
所述分流保护电路由电阻或电抗器单独制作，或由电阻和电抗器组合制作。
所述限流电阻由电阻器制作，其阻值范围为1-10Ω。
所述快速开关由IGBT或其它电力电子器件制作，其动作时间小于或等于5ms。
使用时，超导通流/限流电感线圈和快速开关串接于换流器直流出线端和直流断路器之间，在线路正常输电时，快速开关是闭合的，线路电流通过超导通流/限流电感线圈传输，超导通流/限流电感线圈处于超导状态；当线路发生短路故障时，超导通流/限流电感线圈在故障初期抑制短路电流的上升率；快速开关根据设定的时间值开断，限流电阻投入线路，限制直流线路的持续短路电流水平，保证线路中直流断路器正常动作。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明中超导通流/限流电感线圈与分流保护电路并联后与同为并联的限流电阻和快速开关串联连接，在使用时，本发明串联在多端柔性直流输电电网的换流器直流出线端与直流断路器之间，使用时，超导通流/限流电感线圈和快速开关串接于换流器直流出线端和直流断路器之间，在线路正常输电时，快速开关是闭合的，线路电流通过超导通流/限流电感线圈传输，超导通流/限流电感线圈处于超导状态。在线路发生短路故障后，超导限流器将在故障初期抑制短路电流的上升率，保证换流器在设定的时间内不闭锁，实现故障穿越。同时限流电阻也能及时加入限流过程，限制持续短路电流，保证线路上的短路电流水平低于直流断路器的遮断能力，直到电网保护***完成相适应的动作保障电网安全。
附图说明
图1是本发明用于多端柔性直流输电电网的超导限流器的电路原理图；
图2是本发明应用于一个四端柔性直流输电电网的示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
对于多端柔性直流输电电网，理想的限流装置应能在短路故障发生初期有效地抑制换流器桥臂上短路电流的上升率，使之在一个给定时间(一般约为5-6ms)内不超过设定的换流器桥路闭锁阈值，保证电流仍能从换流器的交流侧输入直流电网。而在这个给定的时间内，设备能够开始提供一个有效的限流电阻。这时限流电阻加上超导通流/限流电感线圈的电感及其可能失超产生的电阻共同作用，限制直流线路中的持续短路电流。对持续短路电流的抑制，目的是把直流输电线路上的短路电流水平控制在该线路上直流断路器的遮断能力之内，直流断路器能按照电网的保护策略正常动作。限制直流线路中的持续短路电流的另一个作用是万一对换流器直流侧的保护措施失效，可以减轻换流器交流侧(电源侧)的开断压力。
多年来的研究表明，电阻对换流器桥臂短路电流上升率的限制作用十分有限，抑制换流器桥臂短路电流的上升率需要依靠足够大的电感来实现。而对于直流线路中持续短路电流的限制，电阻更加有效。所以对于多端柔性直流输电电网来说，理想的故障限流装置应在线路短路发生初期提供足够大的限流电感，在故障后一定的时间内(5-6ms)又能及时开始提供足够大的限流电阻。
本如图1所示，发明的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，主要由超导通流/限流电感线圈、分流保护电路、限流电阻和快速开关四个部分组成，所述超导通流/限流电感线圈和快速开关串联连接，所述超导通流/限流电感线圈和分流保护电路并联连接，所述快速开关和限流电阻并联连接，也就是说，超导通流/限流电感线圈与分流保护电路并联后与同为并联的限流电阻和快速开关串联连接，形成本发明超导限流器的基本电路结构。在这个基本电路结构中，限流阻抗由两部分组成，即超导通流/限流电感线圈和限流电阻。其中，超导通流/限流电感线圈可等效为一个电感和一个电阻串联。
所述超导通流/限流电感线圈可以是空心电感线圈，也可以是带有磁性芯柱的电感线圈。其中，磁性芯柱可以是柱形，也可以根据需要制作成其他形状。磁性芯柱可以是两端开放的几何体，也可以是一个带有气隙或不带有气隙的闭合体。超导通流/限流电感线圈为螺线管线圈或由多个饼状线圈串联而成的绕组。制作超导通流/限流电感线圈的超导材料可以是铌钛、铌三锡、铋系、钇系、硼化鎂或铁基超导体等各种低温和高温超导体。所述超导通流/限流电感线圈的电感值范围为10-1000mH，可根据具体电网结构参数确定，对于目前已知的大多数建成和在建的多端柔性直流输电电网来说，所需要的电感值优选在100-500mH范围内。所述超导通流/限流电感线圈应置于绝热容器之内，通过冷却介质浸泡或传导冷却使之在正常输电状态时处于超导状态。
所述分流保护电路可以由电阻或电抗器单独制作，或由电阻和电抗器组合制作，所述分流保护电路在直流输电状态下的电阻值不小于2Ω。所述限流电阻由电阻器制作，优选大功率电阻器，其阻值范围为1-10Ω，具体优选为2-5Ω。所述快速开关由IGBT或其它电力电子器件制作，其动作时间小于或等于5ms。
在使用时，本发明的超导限流器串联在多端柔性直流输电电网的换流器直流出线端与直流断路器之间，即超导通流/限流电感线圈和快速开关串接于换流器直流出线端和直流断路器之间。在线路正常输电时，快速开关是闭合的，线路电流通过超导通流/限流电感线圈传输，因在正常情况下，传输的是比较稳定的直流电流，所以超导通流/限流电感线圈不产生阻抗。超导通流/限流电感线圈处于超导状态，绕组电阻为零，所以本发明限流器阻抗很小，几乎不会增加线路的输电损耗，对电网的正常输电没有明显的负面影响。当直流电网某段线路发生短路故障时，超导通流/限流电感线圈在故障初期(最初几毫秒，一般约为5-6ms)提供较大的感抗，抑制换流器桥臂上短路电流的上升率，在防止其急剧上升的同时，还防止换流器桥臂的过早闭锁，保证换流器在设定的时间内不闭锁，实现故障穿越。而在限流器启动限流响应后，快速开关根据设定的时间值(一般为3ms)开断，限流电阻投入线路，加入限流过程，限制直流线路的持续短路电流水平，线路上的短路电流水平低于直流断路器的遮断能力，直到电网保护***完成相适应的动作，保证线路中直流断路器能够正常动作。
图2所示为将本发明超导限流器应用于一个四端柔性直流输电电网的示例图，标出了适合本发明提出的超导限流器的安装位置，其中，表示直流断路器，表示本发明超导限流器，表示换流器，优选为模块化多电平换流器。最优化的方案是将本发明限流器安装在模块化多电平换流器的每个直流侧出入端与该线路上安装的直流断路器之间的线路上。
这个四端柔性直流输电电网的主要运行参数如下：①额定电压：±200kV；②额定电流：750A；③额定容量：300MVA；④直流输电线路线电阻率：0.012Ω/km；⑤直流输电线路线电感率：1.42mH/km；⑥直流断路器开断电流：15kA；⑦直流断路器动作时间：3ms。
根据该输电电网的上述参数，若图1中的各个元件的参数数值满足下列条件：①超导通流/限流线圈电感值：200-500mH；②限流电阻：2-5Ω；③分流保护电路阻抗：15-20Ω；④快速开关动作时间：≤3ms。并安装在图2中指定的各个位置，则可以对该四端柔性直流输电电网起到较理想的保护作用。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，由超导通流/限流电感线圈、分流保护电路、限流电阻和快速开关四个部分组成，所述超导通流/限流电感线圈和快速开关串联连接，所述超导通流/限流电感线圈和分流保护电路并联连接，所述快速开关和限流电阻并联连接。
2.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，所述超导通流/限流电感线圈为空心电感线圈或带有磁性芯柱的电感线圈，所述磁性芯柱为两端开放的几何体，或闭合体；超导通流/限流电感线圈为螺线管线圈或由饼状线圈串联而成的绕组；制作超导通流/限流电感线圈的超导材料是铌钛、铌三锡、铋系、钇系、硼化鎂或铁基超导体。
3.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，所述超导通流/限流电感线圈的电感值范围为10-1000mH；所述超导通流/限流电感线圈应置于绝热容器之内，通过冷却介质浸泡或传导冷却使之在正常输电状态时处于超导状态。
4.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，所述分流保护电路由电阻或电抗器单独制作，或由电阻和电抗器组合制作。
5.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，所述限流电阻由电阻器制作，其阻值范围为1-10Ω。
6.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，所述快速开关由IGBT或其它电力电子器件制作，其动作时间小于或等于5ms。
7.根据权利要求1所述的用于多端柔性直流输电电网的超导限流器，其特征在于，使用时，超导通流/限流电感线圈和快速开关串接于换流器直流出线端和直流断路器之间，在线路正常输电时，快速开关是闭合的，线路电流通过超导通流/限流电感线圈传输，超导通流/限流电感线圈处于超导状态；当线路发生短路故障时，超导通流/限流电感线圈在故障初期抑制短路电流的上升率；快速开关根据设定的时间值开断，限流电阻投入线路，限制直流线路的持续短路电流水平，保证线路中直流断路器正常动作。
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