一種高溫超導熔斷器的製作方法

2023-05-14 05:49:26

專利名稱：一種高溫超導熔斷器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種故障電流熔斷器，特別涉及輸配電系統短路故障熔斷器。
技術背景
當前，為了與國民經濟快速發展、電網規模不斷增大和互聯程度不斷提高相適應， 我國電網正向超大規模方向發展。然而，我國電網的穩定性問題卻變得日益嚴重，電網的安全性和可靠性正在承受巨大的壓力，短路故障是危及電力系統安全、導致巨大經濟損失的嚴重故障之一。例如，我國沿海經濟發達地區電網(尤其是220kV及以上電壓等級)的短路電流水平已經直逼甚至超過電力系統最大允許水平的嚴重情況，一些潮流斷面已經處於危險境地；三峽電站可能的最大短路電流周期分量將達到300kA，一些大型發電廠出口或廠站高壓變電站出口的最大短路電流可能達到100-200kA。由於我國斷路器的最大斷開電流為63kA，已經不能滿足需求。目前常規熔斷器的斷開能力較高(例如2000V以下的熔斷器開斷能力可達200kA)，但只能用於63kV以下的配電網，並且根據其安秒特性，熔斷時間較長(中華人民共和國能源部部標準SD319-89, GB13539. 1-2008以及GB15166. 2-2008)。 基於第二代高溫超導帶材的電阻型高溫超導限流器(IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 19, no.3,2009, ppl950 ；IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 21,no. 3，2011，ppl206)利用高溫超導體的失超電阻限流，可以有效的解決上述問題，但目前尚在研發階段，並且需要大量的高溫超導體，造價高昂、結構復ο發明內容
本發明的目的是克服以上現有技術存在的問題，提出一種新型的熔斷器——高溫超導熔斷器。
本發明高溫超導熔斷器主要包括YBCO帶材、重錘、邊框、銅母排、銅壓塊、電流引線、絕緣套管、低溫容器與絕緣端子等部件。
YBCO帶材、重錘、邊框、銅母排、銅壓塊構成高溫超導熔斷器主體。銅母排與邊框通過螺栓固定組成窗口，重錘固定在YBCO帶材的中間位置，把YBCO帶材的兩端端部通過銅壓塊與螺栓壓接在所述熔斷器兩側的銅母排上。電流引線的一端連接在銅母排上，電流引線上套有絕緣套管，電流引線與高溫超導熔斷器主體固定在低溫容器內，電流引線在低溫容器外的部分用絕緣端子絕緣。低溫容器內充有液氮，液氮沒過高溫超導熔斷器主體。
在電力系統正常運行時，串接在電網中的高溫超導熔斷器處於超導態，壓降為零， 阻抗低，對電力系統的運行不產生影響；在電網發生短路故障時，高溫超導熔斷器的YBCO 帶材即刻失超轉變為常規導體，並在l-5ms (半個周期)內熔斷，從而有效保護了電力設備、 提高了電網安全性。本發明高溫超導熔斷器可以克服常規熔斷器的諸多不足，可以應用於更高電壓等級，具有更高的額定運行電流和更大的開斷電流，廣泛應用於不同容量的輸、配電網。
本發明採用的YBCO帶材為目前已經商業化生產的不鏽鋼高電阻率穩定基產品， 典型產品的尺寸厚度0. 1 0. 3mm,寬度4 12mm。在液氮溫度、無外磁場條件下，YBCO 帶材單位寬度的臨界電流、可以達到210A/cm。I。是根據國際通用判據，在高溫超導帶兩端的端電壓達到1 μ V/cm時的電流值；YBCO帶材的電流-電壓特性E-I由式(1)描述，其中E為單位TOCO帶的壓降，仏為常數1 μ V/cm，N值是描述超導轉變特性的常數JBCO高溫超導帶的N值介於25 50之間。
E = E0(I/IC)N (1)
首先根據線路傳輸的額定電流和負載情況確定串接本發明高溫超導熔斷器的額定電流I。p。而高溫超導熔斷器的臨界電流Iai要根據串接線路負載的波動情況而定，一般取高溫超導熔斷器額定電流『的1.5 2倍，而並聯TOCO帶材的根數k(k取整數)為
k = ICE/IC (2)
根據式(1)，本發明在運行電流I。p小於熔斷器的臨界電流I 時，熔斷器的高溫超導帶處於超導態，端電壓E基本為零，對電網沒有影響。在傳輸電流發生波動而瞬時高於熔斷器的臨界電流I 時，根據式(1)，熔斷器的YBCO帶材處於正常態，所有承載電流即刻轉移到具有大電阻率的不鏽鋼穩定層中而呈現一個串接電阻I Y(12mm寬不鏽鋼穩定基產品的常規電阻為0. 1歐姆/米)。這種情況下高溫超導熔斷器的熔斷特性與常規熔斷器的安秒特性相似。但是由於YBCO高溫超導的載流能力是相同截面常規導體的30-50倍，而高電阻率的不鏽鋼穩定基載流能力僅為相同截面銅導體的1/100 1/50，決定了在相同熔斷電流下 YBCO帶材失超後熔斷時間僅為常規熔斷器的1/105 1/104，例如在故障電流Ifault = IOIce 時，YBCO高溫超導帶的熔斷時間僅為1 5ms。
為提高滅弧效果並縮短燃弧時間，本發明採取了如下措施1)高溫超導斷路器主體浸泡在液氮中；幻根據高溫超導斷路器串接線路的額定電壓U與氮氣的擊穿強度關係式(3)，由式(3)確定並聯YBCO帶材的有效長度L ；3)在每根並聯YBCO帶材中部固定重約80 150克的重錘，重錘的材質選用不鏽鋼塊或玻璃鋼塊。υ
^ = 99 + 0.3183^^(3)
式中U為額定電壓，單位kV，e為自然常數，除去兩端壓接部分後YBCO帶材有效長度 L 彡 100mm。
為確保本發明的耐高電壓水平，採取如下措施1)根據額定電壓U，用h替代所述的關係式(3)中的L，便可通過關係式(3)計算得到高溫超導熔斷器與低溫液氮容器內壁的最小絕緣距離h ;2)低溫液氮容器內的電流引線部分採用耐壓為額定電壓U的緣套管；3) 低溫液氮容器外的電流引線採用耐壓為額定電壓U的常規的絕緣端子。
本發明可廣泛應用於配電網和輸電網。


圖1TOC0帶材的E-I曲線；
圖2高溫超導熔斷器主體的結構示意圖，圖中1YBC0帶材，2重錘，3邊框，4銅母排，5銅壓塊，6螺栓，L YBCO帶材1有效長度，k YBCO帶材1並聯根數；
圖3高溫超導熔斷器整體結構示意圖，圖中7高溫超導熔斷器主體，8電流引線，9絕緣套管，10低溫容器，11絕緣端子，h高溫超導熔斷器主體7與低溫容器10的最小絕緣距離。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。
本發明採用TOCO帶材1的典型產品尺寸厚度0. 1 0. 3mm,寬度4 12mm。在液氮溫度、無外磁場條件下，YBCO帶材1單位寬度的臨界電流Ie可以達到210A/cm，圖1為本發明採用YBCO帶材1的E-I曲線。根據國際通用判據，高溫超導帶兩端的端電壓達到 lyV/cm時的電流值定義為Ic ；而N值是電壓值介於0. 1 lyV/cm之間根據式(1)的計算值，介於25 50之間。
本發明的高溫超導熔斷器主要包括YBCO帶材1、重錘2、邊框3、銅母排4、銅壓塊 5、電流引線8、絕緣套管9、低溫容器10與絕緣端子11等部件。
圖2為本發明主體的結構示意圖。如圖2所示，YBCO帶材1、重錘2、邊框3、銅母排4、銅壓塊5與螺栓6構成高溫超導熔斷器主體7。銅母排4與邊框3通過螺栓6組成窗口，該窗口用於固定YBCO帶材1 JBCO帶材1的中間位置固定重錘2，通過銅壓塊5與螺栓 6把至少一根YBCO帶材1的端部壓接在所述熔斷器兩側的銅母排4上。如圖3所示，電流引線8 —端連接在銅母排4上，並套有絕緣套管9絕緣。電流引線8與高溫超導熔斷器主體7固定在低溫容器10內，電流引線8處於低溫容器10外的部分採用絕緣端子11絕緣。 低溫容器10內充有液氮，所述的液氮沒過高溫超導熔斷器主體7。
如圖2所示，一根或多根並聯YBCO帶材1的長度L根據額定電壓U由式(3)計算得到，並確保除去兩端壓接部分後的有效長度L ^ IOOmm ；超導熔斷器的臨界電流Ick取電網的額定電流I。p的1. 5-2倍；並聯TOCO帶材1的根數k由式⑵確定。每根TOCO帶材1 的中間位置固定長2-3cm、重80 150克的高密度重錘2，若重錘2為不鏽鋼材質可用錫焊固定，若為高密度玻璃鋼可用綁紮固定。每兩根YBCOSMl由兩端的銅壓塊5通過螺栓6 壓接在熔斷器兩端的銅母排4上，當k為奇數，由一組銅壓塊5僅在同一側壓接一根YBCO 帶材1。
圖3為本發明的整體結構示意圖。如圖3所示，高溫超導熔斷器主體7通過電流引線8吊裝在低溫容器10中，根據額定電壓U由式(3)確定高溫超導熔斷器主體7與低溫容器10的最小距離h。電流引線8套裝在絕緣套管9中，引線在低溫容器10外的部分用絕緣端子11絕緣。運行中，低溫容器10內的液氮液面沒過高溫超導熔斷器主體7。
本發明的工作原理和工作過程如下本發明在正常運行時，電流I。p小於熔斷器的臨界電流I ，熔斷器的YBCO帶材1處於超導態，端電壓E為零，對電網沒有影響。在電網發生短路故障時，電流I。p瞬時高於熔斷器的臨界電流I ，根據式(1)及圖1，熔斷器的 YBCO帶材1處於正常態，所有承載電流轉移到具有大電阻率的不鏽鋼穩定層中而呈現一個串接電阻I Y(12mm寬不鏽鋼穩定基產品的常規電阻為0. 1歐姆/米)。這種情況下高溫超導熔斷器的熔斷特性與常規熔斷器的安秒特性相似。但是由於YBCO帶材1的載流能力是相同截面常規導體的30-50倍，而高電阻率的不鏽鋼穩定基載流能力僅為相同截面銅導體的1/100 1/50，決定了在相同熔斷電流下TOCO帶材1失超後熔斷時間僅為常規熔斷器的 1/105 1/104，例如在故障電流Ifault = IOIce時，YBCO高溫超導帶的熔斷時間為1 5ms。
本發明的一個實施例
額定電壓為220kV，額定電流1500A，YBCO帶材1採用寬度為12mm的不鏽鋼穩定基產品，臨界電流Ie為252A。則本發明並聯YBCO帶材1根數k為10根，銅壓塊5的數量為5，除去兩端壓接部分後YBCO帶材1的有效長度L彡110202mm,高溫超導熔斷器主體7 與低溫容器10的最小距離h ^ 202mm,絕緣套管9和絕緣端子11選用額定電壓為220kV的常規產品。
權利要求
1.一種高溫超導熔斷器，其特徵在於，所述的高溫超導熔斷器包括YBCO帶材(1)、重錘 (2)、邊框(3)、銅母排(4)、銅壓塊(5)、電流引線(8)、絕緣套管(9)、低溫容器(10)和絕緣端子(11)；所述的YBCO帶材(1)、重錘(2)、邊框(3)、銅母排(4)、銅壓塊(5)與螺栓(6)構成高溫超導熔斷器主體(7)；銅母排(4)與邊框C3)通過螺栓(6)組成固定YBCO帶材(1) 的窗口 ；YBCO帶材(1)的中間位置固定有重錘O)，通過銅壓塊(5)與螺栓(6)把至少一根 YBCO帶材(1)的端部壓接在所述熔斷器兩側的銅母排(4)上；電流引線(8)的一端連接在銅母排(4)上，並套有絕緣套管(9)；電流引線(8)與高溫超導熔斷器主體(7)固定在低溫容器(10)內，電流引線(8)處於低溫容器(10)外的部分採用絕緣端子(11)絕緣；低溫容器(10)內充有液氮，所述的液氮沒過高溫超導熔斷器主體(7)。
2.按照權利要求1所述的高溫超導熔斷器，其特徵在於，所述的YBCO帶材(1)的有效長度L根據所述的高溫超導斷路器的額定電壓U與氮氣的擊穿強度關係式C3)確定，所述的關係式⑶為υZ = 99 + 0.3183e^⑶式中U為額定電壓，e為自然常數，除去兩端壓接部分後YBCO帶材有效長度L ^ IOOmm0
3.按照權利要求1所述的高溫超導熔斷器，其特徵在於，多根所述的YBCO帶材(1)並聯，並聯的YBCO帶材(1)的根數k，k取整數，為k = ICE/IC (2)式中；I 為高溫超導熔斷器的臨界電流，Ie為YBCO帶材(1)的臨界電流。
4.按照權利要求1或3所述的高溫超導熔斷器，其特徵在於，每兩根所述的YBCO帶材 (1)由銅壓塊( 通過螺栓(6)壓接在所述的熔斷器兩端的銅母排(4)上，當k為奇數時， 由一組銅壓塊(5)在同一側壓接一根YBCO帶材(1)。
5.按照權利要求1所述的高溫超導熔斷器，其特徵在於，根據所述的高溫超導斷路器的額定電壓U與氮氣的擊穿強度關係式(3)，用高溫超導熔斷器與低溫液氮容器(10)內壁的最小絕緣距離h替代所述的關係式(3)中的YBCO帶材有效長度L，確定高溫超導熔斷器與低溫液氮容器(10)內壁的最小絕緣距離h。
6.按照權利要求1所述的高溫超導熔斷器，其特徵在於，所述的重錘的重量為80 150克，重錘的材質為不鏽鋼塊或玻璃鋼塊。
全文摘要
一種高溫超導熔斷器，其中的YBCO帶材(1)、重錘(2)、邊框(3)、銅母排(4)、銅壓塊(5)與螺栓(6)構成高溫超導熔斷器主體(7)；銅母排(4)與邊框(3)通過螺栓(6)組成固定YBCO帶材的窗口；YBCO帶材(1)的中間位置固定有重錘(2)，通過銅壓塊(5)與螺栓(6)把至少一根YBCO帶材(1)的端部壓接在所述熔斷器兩側的銅母排(4)上；電流引線(8)的一端連接在銅母排(4)上，並套有絕緣套管(9)；電流引線(8)與高溫超導熔斷器主體(7)固定在低溫容器(10)內，電流引線(8)處於低溫容器(10)外的部分採用絕緣端子(11)絕緣，低溫容器(10)內充有液氮並沒過高溫超導熔斷器主體(7)。
文檔編號H01H85/041GK102522277SQ20111041489
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月10日 優先權日2011年12月10日
發明者張東, 張京業, 戴少濤, 林良真, 王子凱, 肖立業, 邱清泉, 郭文勇, 馬韜 申請人:中國科學院電工研究所