一種高溫超導限流熔斷器的製作方法

2023-11-11 01:31:47 1

專利名稱：一種高溫超導限流熔斷器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種故障電流限流熔斷器，特別涉及輸配電系統短路故障限流熔斷器。
背景技術：
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。常規斷路器的開斷時間不低於45ms， 常規熔斷器由於其安秒特性，熔斷時間也較長(中華人民共和國能源部標準SD319-89， GB13539. 1-2008以及GB15166. 2-2008)，這給電網帶來了很大危害。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、結構複雜。

發明內容
本發明目的克服以上現有技術存在的問題，並有效的解決不間斷供電下的重合閘與短路故障限流的技術問題，提出一種新型的限流熔斷器——高溫超導限流熔斷器。本發明高溫超導限流熔斷器主要包括常規電抗器、並聯高溫超導熔斷器、備用高溫超導熔斷器，兩個常閉快速開關，兩個常開快速開關，電流傳感器以及測控裝置等部件。並聯高溫超導熔斷器通過其兩端的兩個常閉快速開關與常規電抗器並聯，備用高溫超導熔斷器也與常規電抗器並聯但通過其兩端的兩個常開快速開關保持斷開狀態，高溫超導限流熔斷器通過兩端的兩個接線端串接在電網線路中。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；重錘固定在YBCO帶材的中間位置，把TOCO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。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I。可以達到210A/ cm。根據線路傳輸的額定電流和負載情況確定高溫超導熔斷器的額定電流Ιορ，高溫超導熔斷器的臨界電流I 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Ι。ρ的1. 5 2倍，而並聯TOCO帶材的根數k，k取整數，為k = ICE/IC (1)常規電抗器採用常規產品，其阻抗&的選擇規則如下線路沒有串接高溫超導限流熔斷器時的最大故障電流Is。，串接阻抗為&常規電抗器限制後的電流Iftl，故障電流縮減率n為
I -Iflη = —f— X 100% (2)
ISCIftl要在電力系統可以承受的範圍內，根據電力系統的負載情況以及所承受的過流能力計算&值與電流故障電流縮減率η，通常η取40-60%，Is。與&的計算方法見GB/ T 15544-1995。在電力系統正常運行時，並聯高溫超導熔斷器處於超導態，阻抗Rsu為零，因為與之並聯的常規電抗器的阻抗&的作用，額定電流『全部流經高溫超導熔斷器，不產生電損，對電力系統的運行不產生影響。在電網發生短路故障時，並聯高溫超導熔斷器的電流瞬時高於熔斷器的臨界電流I 而使YBCO帶材處於正常態(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帶材失超後熔斷時間僅為常規熔斷器的1/105 1/104。高溫超導熔斷器在l-5ms，即半個周期內熔斷，迫使電流全部流經常規電抗器，常規電抗器的阻抗&的自動串入線路並進行限流。測控裝置通過電流傳感器檢測到故障電流消失或故障電流不大於2I。P時，測控裝置同時關閉備用高溫超導熔斷器的兩端的常開快速開關並使兩個常開快速開關維持在關閉狀態，然後打開並聯高溫超導熔斷器兩端的常閉快速開關並使兩個常閉快速開關維持在斷開狀態。由人工更換並聯高溫超導熔斷器主體；人工控制測控裝置，同時關閉並聯高溫超導熔斷器兩端的常閉快速開關，並使兩個常閉快速開關維持在關閉狀態，然後同時打開備用高溫超導熔斷器兩端的常開快速開關，並使兩個常開快速開關維持在斷開狀態；從而本發明實現了故障電流限制與不間斷供電下的重合閘。為提高並聯高溫超導熔斷器的滅弧效果並縮短燃弧時間，採取如下措施1)並聯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。
υL = 99 + 03\S3e^~6 (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。為確保並聯高溫超導熔斷器的耐高電壓水平，本發明採取如下措施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；幻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。並聯高溫超導熔斷器的額定電壓U與常規電抗器的相同，常閉快速開關、常開快速開關、電流傳感器以及測控裝置均採用常規產品。本發明可廣泛應用於配電網輸電網。把常規電抗器換成對應阻抗的常規電阻，本發明也可用於直流電網。


圖1高溫超導限流熔斷器原理圖，圖中1常規電抗器，2並聯高溫超導熔斷器，3 備用高溫超導熔斷器，4第一常閉快速開關，5第二常閉快速開關，6第一常開快速開關，7第二常開快速開關，8電流傳感器，9測控裝置，A與B接線端。圖2高溫超導熔斷器主體的結構示意圖，圖中10TOC0帶材，11重錘，12邊框，13 銅母排，14銅壓塊，15螺栓，LYBCO帶材10有效長度，kYBCO帶材10並聯根數；圖3並聯與備用高溫超導熔斷器2與3結構示意圖，圖中16高溫超導熔斷器主體，17電流引線，18絕緣套管，19低溫容器，20絕緣端子，h高溫超導熔斷器主體16與低溫容器19的最小絕緣距離。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。圖1為高溫超導限流熔斷器原理圖。如圖1所示，本發明高溫超導限流熔斷器主要包括常規電抗器1、並聯高溫超導熔斷器2、備用高溫超導熔斷器3、常閉快速開關4、5，常開快速開關6、7，電流傳感器8以及測控裝置9等部件。並聯高溫超導熔斷器2通過其兩端的第一常閉快速開關4、第二常閉開關5與常規電抗器1並聯；備用高溫超導熔斷器3也與常規電抗器並聯但通過其兩端的第一常開快速開關6、第二常開快速開關7保持斷開狀態， 在高溫超導限流熔斷器通過兩端的兩個接線端A和B串接在線路中；測控裝置9通過電流傳感器8檢測線路電流情況，並根據電流通過測控裝置9控制第一常閉快速開關4、第二常閉開關5、第一常開快速開關6以及第二常開快速開關7的開合。如圖2、圖3所示，並聯高溫超導熔斷器2與備用高溫超導熔斷器3的結構相同，主要包括YBCO帶材10、重錘11、邊框12、銅母排13、銅壓塊14、電流引線17、絕緣套管18、低溫容器19與絕緣端子20等部件JBCO帶材10、重錘11、邊框12、銅母排13、銅壓塊14構成高溫超導熔斷器主體16 ；重錘11固定在YBCO帶材10的中間位置，通過銅壓塊14與螺栓 15把至少一根YBCO帶材10的端部壓接在所述熔斷器兩側的銅母排13上。如圖3所示，電流引線17 —端連接在銅母排13上，並套有絕緣套管18絕緣。電流引線17與高溫超導熔斷器主體16固定在低溫容器19內，電流引線17處於低溫容器19外的部分採用絕緣端子 20絕緣。低溫容器19內充有液氮，所述的液氮沒過高溫超導熔斷器主體16。TOCO帶材10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10單位寬度的臨界電流I。可以達到210A/cm。根據線路傳輸的額定電流和負載情況確定高溫超導熔斷器主體2和3的額定電流I。p，高溫超導熔斷器2和3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2和3額定電流I。p的1. 5 2倍，而並聯TOCO 帶材10的根數k，k取整數，由式(1)確定。每根YBCO帶材10的中間位置固定長2-3cm、 重80 150克的高密度重錘11，若重錘11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YBCO帶材10由兩端的銅壓塊14通過螺栓15壓接在熔斷器兩端的銅母排13上，當k為奇數，由一組銅壓塊14僅在同一側壓接一根YBCO帶材10。如圖2所示，一根或多根並聯YBCO帶材10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 ^ 100mm。如圖3所示，高溫超導熔斷器主體16通過電流引線17吊裝在低溫容器19中，根據額定電壓U由式(3)確定高溫超導熔斷器主體16與低溫容器19的最小距離h。常規電抗器1採用常規產品，其阻抗&的選擇規則如下線路沒有串接高溫超導限流熔斷器時的最大故障電流Is。，串接阻抗為&常規電抗器限制後的電流Ifca，故障電流縮減率n為由式(2)確定；Iftl要在電力系統可以承受的範圍內，根據電力系統的負載情況以及所承受的過流能力計算&值與電流故障電流縮減率n，通常n取40-60%，Is。與& 的計算方法見GB/T 15544-1995。本發明的工作原理和工作過程如下在電力系統正常運行時，並聯高溫超導熔斷器2處於超導態，阻抗Rsu為零，因為與之並聯的常規電抗器1的阻抗&的作用，額定電流 『全部流經並聯高溫超導熔斷器2，不產生電損，對電力系統的運行不產生影響。在電網發生短路故障時，並聯高溫超導熔斷器2的電流瞬時高於熔斷器的臨界電流Ick而使YBCO帶材10處於正常態(正常態電阻為0. 1歐姆/米)，這種情況下並聯高溫超導熔斷器2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10的載流能力是相同截面常規導體的30-50倍，而其正常態時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10的熔斷時間僅為常規熔斷器的1/105 1/104。高溫超導熔斷器2在l-5ms (半個周期)內熔斷，迫使電流全部流經常規電抗器1，其阻抗&的自動串入線路並進行限流。測控裝置9通過電流傳感器8檢測到故障電流消失或不大於2I。P時，測控裝置9同時關閉備用高溫超導熔斷器3兩端的常開快速開關6與7並維持在關閉狀態， 然後打開並聯高溫超導熔斷器2兩端的常閉快速開關4與5並維持在開斷狀態。人工更換並聯高溫超導熔斷器2主體16 ；人工控制測控裝置9，同時關閉並聯高溫超導熔斷器2兩端的常閉快速開關4與5並維持在關閉狀態，然後同時打開備用高溫超導熔斷器3兩端的常開快速開關6與7並維持在開斷狀態；從而本發明實現了故障電流限制與不間斷供電下的重合閘。並聯高溫超導熔斷器2的額定電壓U與常規電抗器1的相同，常閉快速開關4與 5、常開快速開關6與7、電流傳感器8以及測控裝置9均採用常規產品。本發明可廣泛應用於配電網輸電網。把常規電抗器1換成對應阻抗的常規電阻， 本發明可用於直流電網。本發明的一個實施例額定電壓為220kV，額定電流1500A，最大故障電流Ise為63kA，故障電流縮減率k 為50%時常規電抗器1的阻抗&為2. 6歐姆，常閉快速開關4和5以及常開快速開關6和 7均選用額定電壓220kV、開斷電流為IOkA的常規快速開關。電流傳感器8採用常規產品，額定電壓220kV、量程為63kA，測控裝置採用常規產品。 高溫超導熔斷器主體16由k為10根寬度為12mm的不鏽鋼穩定基產品YBCO帶材 10組成。銅壓塊14的數量為5，除去兩端壓接部分後YBCO帶材10的有效長度L彡202mm, 高溫超導熔斷器主體16與低溫容器19的最小距離h彡202mm,絕緣套管18和絕緣端子20 選用額定電壓為220kV的常規產品。
權利要求
1.一種高溫超導限流熔斷器，其特徵在於，所述的高溫超導限流熔斷器包括常規電抗器(1)、並聯高溫超導熔斷器O)、備用高溫超導熔斷器(3)、兩個常閉快速開關G、5)，兩個常開快速開關(6、7)，電流傳感器⑶以及測控裝置(9)；並聯高溫超導熔斷器(2)通過其兩端的第一常閉快速開關(4)和第二常閉開關(5)與常規電抗器(1)並聯；備用高溫超導熔斷器(3)與常規電抗器(1)並聯，通過備用高溫超導熔斷器(3)兩端的第一常開快速開關(6)、第二常開快速開關(7)保持斷開狀態；測控裝置(9)通過電流傳感器(8)檢測線路電流情況，並根據電流狀況通過測控裝置(9)控制第一常閉快速開關G)、第二常閉開關 (5)、第一常開快速開關(6)以及第二常開快速開關(7)的開合；所述的並聯高溫超導熔斷器O)與備用高溫超導熔斷器(3)的結構相同；所述的高溫超導限流熔斷器串接在電網線路中。
2.按照權利要求1所述的高溫超導限流熔斷器，其特徵在於，所述的並聯高溫超導熔斷器(2)包括YBCO帶材(10)、重錘(11)、邊框(12)、銅母排(13)、銅壓塊(14)、電流引線 (17)、絕緣套管(18)、低溫容器(19)與絕緣端子(20) JBCO帶材(10)、重錘(11)、邊框 (12)、銅母排(13)、銅壓塊(14)構成高溫超導熔斷器主體(16)；重錘(11)固定在YBCO帶材(10)的中間位置，通過銅壓塊(14)與螺栓(1 把至少一根YBCO帶材(10)的端部壓接在所述熔斷器兩側的銅母排(13)上；電流引線(17)的一端連接在銅母排(13)上，並套有絕緣套管(18)絕緣；電流引線(17)與高溫超導熔斷器主體(16)固定在低溫容器(19)內， 電流引線(17)處於低溫容器(19)外的部分採用絕緣端子00)絕緣；低溫容器(19)內充有液氮，所述的液氮沒過高溫超導熔斷器主體(16)。
3.按照權利要求1所述的高溫超導限流熔斷器，其特徵在於，在短路故障發生後，所述的高溫超導熔斷器(2)在l-5ms，即半個周期內熔斷，迫使電流全部流經常規電抗器(1)，常規電抗器⑴的阻抗&自動串入線路並進行限流；測控裝置(9)通過電流傳感器⑶檢測到故障電流消失或故障電流不大於2I。P時，測控裝置(9)同時關閉備用高溫超導熔斷器(3) 兩端的常開快速開關(6、7)並使兩個常開快速開關(6、7)維持在關閉狀態，然後打開並聯高溫超導熔斷器(2)兩端的常閉快速開關G、5)，並使兩個常閉快速開關(4、5)維持在斷開狀態；由人工更換並聯高溫超導熔斷器主體(16)；人工控制測控裝置(9)同時關閉並聯高溫超導熔斷器(2)兩端的常閉快速開關(4、5)並使兩個常閉快速開關(4、5)維持在關閉狀態，然後同時打開備用高溫超導熔斷器(3)兩端的常開快速開關(6、7)，並使兩個常開快速開關(6、7)維持在斷開狀態；實現故障電流限制與不間斷供電下的重合閘。
全文摘要
一種高溫超導限流熔斷器，並聯高溫超導熔斷器(2)通過其兩端的第一常閉快速開關(4)和第二常閉開關(5)與常規電抗器(1)並聯；備用高溫超導熔斷器(3)與常規電抗器(1)並聯，通過備用高溫超導熔斷器(3)兩端的第一常開快速開關(6)、第二常開快速開關(7)保持斷開狀態。測控裝置(9)通過電流傳感器(8)檢測線路電流情況，並根據電流狀況通過測控裝置(9)控制第一常閉快速開關(4)、第二常閉開關(5)、第一常開快速開關(6)以及第二常開快速開關(7)的開合。所述的並聯高溫超導熔斷器(2)與備用高溫超導熔斷器(3)的結構相同。
文檔編號H02H3/08GK102545141SQ20121000865
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者周微微, 張東, 張京業, 戴少濤, 林良真, 王子凱, 肖立業, 許熙, 邱清泉, 郭文勇, 馬韜 申請人:中國科學院電工研究所