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1、(10)申请公布号 CN 103956718 A (43)申请公布日 2014.07.30 CN 103956718 A (21)申请号 201410074849.3 (22)申请日 2014.03.03 H02H 9/02(2006.01) (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁路 28 号 (72)发明人 王建华 刘志远 项彬 耿英三 柳父悟 谭亚雄 杨騉 (74)专利代理机构 西安智大知识产权代理事务 所 61215 代理人 何会侠 (54) 发明名称 一种新型的直流超导限流器及直流断路器 (57) 摘要 本发明公开了一种新型的直流超导限流器及 直流断路器， 。
2、直流超导限流器包括相并联的超导 带材和直流电阻， 所述超导带材为一个或多个超 导带材并联和 / 或串联的形式， 所述直流电阻为 一个或多个直流电阻并联和 / 或串联的形式 ； 直 流断路器为上述所述的新型的直流超导限流器和 直流开断模块相串联组成 ； 该新型的直流超导限 流器能够和直流断路器在高电压大电流场合配 合使用。在较高的额定电压等级下先通过直流超 导限流器限制故障电流到较低的值， 再由直流断 路器断开较低的故障电流值， 因为直流超导限流 器可以将故障电流的值限制到很低的水平， 所以 可以有效降低直流断路器开断直流故障电流的难 度。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4。
3、 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103956718 A CN 103956718 A 1/1 页 2 1. 一种新型的直流超导限流器， 其特征在于 ： 包括相并联的超导带材 （1） 和直流电阻 （2） ， 所述超导带材 （1） 为一个或多个超导带材并联和 / 或串联的形式， 所述直流电阻 （2） 为 一个或多个直流电阻并联和 / 或串联的形式。 2. 根据权利要求 1 所述的一种新型直流超导限流器， 其特征在于 ： 通过在所述超导带 材 （1） 上添加磁场的方法来提高超导带材的失超速。
4、度， 提高其限制电流的能力， 使限流更加 迅速。 3.根据权利要求1所述的一种新型直流超导限流器， 其特征在于 ： 所述直流电阻 （2） 的 阻值为超导带材 （1） 失超后电阻的五分之一。 4.根据权利要求1所述的一种新型直流超导限流器， 其特征在于 ： 在所述超导带材 （1） 上还并联有过电压吸收装置 （5） ， 用于吸收超导带材 （1） 两端的过电压。 5. 根据权利要求 4 所述的一种新型直流超导限流器， 其特征在于 ： 所述过电压吸收装 置 （5） 为氧化锌避雷器。 6. 一种直流断路器， 其特征在于 ： 由权利要求 1 至 5 任一项所述的新型的直流超导限 流器和直流开断模块 （3）。
5、 相串联组成。 权 利 要 求 书 CN 103956718 A 2 1/4 页 3 一种新型的直流超导限流器及直流断路器 技术领域 0001 本发明涉及限流器技术领域， 具体涉及一种新型的直流超导限流器及直流断路 器。 背景技术 0002 虽然直流输电技术发展已经比较成熟 , 但是相对于交流输电系统灵活、 多样的联 结方式,目前世界上已运行的直流系统绝大多数仍采用两端系统,其主要原因就是缺乏实 用的高压直流断路器。随着直流输电技术的进一步发展 , 多端系统必然成为新的发展方 向， 而运用高压直流断路器可以实现改变现有的高压直流输电线路的 “点对点模式” ， 使高 压输电线路变为组网的模式， 。
6、利用高压直流断路器可以实现将两端直流输电系统向多端直 流输电系统的发展， 并且使实现高压直流网络成为可能。作为系统中起着控制和保护双重 作用的开关电器 , 直流断路器的研制具有十分重要的意义。现今我国特高压直流输电方式 采用双端网络， 存在着传输方式的单一性。 如果有适用的特高压直流断路器， 不仅能够建立 直流多站系统， 还可以建立直流系统之间的联络， 使直流系统具有灵活的运行方式和可靠 的调节手段。因此， 直流断路器是解决系统联网、 提高可靠性和可控性的重要途径。目前常 用的高压直流断路器的原理有自激振荡型， 它激振荡型和利用限流器件先限流再开断型。 利用限流器先限流再开断是当今热门的研究方。
7、向， 这也与目前限流技术的快速发展是分不 开的。 限流技术之所以受到关注， 主要有以下两个原因 ： 第一， 电网容量不断增加， 短路电流 水平也随之增加， 限制短路电流可以提高电力系统的安全稳定性、 电网供电质量以及电网 的运行灵活性 ； 第二， 现有功率器件过载能力低， 而且能承受的 di/dt、 du/dt 有限， 为防止 故障时对功率器件造成击穿或损坏， 需使用电流限制器。若只使用超导带材进行故障电流 的限制， 一是直流系统故障电流大， 极易损坏超导带材， 二是若只使用超导带材限流， 则需 要把故障电流限制到很低的水平， 故障电流全部由超导带材承担， 需要大量的超导带材， 使 超导限流器。
8、的价格十分昂贵。 发明内容 0003 为了解决上述现有技术存在的问题， 本发明的目的在于提供一种新型的直流超导 限流器及直流断路器， 本发明新型的直流超导限流器能够运用在高电压场合， 具有限制大 故障电流的能力。 0004 为达到以上目的， 本发明采用如下技术方案 ： 0005 一种新型的直流超导限流器， 包括相并联的超导带材 1 和直流电阻 2， 所述超导带 材 1 为一个或多个超导带材并联和 / 或串联的形式， 所述直流电阻 2 为一个或多个直流电 阻并联和 /R 或串联的形式。 0006 通过在所述超导带材 1 上添加磁场的方法来提高超导带材的失超速度， 提高其限 制电流的能力， 使限流。
9、更加迅速。 0007 在所述超导带材1上还并联有过电压吸收装置5， 用于吸收超导带材1两端的过电 说 明 书 CN 103956718 A 3 2/4 页 4 压。 0008 所述过电压吸收装置 5 为氧化锌避雷器。 0009 一种直流断路器， 由上述所述的新型的直流超导限流器和直流开断模块 3 相串联 组成。 0010 超导带材并联直流电阻的选择 ： 0011 超导带材并联的直流电阻的主要作用为分流， 使大部分故障电流从并联的直流电 阻中通过， 从而使流过超导带材的电流减小， 超导带材的产热量减少， 从而减少超导带材的 长度。 本实施例并联电阻为纯电阻的形式， 不采用直流电阻和电感的串联形式。
10、， 因为若串联 直流电感， 在故障电流到来时， 电感的阻值增大， 使并联电阻部分的阻值增大， 电流转移到 超导带材中去， 从而起不到保护超导带材和减少超导带材长度的目的。 0012 并联直流电阻的阻值选择可为超导带材失超后电阻的五分之一， 所以故障电流的 六分之五从并联电阻中流过， 只有故障电流的六分之一从超导带材中流过， 超导带材的失 超后电阻会逐渐增大， 所以超导带材中的电流会逐渐减小， 从而起到保护超导带材的目的。 0013 本发明和现有技术相比， 具有如下优点 ： 0014 1、 现有的直流超导限流器采用超导带材直接限流， 故障电流值全部由超导带材本 身承担， 由于大的故障电流由超导带。
11、材本身承担， 超导带材在瞬间产生大量热量， 容易彻底 损坏 ； 本发明采用超导带材和电阻相并联的形式， 故障电流由超导带材和并联的电阻共同 承担， 大部分的故障电流从并联电阻中流过， 超导带材承的障电流值减小， 产生的热量减 少， 损坏的可能性大大降低。并联电阻起到了保护超导带材的目的。 0015 2、 超导带材并联电阻后总的电阻值减小， 直流系统中的电阻 4 和此总电阻值共同 分压， 所以超导带材需要承受的电压值减小， 需要的超导带材的长度减少可以减少为原来 的 20% 左右。可以减少直流超导限流器的成本和体积。 0016 3、 当系统中出现大的故障电流时， 超导带材 1 的阻值瞬间增大， 。
12、大部分电流从并 联电阻 2 中流过， 所以电流被限制到较低的值， 使直流断路器可以很容易的开断被限制的 直流故障电流， 降低了直流断路器的开断难度。 由于直流断路器需要开断的电流值减小， 可 以降低直流断路器的成本和设计研发难度。假设直流系统的线路电阻为 R4， 超导带材和电 阻并联后的阻值为 R， 直流线路的电流为 IDC， 系统的额定电压为 VDC, 直流系统的电感值为 LDC， 直流系统故障电流的时间常数为 ， 可以得到 ： 0017 IDC=VDC/(R+R4) 0018 =LDC/(R+R4) 0019 4、 本发明超导限流器为高温电阻型超导限流器， 电阻型超导限流器具有结构简 单，。
13、 反应速度快， 电流过载系数低的特点 ； 材料采用钇钡铜氧化物 YBCO 或其他超导材料， 因 其电阻在失超时很大， 能将故障电流限制在很低的水平 ； 并联电阻起到分流的作用， 大部分 故障电流从电阻中流过， 起到了保护超导带材的作用。 在系统没有故障电流时， 电流从超导 带材中通过， 超导带材在超导态时无电阻， 所以所设计的新型的直流超导限流器的损耗极 小。 0020 5、 本发明超导限流模块为多个超导带材和并联电阻串联或 / 和并联组成， 直流开 断模块也为多个直流断路器串联或 / 和并联组成， 当超导限流模块和直流开断模块采取多 个模块相串联的形式时， 能够提高所构成的高压直流断路器的额。
14、定电压 ； 当超导限流模块 说 明 书 CN 103956718 A 4 3/4 页 5 和直流开断模块分别采用多个模块相并联的形式时， 能够提高所构成的高压直流断路器的 额定电流。 0021 6、 因为超导带材快速失超， 电阻瞬间增大， 同时和并联电阻一同承担故障电流， 由 于超导带材的阻值更大， 所以所承担的电流值减小， 并联电阻后的超导带材不用承担过大 的故障电流， 产生的热量减少， 对相同的恢复时间来说， 可以承受的电压值增大， 可以大大 减少超导带材的长度， 从而节省成本。 超导带材无需承受很大的故障电流， 所以超导带材的 产热减少， 损坏的可能性减少。超导带材的产热减少， 可以缩短。
15、超导带材的恢复时间， 可以 减少冷却液的气化量， 降低击穿的可能性， 在高电压等级下尤其重要。 可以通过并联过电压 吸收装置来限制超导带材和并联电阻两端的电压， 例如使用氧化锌避雷器来保护过电压给 超导带材和并联的电阻带来的损坏， 在直流系统中过电压吸收装置的位置不同， 保护的作 用也不同。 0022 7、 超导带材的用量减少， 可以有效减小超导限流部分的体积和成本， 冷却设备的 体积减小， 也减少了成本。设备体积的减小， 使提高设备的电压等级更加容易。新型的直流 超导限流器的结构简单， 设计也比较容易。 附图说明 0023 图 1 是本发明单个超导带材和直流电阻相并联的结构示意图。 0024。
16、 图 2 为给直流超导限流器增加并联过电压吸收装置的结构示意图。 0025 图 3 是本发明直流断路器的结构示意图。 0026 图 4 为说明直流断路器在多端直流输电系统的重要性的说明图。 0027 图 5 是本发明直流输电系统的结构示意图。 0028 图 6 为在图 5 的基础上增加过电压吸收装置的示意图。 0029 图 7 为图 6 在出现截流情况时的波形图。 具体实施方式 0030 以下结合附图及具体实施例， 对本发明作进一步的详细描述。 0031 如图1所示， 本发明一种新型的直流超导限流器， 包括相并联的超导带材1和直流 电阻 2。 0032 如图 2 所示， 给限流模块并联过电压吸。
17、收装置 5， 起到保护超导带材和并联电阻的 作用。 0033 如图 3 所示， 为超导限流模块和直流开断模块相串联组成的高压直流断路器。该 高压直流断路器具有开断大直流故障电流的能力。 超导限流模块为多个超导带材及并联电 阻相串联或 / 和并联构成。直流开断模块为多个直流断路器串联或 / 和并联构成。为了提 高本发明所构成高压直流断路器的额定电压， 可以采用多个直流开断模块相串联的形式， 超导限流模块也可以采用多个串联的形式。 为了提高本发明所构成高压直流断路器的额定 电流， 可以采用多个直流限流模块并联的形式， 超导限流模块也可以采用多个并联的形式。 0034 图 4 为直流断路器在多端直流。
18、输电系统的重要作用， 高压直流断路器的成功研制 使多端直流输电成为可能。 高压直流断路器的成功研制是高压直流输电网络可以形成的关 键。 说 明 书 CN 103956718 A 5 4/4 页 6 0035 图 5 直流输电系统的结构示意图。为说明在直流系统中为了降低出现截流时产生 的过电压， 在直流输电系统中增加吸收过电压的电容器6。 目的在于在直流断路器开断电流 时， 如果出现截流现象， 此电流可以转移到和其并联的电容器 6 上， 电容器 6 充电使其电压 升高， 当流过直流系统中电感的电流等于零时， 电容上的电压达到最大值， 然后， 电容再对 系统中的电感和电源放电， 经几次衰减振荡之后。
19、， 最后电容两端的电压稳定在电源电势的 数值， 即限制了系统的过电压， 从而达到保护限流模块和开断模块的目的。 0036 图 6 为在图 5 的基础上增加过电压吸收装置 5 的示意图。直流系统中为了限制线 路中不同种类的过电压， 在直流系统中安装过电压吸收装置 5。本实施例过电压吸收装置 5 为氧化锌避雷器。 0037 图 7 为图 6 电路图出现截流情况时的波形图， I 为流过直流系统的总电流， V 为电 容器 6 两端的电压， I0和 V0分别为直流输电系统的额定电压和额定电流。在 t0时刻， 直流 输电系统出现故障， 故障电流迅速上升， 在流过超导带材的电流超过超导带材的临界电流 值时，。
20、 超导带材迅速失超， 产生电阻， 超导带材和并联电阻在 t1 时刻开始限流， 因为超导带 材的电阻增加， 所以系统的电流减小， 在电流未减小到零时， 开断模块已经将电流开断， 出 现截流现象。由于超导带材在失超前电阻很小， 开断模块的电阻也很小， 所以在 t0时刻前 电压V的值很小， 失超后， 超导带材的电阻值增大， 限流模块的电阻增大， 所以V呈现上升趋 势。在 t2时刻， 出现截流， 假设截流电流为 I1， 出现截流时， 电容器两端电压为 V1， 在 t2时刻 电容器两端电压 V 迅速增大， 电压增大的值由电容的值和系统中的电感值 L 决定。当流过 系统电感 L 的电流为零时， 电容 C 。
21、上的电压达到最大值 Vmax， 由能量守恒原理 ： 0038 (CVmax2)/2=(I12L)/2+(CV12)/2 0039 0040 可以通过调节电容的大小， 改变电容两端的电压， 从而达到降低过电压的目的， 电 容值增大， 电容两端的电压值减小。 0041 本发明的工作原理为 ： 当系统无故障电流时， 因为在超导态的超导带材的电阻值 远远小于并联的电阻值， 所以电流从超导带材通过， 再流过直流开断模块， 所以本发明的直 流超导限流器的损耗极小。 当系统出现故障时， 故障电流同时流过超导带材和并联电阻， 因 为超导带材迅速失超， 产生电阻值， 并联电阻的电阻值小于失超后超导带材的电阻值，。
22、 所以 故障电流主要从并联电阻中流过， 起到了保护超导带材的作用。被直流超导限流器限制的 较小的故障电流由后方串联的直流开断模块开断， 从而达到开断直流电流的目的。本发明 采用直流超导限流器限流是因为此限流器可在高电压下运行， 并可实现检测、 转换、 限流一 体化， 能在毫秒级内快速限制大的故障电流。 说 明 书 CN 103956718 A 6 1/3 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103956718 A 7 2/3 页 8 图 4 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103956718 A 8 3/3 页 9 图 7 说 明 书 附 图 CN 103956718 A 9 。