專利名稱：超導(dǎo)型混合限流開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)短路故障時(shí)使用的限流開關(guān)，尤其涉及一種超導(dǎo)型混合限流開關(guān)。
背景技術(shù)：
隨著電力系統(tǒng)現(xiàn)代化程度的日益提高、新型供電網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和系統(tǒng)容量的不斷增大，一方面提高了系統(tǒng)供電的可靠性、連續(xù)性和供電品質(zhì)，但同時(shí)也帶來了短路故障電流水平的迅速提高，短路電流的危害日漸突出。巨大的短路沖擊電流已經(jīng)超過了現(xiàn)有斷路器的極限接通和分?jǐn)嗄芰?。在短路情況較嚴(yán)重的時(shí)候(例如發(fā)電機(jī)出線端短路)，短路電流將達(dá)到額定運(yùn)行時(shí)電流值的十倍以上。因此，若不在電力系統(tǒng)中采取合適的限流技術(shù)，一旦發(fā)生短路故障，將無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選擇性保護(hù)，可能導(dǎo)致全面停電，后果將十分嚴(yán)重。
目前，國內(nèi)外研究者為解決電力系統(tǒng)保護(hù)問題開展了大量的故障電流限制技術(shù)研究。采用或提出的方法有斷路器、熔斷器、電力電子固態(tài)開關(guān)等。但由于大容量斷路器存在動(dòng)作時(shí)間長，制造難度和造價(jià)很高，且不能使發(fā)、配電設(shè)備免受故障電流峰值電動(dòng)力和熱效應(yīng)沖擊的問題，而不能滿足系統(tǒng)短路電流增長的需要。額定大電流的熔斷器自身起弧時(shí)間較長，實(shí)際分?jǐn)鄷r(shí)系統(tǒng)的短路電流也相當(dāng)大，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電網(wǎng)來說，同時(shí)也犧牲了保護(hù)的選擇性，故障后恢復(fù)慢，降低了系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決上述背景技術(shù)存在的不足，提出一種開關(guān)動(dòng)作快速準(zhǔn)確，能有效抑制短路的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，包括電磁斥力式機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器，其特征是所述固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機(jī)械開關(guān)并聯(lián)。
在上述方案中，所述電磁斥力式機(jī)械開關(guān)由斥力驅(qū)動(dòng)線圈、運(yùn)動(dòng)盤、開關(guān)觸頭和斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，所述運(yùn)動(dòng)盤位于開關(guān)觸頭上，斥力驅(qū)動(dòng)線圈位置對應(yīng)于運(yùn)動(dòng)盤。
在上述方案中，所述斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路由直流電源E，電容C，電阻R和受控開關(guān)器件G組成，所述直流電源E的一個(gè)輸出端與電阻R一端相連，電阻R的另一端分兩路輸出，一路與電容C的一端相連，另一路與受控開關(guān)器件G的一端相連，電容C另一端分兩路輸出，一路與直流電源E的另一端相連，一路與斥力驅(qū)動(dòng)線圈一端相連，受控開關(guān)器件G的另一端與斥力驅(qū)動(dòng)線圈的另一端相連，受控開關(guān)器件G的控制端與控制器相連。
上述受控開關(guān)器件G為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
在上述方案中，所述固態(tài)開關(guān)采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
在上述方案中，所述超導(dǎo)限流器由超導(dǎo)材料YBCO薄膜和保證該超導(dǎo)材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器構(gòu)成，超導(dǎo)材料YBCO薄膜置于低溫杜瓦容器內(nèi)。
在低溫杜瓦容器內(nèi)可以設(shè)置有至少兩片YBCO薄膜，每片薄膜之間以串并聯(lián)的方式相連。
在上述運(yùn)動(dòng)盤上面設(shè)有能使運(yùn)動(dòng)盤相對于開關(guān)觸頭有一個(gè)預(yù)緊力的預(yù)緊裝置。
上述預(yù)緊裝置為預(yù)緊力彈簧或磁力吸合裝置。
本發(fā)明提出將電磁斥力式機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器技術(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)方案。工作原理為當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，固態(tài)開關(guān)斷開，電流全部從電磁斥力式機(jī)械開關(guān)上流過，此時(shí)超導(dǎo)限流器不工作；當(dāng)檢測出系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，導(dǎo)通固態(tài)開關(guān)，同時(shí)分?jǐn)嚯姶懦饬κ綑C(jī)械開關(guān)，將短路電流換流至超導(dǎo)限流器上，超導(dǎo)限流器將短路電流限制在固態(tài)開關(guān)可以分?jǐn)嗟姆秶鷥?nèi)。該方案有效降低了超導(dǎo)限流器額定運(yùn)行在大電流狀態(tài)下對超導(dǎo)材料及其低溫制冷系統(tǒng)的要求。
該方案具有將電磁斥力式機(jī)械開關(guān)能夠長時(shí)通過千安級額定電流的能力，避免了超導(dǎo)限流器長期工作在額定大電流時(shí)對低溫冷卻系統(tǒng)的要求。超導(dǎo)限流器只在故障狀態(tài)短時(shí)串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關(guān)可分?jǐn)嗟姆秶?，并利用固態(tài)開關(guān)將短路電流分?jǐn)唷１痉桨附鉀Q了電磁斥力式機(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄶?shù)十千安短路電流的滅弧難題，且極大降低了低溫冷卻系統(tǒng)的要求，有著廣闊的工程應(yīng)用前景和良好經(jīng)濟(jì)效益，為超導(dǎo)技術(shù)的工程實(shí)用化提供開辟了一條新的道路。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是電磁斥力式機(jī)械開關(guān)原理圖。
圖3是斥力驅(qū)動(dòng)線圈控制電路圖。
圖4是超導(dǎo)材料YBCO薄膜串并聯(lián)電路原理圖。
圖5是超導(dǎo)限流器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例包括兩條并聯(lián)的支路，參見圖1和圖2，電磁斥力式機(jī)械開關(guān)1為通流支路，而固態(tài)開關(guān)2和超導(dǎo)限流器3串聯(lián)組成換流支路。所述電磁斥力式機(jī)械開關(guān)1由斥力驅(qū)動(dòng)線圈4、運(yùn)動(dòng)盤5、預(yù)緊力彈簧、開關(guān)觸頭6和斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，所述運(yùn)動(dòng)盤5為銅制或鋁制的導(dǎo)電盤，位于開關(guān)觸頭6上，預(yù)緊彈簧位于運(yùn)動(dòng)盤5上面，使運(yùn)動(dòng)盤5相對于開關(guān)觸頭有一個(gè)預(yù)緊力，斥力驅(qū)動(dòng)線圈4位于運(yùn)動(dòng)盤5下面。預(yù)緊彈簧可以用磁力吸合裝置代替。
上述斥力驅(qū)動(dòng)線圈控制電路(參見圖3)由變壓器T、二極管D1、電阻R、整流元件(二極管)D2、電容C、受控開關(guān)器件G組成，所述受控開關(guān)器件為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。在本實(shí)施例中，受控開關(guān)器件采用晶閘管G。所述變壓器T初級繞組連接交流電源，次級繞組的一端接整流元件D2正極，整流元件D2的負(fù)極接電阻R一端，通過整流元件D2給電容C提供直流電源，電阻R另一端分兩路輸出，一路與電容C一端相連，另一路與晶閘管G的正極相連，電容C另一端與變壓器T次級繞組的另一端相連，晶閘管G的負(fù)極分兩路輸出，一路與斥力驅(qū)動(dòng)線圈一端相連，另一路與二極管D1負(fù)極相連，二極管D1的正極和斥力驅(qū)動(dòng)線圈另一端與變壓器T次級繞組的另一端相連，晶閘管G的控制端與控制器相連。
上述T為升壓變壓器，二極管D1為斥力驅(qū)動(dòng)線圈提供續(xù)流電路，變壓器通過D2整流為斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路提供直流電源向電容C充電，控制器通過晶閘管G的導(dǎo)通時(shí)間來控制電容器C的放電。
所述固態(tài)開關(guān)采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
參見圖4和圖5，所述超導(dǎo)限流器3由三片也可以多片超導(dǎo)材料YBCO薄膜31和保證該超導(dǎo)材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器32構(gòu)成。多片YBCO薄膜31進(jìn)行適當(dāng)?shù)拇⒙?lián)置于低溫杜瓦容器32內(nèi)。三片YBCO薄膜31經(jīng)電流引線33連接到兩根銅排34上，再由主引線35與外電路進(jìn)行連接。低溫杜瓦容器是保證限流器能夠處于液氮溫度(77K)，YBCO薄膜正常工作于超導(dǎo)狀態(tài)的必要裝置。超導(dǎo)限流器3只在故障狀態(tài)短路時(shí)串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關(guān)可分?jǐn)嗟姆秶?，并利用固態(tài)開關(guān)將短路電流分?jǐn)?，有效降低了超?dǎo)限流器額定運(yùn)行在大電流狀態(tài)下對超導(dǎo)材料及其低溫制冷系統(tǒng)的要求。在圖5中件號36為支架，件號37為隔板，件號38為液氮。
超導(dǎo)限流器3中薄膜的串并聯(lián)數(shù)量由系統(tǒng)的電壓和電流參數(shù)確定。由于YBCO薄膜的單位長度耐壓約8V/cm，單片直徑10cm薄膜的有效長度為80cm，因此用系統(tǒng)電壓除以薄膜耐壓和單片薄膜的有效長度，可以計(jì)算出所需串聯(lián)薄膜的片數(shù)。所需并聯(lián)的YBCO薄膜數(shù)量由系統(tǒng)要求的動(dòng)作電流和薄膜的臨界電流確定。動(dòng)作電流除以單片薄膜的臨界電流(80A)可以得到所需并聯(lián)的薄膜數(shù)量。根據(jù)上述原理，在本發(fā)明所述的低溫杜瓦容器內(nèi)可以設(shè)置一片兩片乃至多片YBCO薄膜，以適應(yīng)系統(tǒng)的電壓和電流。
電磁斥力開關(guān)的工作原理為，當(dāng)受控開關(guān)器件G導(dǎo)通，由于回路電感很小，使斥力驅(qū)動(dòng)線圈中產(chǎn)生巨大的電容放電電流脈沖，斥力驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場匝穿越運(yùn)動(dòng)盤，在運(yùn)動(dòng)盤中感應(yīng)出電流，這個(gè)感應(yīng)電流所產(chǎn)生的磁場與斥力驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁場方向相反，斥力驅(qū)動(dòng)線圈與運(yùn)動(dòng)盤之間立即產(chǎn)生斥力F，使運(yùn)動(dòng)盤向上迅速運(yùn)動(dòng)。放電時(shí)脈沖電流的增長速度di/dt越大，運(yùn)動(dòng)盤中產(chǎn)生的感應(yīng)電流也就越大，斥力越大。而當(dāng)電流不變化時(shí)，則斥力為零。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，包括電磁斥力式機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器，其特征是所述固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機(jī)械開關(guān)并聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述電磁斥力式機(jī)械開關(guān)由斥力驅(qū)動(dòng)線圈、運(yùn)動(dòng)盤、開關(guān)觸頭和斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，所述運(yùn)動(dòng)盤位于開關(guān)觸頭上，斥力驅(qū)動(dòng)線圈位置對應(yīng)于運(yùn)動(dòng)盤。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路由直流電源E，電容C，電阻R和受控開關(guān)器件G組成，所述直流電源E的一個(gè)輸出端與電阻R一端相連，電阻R的另一端分兩路輸出，一路與電容C的一端相連，另一路與受控開關(guān)器件G的一端相連，電容C另一端分兩路輸出，一路與直流電源E的另一端相連，一路與斥力驅(qū)動(dòng)線圈一端相連，受控開關(guān)器件G的另一端與斥力驅(qū)動(dòng)線圈的另一端相連，受控開關(guān)器件G的控制端與控制器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述受控開關(guān)器件G為GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述固態(tài)開關(guān)采用GTO、SCR、IGBT或IGCT電力電子器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述超導(dǎo)限流器由超導(dǎo)材料YBCO薄膜和保證該超導(dǎo)材料YBCO薄膜能夠處于液氮溫度的低溫杜瓦容器構(gòu)成，超導(dǎo)材料YBCO薄膜置于低溫杜瓦容器內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是在低溫杜瓦容器內(nèi)設(shè)置有至少兩片YBCO薄膜，每片薄膜之間以串/并聯(lián)的方式相連。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是在運(yùn)動(dòng)盤上面設(shè)有能使運(yùn)動(dòng)盤相對于開關(guān)觸頭有一個(gè)預(yù)緊力的預(yù)緊裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，其特征是所述預(yù)緊裝置為預(yù)緊力彈簧或磁力吸合裝置。
全文摘要
一種超導(dǎo)型混合限流開關(guān)，包括電磁斥力式機(jī)械開關(guān)、固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器，其特征是所述固態(tài)開關(guān)和超導(dǎo)限流器串聯(lián)后與電磁斥力式機(jī)械開關(guān)并聯(lián)，所述電磁斥力式機(jī)械開關(guān)由斥力驅(qū)動(dòng)線圈、運(yùn)動(dòng)盤、開關(guān)觸頭和斥力驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，所述運(yùn)動(dòng)盤位于開關(guān)觸頭上，斥力驅(qū)動(dòng)線圈位置對應(yīng)于運(yùn)動(dòng)盤。本發(fā)明具有快速開關(guān)能夠長時(shí)通過千安級額定電流的能力，降低了超導(dǎo)限流器長期工作在額定大電流時(shí)對低溫冷卻系統(tǒng)的要求。超導(dǎo)限流器只在故障狀態(tài)短時(shí)串入系統(tǒng)中，將短路電流限制在固態(tài)開關(guān)可分?jǐn)嗟姆秶?，并利用固態(tài)開關(guān)將短路電流分?jǐn)?。本方案解決了快速開關(guān)分?jǐn)鄶?shù)十千安短路電流的滅弧難題，且極大降低了低溫冷卻系統(tǒng)的要求，有著廣闊的工程應(yīng)用前景和良好經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號H02H9/02GK1972052SQ20061012519
公開日2007年5月30日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者莊勁武 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學(xué)