超导与常导复合型平波限流电抗器及其控制方法

超导与常导复合型平波限流电抗器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力系统的电抗器领域，特别涉及电力系统保护的一种用于直流电网系统的平波限流电抗器。
【背景技术】
[0002]具有平波或限流功能的电抗器，在直流电网系统中具有广泛的应用。特别是具有非常高的允许工作电流密度和近似为零的电阻率的超导材料的引入，使得由超导导线绕制而成的超导电抗器具有由常导导线绕制而成的常导电抗器无法实现的技术优点，如工作电流大、运行损耗低、体积小、重量轻等。同时，利用超导体失超后的较高电阻，超导电抗器也可满足限流高阻抗的要求。因此，兼备平波功能和限流功能的超导电抗器可以代替常导电抗器，在直流电网系统中具有广泛的应用前景。
[0003]但是，受到昂贵的超导导线的成本限制，超导电抗器的经济性较低；同时，由于直流电网电压具有一定的波动性，超导电抗器仍存在一定的运行能量损耗，受到卡诺循环效率的影响，配套的低温制冷系统实际消耗的电能是超导电抗器的运行能量损耗的几十倍以上。因此，超导电抗器面临的两个突出的实际应用问题就是如何通过降低超导电抗器的装置成本以提高超导电抗器的经济性和如何减小超导电抗器的能量损耗以提高超导电抗器的运行效率。此外，在短路故障限流过程中产生的热量将造成低温制冷剂的急剧升温，甚至大量挥发，这将可能导致超导电抗器的热不稳定性，并造成安全隐患，如损伤超导电抗器中的核心超导绕组部件。

【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种用于直流电网的具有可变电感值和可变电阻值的超导与常导复合型平波限流电抗器。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提出的一种超导与常导复合型平波限流电抗器，包括超导部件、常导部件、支撑底板和支撑顶板，所述超导部件包括超导电感线圈、超导开关组合、低温杜瓦和超导二元电流引线；所述超导电感线圈的上下设有第一上支撑板和第一下支撑板，所述第一上支撑板和第一下支撑板之间设有联接螺杆；所述超导开关组合与所述第一上支撑板固定；所述超导开关组合包括超导无阻开关、超导无阻开关和超导限流开关；所述超导无阻开关与超导电感线圈并联连接；所述超导无阻开关与超导限流开关并联后，再与超导电感线圈串联连接；所述低温杜瓦安装在所述支撑底板上，所述低温杜瓦内填充有低温制冷剂，所述低温杜瓦的上方设有密封盖板，所述第一上支撑板与所述密封盖板固连，所述超导电感线圈和所述超导开关组合完全浸泡在低温杜瓦内的低温制冷剂中；所述密封盖板上设有进液管道、出液管道和低温绝缘套管；所述进液管道和出液管道的一端均伸入至所述低温杜瓦的内部，所述进液管道和出液管道的另一端均连接至所述低温杜瓦外部的低温制冷系统相连，从而组成一低温制冷剂循环冷却回路，所述低温制冷剂循环冷却回路用于冷却所述超导电感线圈与超导开关组合；所述超导二元电流引线的上部与所述低温绝缘套管相连，所述超导二元电流引线的下部位于所述低温杜瓦内；所述超导电感线圈和超导开关组合通过超导过渡导线与所述超导二元电流引线的下部相连；所述常导部件包括正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈，所述正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈的上方设有第二上支撑板，所述第二上支撑板与所述支撑底板之间设有联接螺杆；所述正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈串联连接且同名端相连后，再与超导电感线圈串联连接；所述常导开关组合安装在所述支撑顶板上，所述支撑顶板与支撑底板之间设有联接螺杆，所述常导开关组合包括第一常导开关、第二常导开关和第三常导开关；所述第一常导开关与所述反向绕制的常导电感线圈并联连接；所述第一常导开关闭合时，所述正向绕制的常导电感线圈与所述反向绕制的常导电感线圈构成了一个常导无感线圈；所述第二常导开关与所述正向绕制的常导电感线圈、反向绕制的常导电感线圈串联后，再与第三常导开关并联连接；所述超导二元电流引线的上部通过第一常导过渡导线与位于低温杜瓦外部的常导开关组合相连；所述正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈通过第二常导过渡导线与位于低温杜瓦外部的常导开关组合相连；所述常导开关组合的输出端口与外部的直流电网相连；通过切换所述超导开关组合与常导开关组合的导通状态，实现超导电感线圈、超导开关组合、正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈之间的连接形式。
[0006]本发明超导与常导复合型平波限流电抗器的控制方法，是:通过切换所述超导开关组合与常导开关组合的导通状态，实现超导电感线圈、超导开关组合、正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈之间的连接形式，包括以下几种情形:
[0007](I)当直流电网电压波动小于预设的电压波动阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈接入至直流电网，用于电网电压的平波处理；
[0008](2)当直流电网电压波动大于或等于预设的电压波动阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，所述超导电感线圈与串联连接且异名端相连的正向绕制的常导电感线圈接入至直流电网，用于电网电压的平波处理；
[0009](3)当直流电网故障电流小于预设的第一故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，超导无阻开关闭合，超导限流开关断开，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理；
[0010](4)当直流电网故障电流大于或等于预设的第一故障电流阈值，且小于预设的第二故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，所述超导无阻开关断开，所述超导限流开关闭合，第一常导开关闭合，第二常导开关断开，第三常导开关闭合，此时，所述超导电感线圈与串联连接的超导限流开关接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理；
[0011](5)当直流电网故障电流大于或等于预设的第二故障电流阈值时，所述超导无阻开关断开，超导无阻开关断开，超导限流开关闭合，第一常导开关断开，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，所述超导电感线圈与超导限流开关、由正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈构成的常导无感线圈串联连接后，再接入至直流电网，用于电网电压的限流处理；
[0012](6)当直流电网故障电流持续时间大于或等于预设的持续时间阈值时，或所述低温杜瓦内部的低温制冷剂温度大于或等于预设的温度阈值时，所述超导无阻开关闭合，所述超导无阻开关闭合，所述超导限流开关断开，第一常导开关断开，第二常导开关闭合，第三常导开关断开，此时，由正向绕制的常导电感线圈与反向绕制的常导电感线圈构成的常导无感线圈接入至直流电网，用于电网电压的限流处理；所述超导电感线圈被超导无阻开关短路处理，避免了低温制冷剂温度过热造成的安全隐患。
[0013]优选的，所述超导电感线圈由BSCCO或YBCO超导导线绕制而成；所述超导过渡导线为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线的上部为由铜或铝导线构成的常导长导线，所述超导二元电流引线的下部为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线结构有效降低了低温杜瓦的热泄露，提高了整个系统的运行效率。
[0014]优选的，所述常导开关组合由功率电子开关或机械开关构成；所述超导开关组合由四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材与一根BSCCO或YBCO超导圆筒形棒材构成；四块超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材依次平行放置，并通过相邻超导圆饼形块材之间、超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材之间的相互接触或分离来形成相应的超导开关。四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材包括超导圆饼形块材A、超导圆饼形块材B、超导圆饼形块材C和超导圆饼形块材D ;所述超导圆饼形块材A与超导圆筒形棒材相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材B与超导圆饼形块材D相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材C单独作为一个超导开关触点；所述超导圆饼形块材A与超导圆饼形块材B构成超导无阻开关，所述超导圆饼形块材C与所述超导圆饼形块材D构成超导无阻开关，所述超导圆饼形块材D与超导圆筒形棒材构成超导限流开关。与目前的仅有无阻导通的超导开关相比，所述超导开关组合兼备了用作无阻导通和用作故障限流的超导开关功能。
[0015]优选的，所述正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈由铜或铝常导导线绕制而成；所述铜或铝常导导线为由两根具有相同长度的“L”形导线经绝缘处理后，嵌套成为的长宽比为3:2的并联组合型常导长导线；所述并联组合型常导长导线的其中一个端部焊接在一起后，再绕制在一绕线骨架上，以形成串联连接且同名端相连的正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈；所述第一常导 过渡导线和第二常导过渡导线为由铜或铝常导导线构成的常导长导线。与目前的直接采用正方形或矩形截面的常导长导线构成的并联结构相比，所述长宽比近似为3:2的并联组合型常导长导线具有更高效的磁场抵消功能，进而更利于获得电感量近似为零的常导无感线圈。
[0016]优选的，所述超导电感线圈安装在所述正向绕制的常导电感线圈和反向绕制的常导电感线圈的内腔的中间位置，所述正向绕制的常导电感线圈产生的磁场作为所述超导电感线圈的背景磁场，起到了磁场削弱的作用，从而增大了超导电感线圈的临界电流，减小了超导电感线圈的电阻值，最终提高了超导与常导复合型平波限流电抗器的运行效率。
[0017]优选的，所述超导开关组合安装在超导电感线圈的内腔的中间位置，超导电感线圈产生的磁场作为超导开关组合中的超导限流开关的背景磁场，起到了磁场增强的作用，从而减小了超导电感线圈的临界电流，增大了超导电感线圈的电阻值，最终提高了超导与常导复合型平波限流电抗器的限流效果。
[0018]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0019]1.本发明不但兼顾了单一的超导电抗器和单一的常导电抗器的应用特点，而且具备更高效的直流电网平波和限流功能。
[0020]2.本发明利用超导电感线圈与常导电感或无感线圈的串联方案，在有效解决直流电网中的电压波动问题和短路故障限流问题的基础上，有效提高了超导电抗器的运行效率和装置经济性。
[0021]3.本发明利用兼备了无阻导通和故障限流功能的超导开关组合，一方面增强了装置对短路故障限流的能力，另一方面还有效保护了超导电感线圈，避免了低温制冷剂温度过热造成的安全隐患。
【附图说明】
[0022]图1是本发明超导与常导复合型平波限流电抗器的结构图；
[0023]图2是本发明中超导开关组合的内部开关结构图；
[0024]图3是本发明中常导电感线圈所用的并联组合型常导长导线结构图；
[0025]图4是超导与常导复合型平波限流电抗器的电路图。
[0026]图中:
[0027]1-超导电感线圈2、21_绕线骨架
[0028]3-第一上支撑板4-第一下支撑板
[0029]5、7、13、24、27-联接螺杆6_超导开关组合
[0030]8-第一超导无阻开关9-第二超导无阻开关
[0031]10-超导限流开关11-低温杜瓦
[0032]12-密封盖板14-进液管道
[0033]15-出液管道16-超导二元电流引线
[0034]17-低温绝缘套管18-超导过渡导线
[0035]19-正向绕制的常导电感线圈20-反向绕制的常导电感线圈
[0036]22-上支撑板23-支撑底板
[0037]25-常导开关组合26-支撑顶板
[0038]28-第二下支撑板29-第一常导开关
[0039]30-第二常导开关31-第三常导开关
[0040]32-第一常导过渡导线33-第二常导过渡导线
[0041]34-输出端口
【具体实施方式】
[0042]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0043]如图1所示，本发明一种超导与常导复合型平波限流电抗器，包括超导部件、常导部件、支撑底板23和支撑顶板26。
[0044]所述超导部件包括超导电感线圈1、超导开关组合6、低温杜瓦11和超导二元电流引线16 ;所述超导电感线圈I具备其绕线骨架2，所述超导电感线圈I的上下设有用于安装固定超导电感线圈I的第一上支撑板3和第一下支撑板4，所述第一上支撑板3和第一下支撑板4之间设有联接螺杆5。所述超导开关组合6通过联接螺杆7安装固定在所述第一上支撑板3上；所述超导开关组合6包括第一超导无阻开关8、第二超导无阻开关9和超导限流开关10 ;如图4所示，所述第一超导无阻开关8与超导电感线圈I并联连接；所述第二超导无阻开关9与超导限流开关10并联后，再与超导电感线圈I串联连接。如图1所示，所述低温杜瓦11安装在所述支撑底板23上，所述低温杜瓦11内填充有低温制冷剂，所述低温制冷剂为低温液氮；所述低温杜瓦11的上方设有密封盖板12，所述第一上支撑板3通过联接螺杆13与所述密封盖板12固连，所述超导电感线圈I和所述超导开关组合6完全浸泡在低温杜瓦11内的低温制冷剂中；所述密封盖板12上设有低温制冷剂的进液管道14和出液管道15，及低温绝缘套管17 ;所述进液管道14和出液管道15的一端均伸入至所述低温杜瓦11的内部，所述进液管道14和出液管道15的另一端均连接至所述低温杜瓦11外部的低温制冷系统相连，从而组成一低温制冷剂循环冷却回路，所述低温制冷剂循环冷却回路用于冷却所述超导电感线圈I与超导开关组合6。所述超导二元电流引线16的上部与所述低温绝缘套管17相连，所述超导二元电流引线16的下部位于所述低温杜瓦11内；所述超导电感线圈I和超导开关组合6通过超导过渡导线18与所述超导二元电流引线16的下部相连。
[0045]所述常导部件包括正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20，所述正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20具备绕线骨架21。所述正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20的上方设有第二上支撑板22，所述第二上支撑板22通过联接螺杆24与所述支撑底板23安装固定；如图4所示，所述正向绕制的常导电感线圈19与反向绕制的常导电感线圈20串联且同名端相连后，再与超导电感线圈I串联。如图4所示，所述超导电感线圈I的电感值为L1，电阻值为R1;正向绕制的常导电感线圈19的电感值为L2，电阻值为R2;反向绕制的常导电感线圈20的电感值为L3,电阻值为R3;超导电感线圈I和正向绕制的常导电感线圈20的互感为M。
[0046]如图1所示，所述常导开关组合25安装在所述支撑顶板26上，所述支撑顶板26通过联接螺杆27与支撑底板23安装固定，所述常导开关组合25可以由功率电子开关构成，也可以由机械开关构成。如图4所示，所述常导开关组合25由三个功率电子开关构成，即包括第一常导开关29、第二常导开关30和第三常导开关31 ;所述第一常导开关29与所述反向绕制的常导电感线圈19并联；所述第一常导开关29闭合时，所述正向绕制的常导电感线圈19与所述反向绕制的常导电感线圈20构成了一个常导无感线圈；所述第二常导开关30与所述正向绕制的常导电感线圈19、反向绕制的常导电感线圈20串联后，再与第三常导开关31并联。如图1所示，所述超导二元电流引线16的上部通过第一常导过渡导线32与位于低温杜瓦11外部的常导开关组合25相连；所述正向绕制的常导电感线圈19与反向绕制的常导电感线圈20通过第二常导过渡导线33与位于低温杜瓦11外部的常导开关组合25相连；所述常导开关组合25的输出端口 34与外部的直流电网相连。
[0047]所述超导电感线圈I由BSCCO或YBCO超导导线绕制而成；所述超导过渡导线18为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线16的上部为由铜或铝导线构成的常导长导线，所述超导二元电流引线16的下部为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线，所述超导二元电流引线16结构有效降低了低温杜瓦11的热泄露，提高了整个系统的运行效率。
[0048]如图2所示，所述超导开关组合6由四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材A、B、C、D与一根BSCCO或YBCO超导圆筒形棒材E构成；四块超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材依次平行放置，并通过相邻超导圆饼形块材之间、超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材之间的相互接触或分离来形成相应的超导开关。四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材包括超导圆饼形块材A、超导圆饼形块材B、超导圆饼形块材C和超导圆饼形块材D ;所述超导圆饼形块材A与超导圆筒形棒材E相连以形成一个超导开关触点a，所述超导圆饼形块材B与超导圆饼形块材D相连以形成一个超导开关触点b，所述超导圆饼形块材C单独作为一个超导开关触点c ;所述超导圆饼形块材A与超导圆饼形块材B构成所述第二超导无阻开关9，所述超导圆饼形块材C与所述超导圆饼形块材D构成所述第一超导无阻开关8，所述超导圆饼形块材D与超导圆筒形棒材构成所述超导限流开关10 ;与目前的仅有无阻导通的超导开关相比，所述超导开关组合6兼备了用作无阻导通和用作故障限流的超导开关功能。
[0049]所述正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20由铜或铝常导导线绕制而成；如图3所示，所述铜或铝常导导线为由两根具有相同长度的“L”形导线经绝缘处理后，嵌套成为的长宽比为3:2的并联组合型常导长导线，“L”形的并联组合型常导长导线可以由 正方形截面的常导长导线切割1/4截面积后获得，其中一个端部焊接在一起后，再绕制在绕线骨架21上，以形成串联连接且同名端相连的正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20。
[0050]所述超导开关组合6安装在超导电感线圈I的内腔的中间位置，超导电感线圈I产生的磁场作为超导开关组合6中的超导限流开关10的背景磁场，从而减小了超导电感线圈I的临界电流，增大了超导电感线圈I的电阻值。
[0051]本发明中的所述第一常导过渡导线32和第二常导过渡导线33为由铜或铝常导导线构成的常导长导线。
[0052]通过切换本发明中的所述超导开关组合6与常导开关组合25的导通状态，实现超导电感线圈1、超导开关组合6、正向绕制的常导电感线圈19与反向绕制的常导电感线圈20之间的连接形式。
[0053]针对直流电网系统中的电网电压平波应用，利用本发明的超导与常导复合型平波限流电抗器对直流电网系统正常运行过程中的电网电压进行实时补偿，以达到平波的作用。
[0054](I)当直流电网电压波动小于预设的电压波动阈值时，本发明超导与常导复合型平波限流电抗器工作在一级平波工作模式，即:所述第一超导无阻开关8断开，所述第二超导无阻开关9闭合，所述超导限流开关10断开，第一常导开关29闭合，第二常导开关30断开，第三常导开关31闭合，此时，仅有所述超导电感线圈I接入至直流电网，用于电网电压的平波处理。这样，超导与常导复合型平波限流电抗器就可以由单独的超导电感线圈提供电网电压实时补偿功能，以满足直流电网系统正常运行中的电网电压平波需求。此时，超导电感线圈的实际运行电流低于其临界电流，电阻值&近似为零，整个超导与常导复合型平波限流电抗器的运行效率非常高。
[0055](2)当直流电网电压波动大于或等于预设的电压波动阈值时，本发明超导与常导复合型平波限流电抗器工作在二级平波工作模式，即:所述第一超导无阻开关8断开，所述第二超导无阻开关9闭合，所述超导限流开关10断开，第一常导开关29闭合，第二常导开关30闭合，第三常导开关31断开，此时，所述超导电感线圈I与串联且异名端相连的正向绕制的常导电感线圈19接入至直流电网，用于电网电压的平波处理。这样，超导与常导复合型平波限流电抗器就可以由超导电感线圈和常导电感线圈共同提供电网电压实时补偿功能，以满足直流电网系统正常运行中的较大的电网电压平波需求。
[0056]如图1所示，超导与常导复合型平波限流电抗器工作在二级平波工作模式时，所述超导电感线圈I安装在所述正向绕制的常导电感线圈19和反向绕制的常导电感线圈20的内腔的中间位置，所述正向绕制的常导电感线圈19产生的磁场作为所述超导电感线圈I的背景磁场，从而增大了超导电感线圈I的临界电流，减小了超导电感线圈I的电阻值，最终提高了超导与常导复合型平波限流电抗器的运行效率。
[0057]针对直流电网系统中的短路故障限流应用，利用本发明的超导与常导复合型平波限流电抗器对直流电网系统故障运行过程中的电网故障电流进行实时抑制，以达到限流的作用。
[0058](I)在直流电网系统的故障运行过程中，当直流电网故障电流小于预设的第一故障电流阈值时，超导与常导复合型平波限流电抗器工作在一级限流工作模式，即:所述第一超导无阻开关8断开，第二超导无阻开关9闭合，超导限流开关10断开，第一常导开关29闭合，第二常导开关30断开，第三常导开关31闭合，此时，仅有所述超导电感线圈I接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理。利用超导体失超后的较高电阻，超导电抗器可以满足限流高阻抗的要求，并起到较好的限流效果。所述超导电感线圈I由YBCO超导导线绕制而成。所述超导过渡导线为由YBCO超导导线构成的超导长导线。所述超导二元电流引线的上部为由铜导线构成的长导线，下部为由YBCO超导导线构成的超导长导线。所述超导开关组合由四块YBCO超导圆饼形块材A、B、C、D与一根YBCO超导圆筒形棒材E构成；所述低温制冷剂为低温液氦。所述常导开关组合由三个机械开关构成。
[0059](2)在直流电网系统的故障运行过程中，当直流电网故障电流大于或等于预设的第一故障电流阈值，且小于预设的第二故障电流阈值时，超导与常导复合型平波限流电抗器工作在二级限流工作模式，即:所述第一超导无阻开关8断开，所述第二超导无阻开关9断开，所述超导限流开关10闭合，第一常导开关29闭合，第二常导开关30断开，第三常导开关31闭合，此时，所述超导电感线圈I与串联的超导限流开关10接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理。这样，超导与常导复合型平波限流电抗器就可以由超导电感线圈和超导限流开关共同提供电网故障电流的实时抑制功能，以满足直流电网系统故障运行中的较高的限流高阻抗需求。所述超导开关组合6安装在超导电感线圈I的内腔的中间位置，超导电感线圈I产生的磁场作为超导开关组合6中的超导限流开关10的背景磁场，起到了磁场增强的作用，减小了超导电感线圈I的临界电流，增大了超导电感线圈⑴的电阻值，最终提高了超导与常导复合型平波限流电抗器的限流效果。
[0060](3)在直流电网系统的故障运行过程中，当直流电网故障电流大于或等于预设的第二故障电流阈值时，超导与常导复合型平波限流电抗器工作在三级限流工作模式，即:所述第一超导无阻开关8断开，第二超导无阻开关9断开，超导限流开关10闭合，第一常导开关29断开，第二常导开关30闭合，第三常导开关31断开，此时，所述超导电感线圈I与超导限流开关10、由正向绕制的常导电感线圈19与反向绕制的常导电感线圈20构成的常导无感线圈串联后，再接入至直流电网，用于电网电压的限流处理。这样，超导与常导复合型平波限流电抗器就可以由超导电感线圈、超导限流开关和常导无感线圈共同提供电网故障电流的实时抑制功能，以满足直流电网系统故障运行中的非常高的限流高阻抗需求。
[0061](4)当直流电网故障电流持续时间大于或等于预设的持续时间阈值时，或所述低温杜瓦11内部的低温制冷剂温度大于或等于预设的温度阈值时，超导与常导复合型平波限流电抗器工作在四级限流工作模式，即:所述第一超导无阻开关8闭合，所述第二超导无阻开关9闭合，所述超导限流开关10断开，第一常导开关29断开，第二常导开关30闭合，第三常导开关31断开，此时，由正向绕制的常导电感线圈19与反向绕制的常导电感线圈20构成的常导无感线圈接入至直流电网，用于电网电压的限流处理。这样，超导与常导复合型平波限流电抗器就可以单独由常导无感线圈提供电网故障电流的实时抑制功能，以满足直流电网系统故障运行中的限流高阻抗需求。此时，超导电感线圈I被超导无阻开关8短路处理，避免了低温制冷剂温度过热造成的安全隐患。
[0062]尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，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的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种超导与常导复合型平波限流电抗器，包括超导部件、常导部件、支撑底板(23)和支撑顶板(26)，其特征在于: 所述超导部件包括超导电感线圈(I)、超导开关组合(6)、低温杜瓦(11)和超导二元电流引线(16); 所述超导电感线圈(I)的上下设有第一上支撑板(3)和第一下支撑板(4)，所述第一上支撑板(3)和第一下支撑板(4)之间设有联接螺杆(5); 所述超导开关组合(6)与所述第一上支撑板(3)固定；所述超导开关组合(6)包括第一超导无阻开关(8)、第二超导无阻开关(9)和超导限流开关(10);所述第一超导无阻开关(8)与超导电感线圈⑴并联连接；所述第二超导无阻开关(9)与超导限流开关(10)并联后，再与超导电感线圈(I)串联连接； 所述低温杜瓦(11)安装在所述支撑底板(23)上，所述低温杜瓦(11)内填充有低温制冷剂，所述低温杜瓦(11)的上方设有密封盖板(12)，所述第一上支撑板(3)与所述密封盖板(12)固连，所述超导电感线圈⑴和所述超导开关组合(6)完全浸泡在低温杜瓦(11)内的低温制冷剂中；所述密封盖板(12)上设有进液管道(14)、出液管道(15)和低温绝缘套管(17);所述进液管道(14)和出液管道(15)的一端均伸入至所述低温杜瓦(11)的内部，所述进液管道(14)和出液管道(15)的另一端均连接至所述低温杜瓦(11)外部的低温制冷系统相连，从而组成一低温制冷剂循环冷却回路，所述低温制冷剂循环冷却回路用于冷却所述超导电感线圈(I)与超导开关组合(6); 所述超导二元电流引线(16)的上部与所述低温绝缘套管(17)相连，所述超导二元电流引线(16)的下部位于所述低温杜瓦(11)内； 所述超导电感线圈(I)和超导开关组合(6)通过超导过渡导线(18)与所述超导二元电流引线(16)的下部相 连； 所述常导部件包括正向绕制的常导电感线圈(19)和反向绕制的常导电感线圈(20)，所述正向绕制的常导电感线圈(19)和反向绕制的常导电感线圈(20)的上方设有第二上支撑板(22)，所述第二上支撑板(22)与所述支撑底板(23)之间设有联接螺杆(24);所述正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)串联且同名端相连后，再与超导电感线圈(I)串联； 所述常导开关组合(25)安装在所述支撑顶板(26)上，所述支撑顶板(26)与支撑底板(23)之间设有联接螺杆(27)，所述常导开关组合(25)包括第一常导开关(29)、第二常导开关(30)和第三常导开关(31);所述第一常导开关(29)与所述反向绕制的常导电感线圈(19)并联；所述第一常导开关(29)闭合时，所述正向绕制的常导电感线圈(19)与所述反向绕制的常导电感线圈(20)构成了一个常导无感线圈；所述第二常导开关(30)与所述正向绕制的常导电感线圈(19)、反向绕制的常导电感线圈(20)串联后，再与第三常导开关(31)并联； 所述超导二元电流引线(16)的上部通过第一常导过渡导线(32)与位于低温杜瓦(11)外部的常导开关组合(25)相连；所述正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)通过第二常导过渡导线(33)与位于低温杜瓦(11)外部的常导开关组合(25)相连；所述常导开关组合(25)的输出端口(34)与外部的直流电网相连； 通过切换所述超导开关组合(6)与常导开关组合(25)的导通状态，实现超导电感线圈(I)、超导开关组合(6)、正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)之间的连接形式。2.根据权利要求1所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 所述超导电感线圈(I)由BSCCO或YBCO超导导线绕制而成；所述超导过渡导线(18)为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线；所述超导二元电流引线(16)的上部为由铜或铝导线构成的常导长导线，所述超导二元电流引线(16)的下部为由BSCCO或YBCO超导导线构成的超导长导线。3.根据权利要求1所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 所述常导开关组合(25)由功率电子开关或机械开关构成；所述超导开关组合(6)由四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材与一根BSCCO或YBCO超导圆筒形棒材构成；四块超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材依次平行放置，并通过相邻超导圆饼形块材之间、超导圆饼形块材与超导圆筒形棒材之间的相互接触或分离来形成相应的超导开关。4.根据权利要求3所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 四块BSCCO或YBCO超导圆饼形块材包括超导圆饼形块材A、超导圆饼形块材B、超导圆饼形块材C和超导圆饼形块材D ;所述超导圆饼形块材A与超导圆筒形棒材相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材B与超导圆饼形块材D相连以形成一个超导开关触点，所述超导圆饼形块材C单独作为一个超导开关触点；所述超导圆饼形块材A与超导圆饼形块材B构成所述第二超导无阻开关(9)，所述超导圆饼形块材C与所述超导圆饼形块材D构成所述第一超导无阻开关(8)，所述超导圆饼形块材D与超导圆筒形棒材构成所述超导限流开关(10)。5.根据权利要求1所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 所述正向绕制的常导电感线圈(19)和反向绕制的常导电感线圈(20)由铜或铝常导导线绕制而成；所述铜或铝常导导线为由两根具有相同长度的“L”形导线经绝缘处理后，嵌套成为的长宽比为3:2的并联组合型常导长导线；所述并联组合型常导长导线的其中一个端部焊接在一起后，再绕制在一绕线骨架上，以形成串联连接且同名端相连的正向绕制的常导电感线圈(19)和反向绕制的常导电感线圈(20);所述第一常导过渡导线(32)和第二常导过渡导线(33)为由铜或铝常导导线构成的常导长导线。6.根据权利要求1至5任一项所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 所述超导电感线圈⑴安装在所述正向绕制的常导电感线圈(19)和反向绕制的常导电感线圈(20)的内腔的中间位置，所述正向绕制的常导电感线圈(19)产生的磁场作为所述超导电感线圈⑴的背景磁场，从而增大了超导电感线圈⑴的临界电流，减小了超导电感线圈(I)的电阻值。7.根据权利要求1至5任一项所述的超导与常导复合型平波限流电抗器，其特征在于: 所述超导开关组合(6)安装在超导电感线圈⑴的内腔的中间位置，超导电感线圈(I)产生的磁场作为超导开关组合(6)中的超导限流开关(10)的背景磁场，从而减小了超导电感线圈(I)的临界电流，增大了超导电感线圈(I)的电阻值。8.根据权利要求1至5任一项所述的超导与常导复合型平波限流电抗器的控制方法，其特征在于，通过切换所述超导开关组合(6)与常导开关组合(25)的导通状态，实现超导电感线圈(I)、超导开关组合(6)、正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)之间的连接形式，包括以下几种情形: 当直流电网电压波动小于预设的电压波动阈值时，所述第一超导无阻开关(8)断开，所述第二超导无阻开关(9)闭合，所述超导限流开关(10)断开，第一常导开关(29)闭合，第二常导开关(30)断开，第三常导开关(31)闭合，此时，所述超导电感线圈(I)接入至直流电网，用于电网电压的平波处理； 当直流电网电压波动大于或等于预设的电压波动阈值时，所述第一超导无阻开关(8)断开，所述第二超导无阻开关(9)闭合，所述超导限流开关(10)断开，第一常导开关(29)闭合，第二常导开关(30)闭合，第三常导开关(31)断开，此时，所述超导电感线圈(I)与串联且异名端相连的正向绕制的常导电感线圈(19)接入至直流电网，用于电网电压的平波处理； 当直流电网故障电流小于预设的第一故障电流阈值时，所述第一超导无阻开关(8)断开，第二超导无阻开关(9)闭合，超导限流开关(10)断开，第一常导开关(29)闭合，第二常导开关(30)断开，第三常导开关(31)闭合，此时，所述超导电感线圈(I)接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理； 当直流电网故障电流大于或等于预设的第一故障电流阈值，且小于预设的第二故障电流阈值时，所述第一超导无阻开关(8)断开，所述第二超导无阻开关(9)断开，所述超导限流开关(10)闭合，第一常导开关(29)闭合，第二常导开关(30)断开，第三常导开关(31)闭合，此时，所述超导电感线圈⑴与串联的超导限流开关(10)接入至直流电网，用于电网故障电流的限流处理； 当直流电网故障电流大于或等于预设的第二故障电流阈值时，所述第一超导无阻开关(8)断开，第二超导无阻开关(9)断开，超导限流开关(10)闭合，第一常导开关(29)断开，第二常导开关(30)闭合，第三常导开关(31)断开，此时，所述超导电感线圈(I)与超导限流开关(10)、由正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)构成的常导无感线圈串联后，再接入至直流电网，用于电网电压的限流处理； 当直流电网故障电流持续时间大于或等于预设的持续时间阈值时，或所述低温杜瓦(11)内部的低温制冷剂温度大于或等于预设的温度阈值时，所述第一超导无阻开关(8)闭合，所述第二超导无阻开关(9)闭合，所述超导限流开关(10)断开，第一常导开关(29)断开，第二常导开关(30)闭合，第三常导开关(31)断开，此时，由正向绕制的常导电感线圈(19)与反向绕制的常导电感线圈(20)构成的常导无感线圈接入至直流电网，用于电网电压的限流处理；所述超导电感线圈(I)被超导无阻开关短路处理，避免了低温制冷剂温度过热造成的安全隐患。
【专利摘要】本发明公开了一种超导与常导复合型平波限流电抗器，主要包括超导电感线圈、超导开关组合、正向绕制的常导电感线圈、反向绕制的常导电感线圈和常导开关组合。超导开关组合内部的第一超导无阻开关与超导电感线圈并联，第二超导无阻开关与超导限流开关并联后，再与超导电感线圈串联。超导开关组合与常导开关组合通过内部开关的导通状态切换，实现超导电感线圈、超导开关组合、常导电感线圈、常导开关组合之间的组合串并联连接形式，实现了具有可变电感值和可变电阻值的超导与常导复合型平波限流电抗器。其兼顾了单一的超导电抗器和单一的常导电抗器的应用特点，具备更高效的直流电网平波和限流功能，并有效提高了超导电抗器的运行效率和装置经济性。
【IPC分类】H01F36/00, H02J1/00, H01F27/40, H01F29/00, H01F6/06, H01F6/04, H01F27/30, H01L39/16
【公开号】CN104900388
【申请号】CN201510239475
【发明人】金建勋, 陈孝元, 汤长龙, 孙日明
【申请人】天津大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日