一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,包括以下步驟:當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生短路故障、電流和電流上升陡度迅速上升且達(dá)到電流限制器的臨界值時(shí),超導(dǎo)材料立即失超,阻抗急劇上升,將短路電流限制在設(shè)定值內(nèi),同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出指令;超快速機(jī)械開關(guān)立即動(dòng)作,以超快的剛分速度使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令;電力電子開關(guān)快速開斷短路電流,使觸頭間的電弧熄滅形成隔離斷口;當(dāng)觸頭分離至最終分閘位置且避雷器中的電流衰減為零時(shí),高壓超導(dǎo)限流直流斷路器完成整個(gè)開斷過(guò)程,將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。本發(fā)明綜合考慮不同元件的性價(jià)比,優(yōu)化配合;盡可能地減少元器件,縮小體積,減少重量,提高可靠性。
【專利說(shuō)明】一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種斷路器,具體涉及一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器及其開斷方法?!颈尘凹夹g(shù)】
[0002]可靠有效的電力供應(yīng)以及開發(fā)利用可再生資源對(duì)于改進(jìn)電力傳輸模式提出了巨大的挑戰(zhàn)。基于低損耗、遠(yuǎn)距離、大功率輸電以及更有效地連接可再生能源入網(wǎng)和便于靈活操作的優(yōu)點(diǎn),高壓直流輸電得到了新的重視。特別是基于電壓源型換流器的柔性直流輸電技術(shù)的出現(xiàn)使得多端高壓直流電網(wǎng)的籌建發(fā)展成為可能,并越來(lái)越具吸引力。具有快速開斷直流故障電流和隔離故障功能的直流斷路器是實(shí)現(xiàn)多端高壓直流電網(wǎng)必不可少和至關(guān)重要的元件。
[0003]直流系統(tǒng)中短路故障發(fā)生后,短路電流上升非常快,要求高壓直流開關(guān)能快速開斷,并將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。雖然目前市場(chǎng)上已有高壓直流開關(guān),并有一些已在超高電壓系統(tǒng)中運(yùn)行,但它們都只是用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直流輸電系統(tǒng),都是作為轉(zhuǎn)換開關(guān)將故障電流從一個(gè)電路轉(zhuǎn)換到另一電路,并利用電容器放電以制造電流零點(diǎn),最終由交流斷路器完成開斷,其開斷時(shí)間較長(zhǎng),系統(tǒng)欠穩(wěn)定,直接開斷短路故障電流的開斷能力也較低,不適用多端高壓直流系統(tǒng)。故具有高開斷能力的快速高壓直流斷路器仍然是多端高壓直流發(fā)展的一個(gè)瓶頸,限制著多端高壓直流的發(fā)展。因此,高壓直流斷路器的研發(fā)迫在眉睫,一場(chǎng)研發(fā)高壓直流斷路器的激烈競(jìng)爭(zhēng)在國(guó)內(nèi)外電力設(shè)備制造商之間正在悄然進(jìn)行。
[0004]截止目前,只有ABB在2012年11月公布他們最新研發(fā)出了混合式高壓直流斷路器,具有速度快、損耗小、開斷能力較高的特點(diǎn)。這無(wú)疑是一大進(jìn)步,但仍存在一些缺陷;如所需電力電子元件數(shù)量大,而且從安全可靠角度考慮需要很多候役的備份元件;體積龐大,控制系統(tǒng)復(fù)雜,價(jià)格昂貴,保護(hù)控制配合尚需斟酌;型式試驗(yàn)項(xiàng)目有待進(jìn)一步商榷確定;特別是對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電網(wǎng)可靠性和運(yùn)行操作有待考驗(yàn)等。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,本發(fā)明提供一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器及其開斷方法,利用了超導(dǎo)的非線性阻抗和抗磁性限流的特點(diǎn),以及超快速機(jī)械開關(guān)合閘時(shí)損耗小,耐壓,絕緣性能好,分閘速度快的特點(diǎn);電力電子開關(guān)可斷流、速度快、體積小及模塊化設(shè)計(jì)易于成套;在參數(shù)選擇上可綜合考慮不同元件的性價(jià)比,優(yōu)化配合;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡可能地減少元器件,縮小體積,減少重量,提高可靠性。因此,預(yù)期設(shè)計(jì)將不但在技術(shù)上達(dá)到并超過(guò)當(dāng)代高壓直流斷路器的水平,而且具有開斷容量高、體積小、重量輕和造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)而為未來(lái)高壓開關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)開辟新的途徑。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的,本發(fā)明采取如下技術(shù)方案:
[0007]本發(fā)明提供一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,所述斷路器包括超快速開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器、電力電子開關(guān)和避雷器;所述超快速機(jī)械開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)依次串聯(lián)后,與避雷器相并聯(lián);所述方法包括以下步驟:[0008]步驟1:在高壓直流側(cè)發(fā)生短路故障,電流和電流上升陡度迅速上升且達(dá)到相應(yīng)的設(shè)定開斷值時(shí),超導(dǎo)材料立即失超,阻抗急劇上升,將短路電流限制在設(shè)定的值,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出指令;
[0009]步驟2:超快速機(jī)械開關(guān)操作機(jī)構(gòu)立即動(dòng)作,以超快的剛分速度使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令;
[0010]步驟3:電力電子開關(guān)快速開斷短路電流,使超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅形成隔離斷口,超快速機(jī)械開關(guān)承受高電壓,超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)不承受聞電壓;
[0011]步驟4:當(dāng)超快速機(jī)械開關(guān)觸頭分離至最終分閘位置且避雷器中的電流衰減為零時(shí),高壓超導(dǎo)限流直流斷路器完成整個(gè)開斷過(guò)程,將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。
[0012]所述超快速機(jī)械開關(guān)包括觸頭、滅弧室和操作機(jī)構(gòu);超快速機(jī)械開關(guān)在額定電流時(shí)保持合閘,當(dāng)接到來(lái)自超導(dǎo)故障電流限制器的開斷指令后時(shí),操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令,超快速機(jī)械開關(guān)觸頭繼續(xù)分離至最終分閘位置,在分離過(guò)程中,當(dāng)電力電子開關(guān)開斷后,超快速機(jī)械開關(guān)的電流過(guò)零,電弧熄滅形成隔離斷口,并承受額定電壓。
[0013]所述超快速機(jī)械開關(guān)采用利用電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械快速開關(guān),或機(jī)械快速開關(guān)與觸發(fā)間隙組成的快速混合開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的快速機(jī)械開關(guān)。
[0014]所述超導(dǎo)故障電流限制器利用超導(dǎo)材料阻抗的非線性特性進(jìn)行限流;在正常運(yùn)行狀態(tài)下,超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài),具有零阻抗特性;當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),電流迅速上升達(dá)到超導(dǎo)故障電流限制器的臨界電流值,且電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)的開斷設(shè)定值時(shí),電流的沖擊使超導(dǎo)材料失超,其阻抗急遽上升,在短路電流上升階段將其加以限制,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令。
[0015]所述電力電子開關(guān)由至少兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅電力電子元件串聯(lián)而成;絕緣柵雙極型晶體管的尺寸和碳化硅電力電子元件的個(gè)數(shù)分別根據(jù)其額定電壓和電流確定。
[0016]所述電力電子開關(guān)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,處于關(guān)合狀態(tài),流過(guò)正常的負(fù)荷電流;當(dāng)接到開斷指令后,快速開斷電流并將電流轉(zhuǎn)移到所述避雷器,使所述超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅,達(dá)到開斷直流電流的目的。
[0017]所述絕緣柵雙極型晶體管包括在N-襯底表面進(jìn)行低濃度的N-離子注入形成的襯底,形成在襯底表面的柵極氧化層,淀積在柵極氧化層上的多晶硅柵極,形成在柵極氧化層與N-襯底之間的p+阱區(qū)及位于p+阱區(qū)與柵極氧化層之間的N+阱區(qū),位于N-襯底下方的背面注入?yún)^(qū),位于注入?yún)^(qū)下方的集電極及位于柵極氧化層上方的發(fā)射極,柵極氧化層下方的N-型襯底上設(shè)有一個(gè)濃P型阱區(qū)。
[0018]所述避雷器為金屬氧化物避雷器,其具有非線性電阻的特性,用于能量吸收和暫態(tài)過(guò)電壓保護(hù);在正常運(yùn)行狀態(tài)下,其電阻很大,相當(dāng)于開路狀態(tài);當(dāng)所述超快速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)開斷后,將電流轉(zhuǎn)移到避雷器,因避雷器電阻隨著電流的增加而降低,從而可限制操作過(guò)電壓并吸收殘余能量。
[0019]所述金屬氧化物避雷器包括數(shù)節(jié)避雷器單元,避雷器單元包括絕緣套和法蘭;所述絕緣套為兩層,內(nèi)層為非瓷質(zhì)絕緣材料的絕緣筒,外層為硅橡膠復(fù)合材料的傘套,絕緣筒上設(shè)置有壓力釋放口,在壓力釋放口上裝配有密封件;所述法蘭與絕緣筒之間以膠裝連接。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果在于:
[0021]1.由于利用了超導(dǎo)材料高電流密度,低損耗特性,超導(dǎo)故障電流限制器可以降低高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的整體重量和體積,降低損耗,緩解過(guò)負(fù)荷和上更高電壓等級(jí);
[0022]2.超快速機(jī)械開關(guān)合閘時(shí)損耗小,耐壓,絕緣性能好,分閘速度快;
[0023]3.電力電子開關(guān)可斷流、速度快、體積小及模塊化設(shè)計(jì)易于成套;
[0024]4.在參數(shù)選擇上可綜合考慮不同元件的性價(jià)比,優(yōu)化配合;
[0025]5.避雷器的應(yīng)用可限制由電力電子開關(guān)開斷后所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓起到保護(hù)超導(dǎo)故障電流限制器、超高速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)的作用并吸收殘余能量;
[0026]6.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡可能地減少元器件,縮小體積,減少重量,提高可靠性;
[0027]7.采用了超導(dǎo)故障電流限制器可將短路電流限制在一定的水平,與無(wú)限流功能的機(jī)電一體化高壓直流斷路器相比,新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器不但可減小超快速機(jī)械開關(guān)、電力電子開關(guān)和避雷器的工作負(fù)荷、額定容量、體積、重量和造價(jià),而且可提高其開斷容量;
[0028]8.高壓直流超導(dǎo)限流斷路器不僅可用于高壓直流系統(tǒng),做適當(dāng)?shù)母脑煲部捎糜诟邏航涣飨到y(tǒng),如故障電流限制器、電源快速切換裝置、快速旁路裝置等。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是高壓超導(dǎo)限流直流斷路器電氣示意圖;
[0030]圖2是高壓超導(dǎo)限流直流斷路器開斷方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0032]本發(fā)明創(chuàng)造的目的是利用現(xiàn)有商業(yè)化超導(dǎo)材料,探索新型超導(dǎo)開關(guān)技術(shù),開拓超導(dǎo)在直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用。目標(biāo)是發(fā)明一種超導(dǎo)與其他先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器,它不僅能滿足直流斷路器的基本要求,而且有能力在短路電流上升階段(數(shù)十微秒內(nèi))就將其加以限制,使短路電流對(duì)系統(tǒng)的影響和損壞最大限度地減低;同時(shí)簡(jiǎn)化控制,集檢測(cè)、觸發(fā)、限流、開斷、隔離功能于一身。期望造價(jià)可與ABB的混合式直流斷路器相當(dāng),但其短路開斷能力可以做到比ABB的混合式直流斷路器的短路開斷能力大。進(jìn)而也將為未來(lái)高壓斷路器產(chǎn)品的研發(fā)開辟新的途徑。
[0033]新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的設(shè)計(jì)理念與現(xiàn)有高壓直流斷路器有所不同,它具有直接開斷短路電流的能力。它與純電力電子直流斷路器相比,因不需大量的電力電子元件,其輸電損耗顯著減少,由此解決了純電力電子斷路器通態(tài)損耗高、造價(jià)高和體積大的弊端。與ABB的混合式直流斷路器相比,在具有相同的開斷直流短路電流能力的條件下,新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器可節(jié)省由大量電力電子元件組成的主開斷回路,即大大減少對(duì)電力電子元件的需求,同時(shí)也簡(jiǎn)化了控制和保護(hù)設(shè)備,其造價(jià)和體積均顯著減少,同時(shí)因采用超導(dǎo)故障電流限制器,高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的短路開斷能力可以做到比ABB的混合式直流斷路器的短路開斷能力大。
[0034]本發(fā)明提供一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,如圖1,所述斷路器包括超快速開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器、電力電子開關(guān)和避雷器;所述超快速機(jī)械開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)依次串聯(lián)后,與避雷器相并聯(lián);如圖2,所述方法包括以下步驟:
[0035]步驟1:在高壓直流側(cè)發(fā)生短路故障,電流迅速上升達(dá)到超導(dǎo)故障電流限制器的臨界電流值,且電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)設(shè)定的開斷值時(shí),超導(dǎo)材料立即失超,阻抗急劇上升,將短路電流限制在設(shè)定的值,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出指令;
[0036]步驟2:超快速機(jī)械開關(guān)操作機(jī)構(gòu)立即動(dòng)作,以超快的剛分速度使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令;
[0037]步驟3:電力電子開關(guān)快速開斷短路電流,使超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅形成隔離斷口,超快速機(jī)械開關(guān)承受高電壓,超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)不承受聞電壓;
[0038]步驟4:當(dāng)超快速機(jī)械開關(guān)觸頭分離至最終分閘位置且避雷器中的電流衰減為零時(shí),高壓超導(dǎo)限流直流斷路器完成整個(gè)開斷過(guò)程,將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。
[0039]所述超快速機(jī)械開關(guān)包括觸頭、滅弧室和操作機(jī)構(gòu);超快速機(jī)械開關(guān)在額定電流時(shí)保持合閘,當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生故障,電流迅速上升,電流和電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)的開斷設(shè)定值時(shí),操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令,超快速機(jī)械開關(guān)觸頭繼續(xù)分離至最終分閘位置,在分離過(guò)程中,當(dāng)電力電子開關(guān)開斷后,超快速機(jī)械開關(guān)的電流過(guò)零,電弧熄滅形成隔離斷口,并承受額定電壓。
[0040]所述超快速機(jī)械開關(guān)的滅弧室設(shè)計(jì)需要滿足超快速分?jǐn)嗟囊?,同時(shí)具有耐受電弧和高壓的功能。操作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要滿足較大的操作功和較高的剛分速度以保證超快速開斷的要求。
[0041]所述超快速機(jī)械開關(guān)采用利用電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械快速開關(guān),或機(jī)械快速開關(guān)與觸發(fā)間隙組成的快速混合開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的超快速機(jī)械開關(guān)。
[0042]所述超導(dǎo)故障電流限制器利用超導(dǎo)材料阻抗的非線性特性進(jìn)行限流;在正常運(yùn)行狀態(tài)下,超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài),具有零阻抗特性;當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),電流迅速上升達(dá)到超導(dǎo)故障電流限制器的臨界電流值,且電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)的開斷設(shè)定值時(shí),電流的沖擊使超導(dǎo)材料失超,其阻抗急遽上升,在短路電流上升階段(數(shù)十微秒級(jí))將其加以限制,使阻抗不能達(dá)到預(yù)期峰值,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令。由于利用了超導(dǎo)材料高電流密度,低損耗特性,超導(dǎo)故障電流限制器可以降低新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的整體重量和體積,降低損耗,緩解過(guò)負(fù)荷和上更高電壓等級(jí)。
[0043]所述電力電子開關(guān)由至少兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate BipolarTransistor-1GBT)或碳化硅電力電子元件串聯(lián)而成;絕緣柵雙極型晶體管的尺寸和碳化硅電力電子元件的個(gè)數(shù)分別根據(jù)其額定電壓和電流確定。
[0044]所述電力電子開關(guān)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,處于關(guān)合狀態(tài),流過(guò)正常的負(fù)荷電流;當(dāng)接到開斷指令后,快速開斷電流并將電流轉(zhuǎn)移到所述避雷器,使所述超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅,達(dá)到開斷直流電流的目的。
[0045]所述絕緣柵雙極型晶體管包括在N-襯底表面進(jìn)行低濃度的N-離子注入形成的襯底,形成在襯底表面的柵極氧化層,淀積在柵極氧化層上的多晶硅柵極,形成在柵極氧化層與N-襯底之間的p+阱區(qū)及位于p+阱區(qū)與柵極氧化層之間的N+阱區(qū),位于N-襯底下方的背面注入?yún)^(qū),位于注入?yún)^(qū)下方的集電極及位于柵極氧化層上方的發(fā)射極,柵極氧化層下方的N-型襯底上設(shè)有一個(gè)濃P型阱區(qū)。
[0046]所述避雷器為金屬氧化物避雷器,其具有非線性電阻的特性,用于能量吸收和暫態(tài)過(guò)電壓保護(hù);在正常運(yùn)行狀態(tài)下,其電阻很大,相當(dāng)于開路狀態(tài);當(dāng)所述超快速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)開斷后,將電流轉(zhuǎn)移到避雷器,因避雷器電阻隨著電流的增加而降低,從而可限制操作過(guò)電壓并吸收殘余能量。
[0047]所述金屬氧化物避雷器包括數(shù)節(jié)避雷器單元,避雷器單元包括絕緣套和法蘭;所述絕緣套為兩層,內(nèi)層為非瓷質(zhì)絕緣材料的絕緣筒,外層為硅橡膠復(fù)合材料的傘套,絕緣筒上設(shè)置有壓力釋放口,在壓力釋放口上裝配有密封件;所述法蘭與絕緣筒之間以膠裝連接。
[0048]新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的結(jié)構(gòu)特征是能夠在高壓直流側(cè)發(fā)生短路故障,電流迅速上升達(dá)到超導(dǎo)故障電流限制器的臨界電流值和電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)設(shè)定的開斷值時(shí),超導(dǎo)材料立即失超,阻抗急劇上升,將短路電流限制在設(shè)定的值,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出指令,超快速機(jī)械開關(guān)操作機(jī)構(gòu)立即動(dòng)作,以超快速的剛分速度使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令。電力電子開關(guān)快速開斷短路電流,使超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅形成隔離斷口,因而超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)不承受高電壓。當(dāng)超快速機(jī)械開關(guān)觸頭分離至最終分閘位置且避雷器中的電流衰減為零時(shí),新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器完成整個(gè)開斷過(guò)程,將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。避雷器的應(yīng)用可限制由電力電子開關(guān)開斷后所產(chǎn)生的暫態(tài)過(guò)電壓起到保護(hù)超導(dǎo)故障電流限制器、超高速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)的作用并吸收殘余能量。因采用了超導(dǎo)故障電流限制器可將短路電流限制在一定的水平,與無(wú)限流功能的機(jī)電一體化高壓直流斷路器相比,新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器不但可減小超快速機(jī)械開關(guān)、電力電子開關(guān)和避雷器的工作負(fù)荷、額定容量、體積、重量和造價(jià),而且可提高其開斷容量。
[0049]本發(fā)明以超導(dǎo)限流器、超快速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)為核心器件,提出新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器設(shè)計(jì)方案。與2012年11月ABB公布的最新研發(fā)的混合式直流斷路器相比,在具有相同的開斷直流短路電流能力的條件下,高壓超導(dǎo)直流斷路器可節(jié)省由大量電力電子元件組成的主開斷回路,即大大減少對(duì)電力電子元件的需求,從而不但可大量降低造價(jià)和成本,并且可減小設(shè)備的尺寸,但因增加了超導(dǎo)限流器,預(yù)計(jì)其造價(jià)和成本與ABB的混合式直流斷路器相當(dāng),但其尺寸會(huì)較小,控制和保護(hù)會(huì)大大簡(jiǎn)化。因采用了超導(dǎo)限流的功能,高壓直流超導(dǎo)限流斷路器的短路開斷能力可以做到比ABB的混合式直流斷路器的短路開斷能力大。本發(fā)明可解決多端高壓直流發(fā)展的瓶頸,適應(yīng)于特高壓、大直流短路電流的系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上,后續(xù)研究可容易形成系列智能開關(guān)產(chǎn)品及成套裝置,在電力系統(tǒng)推廣應(yīng)用,顯著提升電網(wǎng)控制及保護(hù)水平。
[0050]標(biāo)準(zhǔn)單元模塊設(shè)計(jì)的電力電子開關(guān)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以根據(jù)系統(tǒng)所需的額定電壓、額定電流和額定短路開斷電流,通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)或串并聯(lián)組成。此外,新型高壓直流超導(dǎo)限流斷路器不僅可用于高壓直流系統(tǒng),做適當(dāng)?shù)母脑煲部捎糜诟邏航涣飨到y(tǒng),如故障電流限制器、電源快速切換裝置、快速旁路裝置等。
[0051]據(jù)預(yù)測(cè),未來(lái)五年間世界范圍內(nèi)柔性直流輸電的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到1000億元以上,柔性直流工程以每年近10條的速度增加;國(guó)內(nèi)的柔性直流輸電市場(chǎng)容量將達(dá)到200MW/年的平均增長(zhǎng)速度,至2015年柔性直流輸電設(shè)備投資將超過(guò)20億元人民幣。這些工程的建設(shè)項(xiàng)目對(duì)為高壓直流斷路器的研制發(fā)展提出了較大的需求要求,也帶來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。預(yù)計(jì)未來(lái)5年,國(guó)內(nèi)外在直流斷路器方面的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值每年將增長(zhǎng)數(shù)十億元人民幣。
[0052]最后應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是:以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制,盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:依然可以對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行修改或者等同替換,而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換,其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述斷路器包括超快速開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器、電力電子開關(guān)和避雷器;所述超快速機(jī)械開關(guān)、超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)依次串聯(lián)后,與避雷器相并聯(lián);所述方法包括以下步驟: 步驟1:在高壓直流側(cè)發(fā)生短路故障,電流和電流上升陡度迅速上升且達(dá)到相應(yīng)的設(shè)定開斷值時(shí),超導(dǎo)材料立即失超,阻抗急劇上升,將短路電流限制在設(shè)定值內(nèi),同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出指令; 步驟2:超快速機(jī)械開關(guān)操作機(jī)構(gòu)立即動(dòng)作,以超快的剛分速度使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令; 步驟3:電力電子開關(guān)快速開斷短路電流,使超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅形成隔離斷口,超快速機(jī)械開關(guān)承受高電壓,超導(dǎo)故障電流限制器和電力電子開關(guān)不承受高電壓; 步驟4:當(dāng)超快速機(jī)械開關(guān)觸頭分離至最終分閘位置且避雷器中的電流衰減為零時(shí),高壓超導(dǎo)限流直流斷路器完成整個(gè)開斷過(guò)程,將高壓直流輸電電網(wǎng)與故障線路隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述超快速機(jī)械開關(guān)包括觸頭、滅弧室和操作機(jī)構(gòu);超快速機(jī)械開關(guān)在額定電流時(shí)保持合閘,當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),電流迅速上升,當(dāng)電流和電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)的開斷設(shè)定值時(shí),超導(dǎo)故障電流限制器的超導(dǎo)材料失超并給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令,超快速機(jī)械開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)動(dòng)作使觸頭分離,形成物理間隙并產(chǎn)生電弧,隨即給電力電子開關(guān)發(fā)出開斷指令,超快速機(jī)械開關(guān)觸頭繼續(xù)分離至最終分閘位置,在分離過(guò)程中,當(dāng)電力電子開關(guān)開斷后,超快速機(jī)械開關(guān)的電流過(guò)零,電弧熄滅形成隔離斷口,并承受額定電壓。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述超快速機(jī)械開關(guān)采用利用電磁斥力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械快速開關(guān),或機(jī)械快速開關(guān)與觸發(fā)間隙組成的快速混合開關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)的快速機(jī)械開關(guān)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述超導(dǎo)故障電流限制器利用超導(dǎo)材料阻抗的非線性特性進(jìn)行限流;在正常運(yùn)行狀態(tài)下,超導(dǎo)材料處于超導(dǎo)狀態(tài),具有零阻抗特性;當(dāng)高壓直流側(cè)發(fā)生故障時(shí),電流迅速上升達(dá)到超導(dǎo)故障電流限制器的臨界電流值,且電流上升陡度達(dá)到相應(yīng)的開斷設(shè)定值時(shí),電流的沖擊使超導(dǎo)材料失超,其阻抗急遽上升,在短路電流上升階段將其加以限制,同時(shí)給超快速機(jī)械開關(guān)發(fā)出開斷指令。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述電力電子開關(guān)由至少兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管或碳化硅電力電子元件串聯(lián)而成;絕緣柵雙極型晶體管的尺寸和個(gè)數(shù)或碳化硅電力電子元件的個(gè)數(shù)分別根據(jù)其額定電壓和電流確定。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述電力電子開關(guān)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,處于關(guān)合狀態(tài), 流過(guò)正常的負(fù)荷電流;當(dāng)接到開斷指令后,快速開斷電流并將電流轉(zhuǎn)移到所述避雷器,使所述超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅,達(dá)到開斷直流電流的目的。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述絕緣柵雙極型晶體管包括在N-襯底表面進(jìn)行低濃度的N-離子注入形成的襯底,形成在襯底表面的柵極氧化層,淀積在柵極氧化層上的多晶硅柵極,形成在柵極氧化層與N-襯底之間的P+阱區(qū)及位于P+阱區(qū)與柵極氧化層之間的N+阱區(qū),位于N-襯底下方的背面注入?yún)^(qū),位于注入?yún)^(qū)下方的集電極及位于柵極氧化層上方的發(fā)射極,柵極氧化層下方的N-型襯底上設(shè)有一個(gè)濃P型阱區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器,其特征在于:所述電力電子開關(guān)在正常運(yùn)行狀態(tài)下,處于關(guān)合狀態(tài),流過(guò)正常的負(fù)荷電流;當(dāng)接到開斷指令后,快速開斷電流并將電流轉(zhuǎn)移到所述避雷器,使所述超快速機(jī)械開關(guān)觸頭間的電弧熄滅,達(dá)到開斷直流電流的目的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述避雷器為金屬氧化物避雷器,其具有非線性電阻的特性,用于能量吸收和暫態(tài)過(guò)電壓保護(hù);在正常運(yùn)行狀態(tài)下,其電阻很大,相當(dāng)于開路狀態(tài);當(dāng)所述超快速機(jī)械開關(guān)和電力電子開關(guān)開斷后,將電流轉(zhuǎn)移到避雷器,因避雷器電阻隨著電流的增加而降低,從而可限制操作過(guò)電壓并吸收殘余能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高壓超導(dǎo)限流直流斷路器的開斷方法,其特征在于:所述金屬氧化物避雷器包括數(shù)節(jié)避雷器單元,避雷器單元包括絕緣套和法蘭;所述絕緣套為兩層,內(nèi)層為非瓷質(zhì)絕緣材料的絕緣筒,外層為硅橡膠復(fù)合材料的傘套,絕緣筒上設(shè)置有壓力釋放口,在壓力釋放口上裝配有`密封件;所述法蘭與絕緣筒之間以膠裝連接。
【文檔編號(hào)】H02H7/28GK103633631SQ201310484789
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】馬釗, 安婷, 邱宇峰 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 國(guó)網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院