CN113612192B - 一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，系统发生故障时，获取超导限流器中部分超导带材失超电阻上升率K₀，比较K₀和阈值Y大小，若K₀>Y，则据K‑t对照表，选取充电时间t₀；反之，则使电流集中于单超导线圈上，获取该线圈失超电阻上升率K₁，并选取t₁；而后导通IGBT组，利用失超电压对电容充电，完成后，触发反向电流提供支路产生反向电流，与流经真空开关电流叠加产生过零点，开断故障电流；吸能支路吸收残余能量；最后若无重合闸指令，则流程结束；反之，真空开关合闸，据故障是否消除，判断重复上述流程或结束流程。本发明解决了强迫过零式真空直流断路器小电流开断难的问题，并具备自动重合闸能力。

Description

一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法

技术领域

本发明涉及超导应用与直流开断技术领域，具体涉及一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法。

背景技术

高压柔性直流电网能够可靠实现远距离、大容量、高效率的电能传输，是远海可再生能源消纳的关键技术之一。然而，直流侧故障切除手段是高压柔性直流输电网络电网的建设的难点。一方面直流电流无自然过零点，设备无法借助电流自然零点分断电路，系统电感中存储的几个兆焦到几十兆焦的能量都要通过高压直流断路器释放。另一方面，高压直流系统中短路故障电流上升率高，可达几千安每毫秒，高压直流断路器需要在几个毫秒内开断十余千安的直流短路电流。电阻型超导限流器在电网输电时呈现低阻抗，电网发生短路故障时迅速转换为高阻抗，有效限制短路电流，限流后又能及时自动恢复低阻抗状态，其故障响应时间为几个毫秒，限流深度可达80％以上，具有优异的发展前景。目前电阻型超导限流器已经在南澳160kV多端直流电网中挂网运行。

强迫过零式高压真空直流断路器通过在真空灭弧室中注入反向电流，人工创造电流过零点来开断高压直流电路。该技术可靠开断的关键要素在于电流过零后断口间隙较低的等离子体密度。电流过零后的等离子体密度与电流零点时刻的电流变化率di/dt存在密切关系，强迫过零式高压真空直流断路器难以耐受较高的di/dt。然而，对于任意故障电流，人工注入的反向电流幅值总是固定的。开断小电流时，较大的电流幅值落差将导致过零时刻较高的di/dt，开断失败。因此，强迫过零式高压真空直流断路器面临开断小电流困难的问题。另一方面，由于谐振电容需要预充电，因而通常需要两套电容及其充放电设备以满足高压直流电网重合闸需求，增加的设备显著增大了强迫过零式高压真空直流断路器的成本和体积。

针对上述问题，本专利利用超导带材失超时带材两端电阻对谐振电容进行自动充电，省去预充电步骤，高压电容即充即用，不长期带电，能够可靠满足重合闸需求，提升电容使用寿命。同时，利用超导带材在不同电流冲击下所表现出的不同失超特性，将故障电流信息耦合到强迫过零式高压真空直流断路器中谐振电容的充电电压上，从而实现对于任意大小的故障电流，所注入的反向电流总是跟与故障电流近似，从而降低电流零点时的di/dt，大幅度提高强迫过零式高压真空直流断路器开断可靠性，解决了小电流难以开断的难点。

现存的类似的专利有：借助限流设备电压充电方式的气体直流断路器及工作方法，公开号：CN111817274A。短路情况下，该专利借助限流元件感应电压给电容充电产生反向放电电流，与流过气体断路器的电流叠加产生过零点，实现电路开断。其中感应电压及反向放电电流大小随故障电流大小被动变化。额定、过载情况下，该专利采用气体断路器自激振荡原理实现电路开断。然而，该专利在开断短路电流时，未自动调制反向电流提供支路的电容充电电压，因为在开断较小的短路电流时，仍会提供极大的反向电流，造成过高的di/dt，导致开断失败。在较小的短路电流开断情况下可靠性较差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，利用超导带材在不同电流冲击下表现出的不同阻抗形式的特性，检测故障电流信息，并将其耦合到充电电压上。如此，对于任意大小的故障电流，所注入的反向电流总是与其近似的，电流过零点时的di/dt大幅降低，提高了强迫过零式真空直流断路器的开断可靠性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：

一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，所述直流开断方法适用的真空强迫过零直流断路器包括主通流支路、充电回路、反向电流提供支路和吸能支路；主通流支路由超导限流组分SFCL1，超导限流充电组分SFCL2和快速真空开关S串联组成，其中超导限流充电组分 SFCL2由若干个超导限流充电单元并联组成；充电回路并联在超导限流充电组分SFCL2两端，由充电限流电阻R，IGBT阀组和谐振电容C串联组成；反向电流提供支路并联在快速真空开关S两侧，与充电回路共用谐振电容 C，由晶闸管阀组VTS、谐振电感L和谐振电容C串联组成；吸能支路并联在超导限流充电组分SFCL2和真空开关S两端；

其特征在于，所述基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，包含以下步骤：

步骤1：当故障电流来临时，超导限流组分SFCL1与超导限流充电组分SFCL2响应失超，此时通过采集超导限流充电组分SFCL2的失超电压与电流获取超导限流充电组分SFCL2中超导带材的失超电阻上升率K₀；判断 K₀和阈值Y的大小关系，若K₀>Y，则说明所需开断的电流为短路电流，根据预制的K₀和充电时间t₀的对照表，找出与K₀对应的充电时间t₀，导通IGBT阀组，利用超导限流充电组分SFCL2的失超电压对反向电流提供支路中的谐振电容C进行充电；若K₀≤Y，则说明所需开断的电流为额定电流或过载电流，超导限流充电组分SFCL2中其余超导限流充电单元退出导电回路，使电流集中在其中一个超导限流充电单元中，该超导限流充电单元的超导线圈迅速失超；采集该超导限流充电单元的超导线圈失超电阻上升率 K₁；同样查对预置表格选择充电时间t₁，导通IGBT阀组，利用超导限流充电组分SFCL2中失超的超导限流充电单元的失超电压对谐振电容C进行充电；

步骤2：充电完成后，触发反向电流提供支路产生反向电流，与流过快速真空开关S的故障电流叠加产生电流过零点，从而开断故障电流；吸能支路负责吸收开断后的系统电感中的剩余能量；

步骤3：最后判断是否存在重合闸需求，若不存在，则流程结束；若存在，则使快速真空开关S合闸，检测故障是否消除，如果已消除，则流程结束；如果没有消除，则重复上述全部流程直到流程结束。

所述一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，利用超导限流充电组分SFCL2中超导带材在不同电流冲击下呈现不同阻抗形式的特性，检测故障电流信息，并将其耦合到真空强迫过零直流断路器中的反向电流提供支路的充电电压上，以控制反向放电电流大小。

所述一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，所述阈值Y作为判断故障电流是短路电流还是过载电流、额定电流的分界值，取值因超导带材种类而异。

所述一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，预制的K₀和充电时间t₀对照表以及K₁和充电时间t₁的对照表的制表依据如下：实验获取超导限流充电组分SFCL2中超导带材在不同短路电流条件下的阻抗相应特征，分析整理超导限流器失超特性，进行数学建模即公式(1)；将超导带材数学模型与系统故障电流数学模型即公式(2)、强迫过零式真空直流断路器数学模型即公式(3)耦合，结合电路特征，求解对应方程即公式(4)，获得不同故障电流模式下的充电时间t；

R_q＝K_q·t_s (1)

其中R_q为超导充电组分SFCL2的失超电阻，K_q为不同短路电流下的失超电阻上升率，t_s为短路电流持续的时间；

I_s＝K_s·t_s (2)

其中I_s为系统短路电流，K_s为系统短路电流上升率，t_s为短路电流持续的时间；

其中I_reverse为反向电流，U_c为反向电流提供之路中的电容电压，C和L为反向电流提供支路中的电容和电感值；

其中，K为协调系数。

与现有技术比，本发明达到的效果是：相比于现有的强迫过零式真空直流断路器开断方法与专利CN111817274A所提及的开断方法，本专利将故障电流信息耦合到电容充电电压上，实现对于任意大小的故障电流，所注入的反向电流总是与故障电流近似的，大幅降低了过零时刻的di/dt，增强了强迫过零式真空直流断路器的小电流开断能力；电容即充即用，不长期带电，提升了电容使用寿命，同时具备自动重合闸的能力提高了强迫过零式真空直流断路器的开断可靠性。

附图说明

图1为本发明一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法的流程图。

图2为本发明一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法的一种具体实施例。

具体实施方式

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。

如图2所示，为本发明的一种具体实施例。一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，所述直流开断方法适用的真空强迫过零式直流断路器包括主通流支路，充电回路，反向电流提供支路和吸能支路。主通流支路由超导限流组分SFCL1，超导限流充电组分 SFCL2，和快速真空开关S串联组成。其中超导限流充电组分SFCL2由若干个超导限流充电单元并联组成。充电回路并联在超导限流充电组分 SFCL2两端，由充电限流电阻R，IGBT阀组和谐振电容C串联组成。反向电流提供支路并联在快速真空开关S两侧，与充电回路共用谐振电容C，由晶闸管阀组VTS，谐振电感L，谐振电容C串联组成。吸能支路并联在超导限流充电组分SFCL2和真空开关S两端。

一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，包含以下步骤：

步骤1：当故障电流来临时，超导限流组分SFCL1与超导充电组分 SFCL2响应失超，此时通过采集超导限流充电组分SFCL2的失超电压与电流获取超导限流充电组分SFCL2中超导带材的失超电阻上升率K0。判断K0和阈 值Y的大小关系，若K0>Y，则说明所需开断的电流为短路电流，根据预制的K0和充电时间t0的对照表，找出与K0对应的充电时间t0，导通IGBT阀组，利用超导限流充电组分SFCL2的失超电压对反向电流提供支路中的谐振电容C进行充电；若K0≤Y，则说明所需开断的电流为额定电流或过载电流，超导限流充电组分SFCL2中其余单元退出导电回路，使电流集中在超导限流充电单元1中，超导限流充电单元1的超导线圈迅速失超。采集超导限流充电单元1的超导线圈失超电阻上升率K1。同样查对预置表格选择充电时间t1，导通IGBT组，利用超导限流充电组分SFCL2 中超导限流充电单元1的失超电压对谐振电容C进行充电。

步骤2：充电完成后，触发反向电流提供支路产生反向电流，与流过快速真空开关的故障电流叠加产生电流过零点，从而开断故障电流。吸能支路负责吸收开断后的系统电感中的剩余能量。

步骤3：最后判断是否存在重合闸需求，若不存在，则流程结束；若存在，则使快速真空开关合闸，检测故障是否消除，如果已消除，则流程结束；如果没有消除，则重复上述全部流程直到流程结束。

其中阈 值Y通过超导带材失超特性实验获取。失超电阻上升率与充电时间预制表获取方法如下：

失超初期，超导充电组分SFCL2失超电阻R_q可以用公式(1)表示

R_q＝K_q·t_s (1)

其中K_q为不同短路电流下的失超电阻上升率，t_s为短路电流持续的时间。直流系统故障电流I_s可以用公式(2)表示：

I_s＝K_s·t_s (2)

其中K_s为故障电流上升率，t_s为短路电流持续的时间。对于经典RC充电回路，当电容初始电压为0时，电容端任意时刻电压U_c为

其中U_s为电容充电电压。由于本专利采用超导带材断电也对谐振电容进行充电，故任意时刻，电容电压可以用公式(4)表示：

对于强迫过零式真空直流断路器，其反向电流大小与谐振电容电压可以用公式(5)表示：

联立公式4与公式5，可得到超导失超电阻上升率与充电时间的关系为

K为协调因数，可根据具体设计具体选择。通过求解方程(6)，即可获取失超电阻上升率与充电时间预制表，用于上述方法。

本发明通过上述工作过程，本发明解决了强迫过零式真空直流断路器小电流开断难的问题，并且具备自动重合闸的能力，提高了强迫过零式真空直流断路器的开断可靠性。

Claims (3)

1.一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，所述直流开断方法适用的真空强迫过零直流断路器包括主通流支路、充电回路、反向电流提供支路和吸能支路；主通流支路由超导限流组分SFCL1，超导限流充电组分SFCL2和快速真空开关S串联组成，其中超导限流充电组分SFCL2由若干个超导限流充电单元并联组成；充电回路并联在超导限流充电组分SFCL2两端，由充电限流电阻R，IGBT阀组和谐振电容C串联组成；反向电流提供支路并联在快速真空开关S两侧，与充电回路共用谐振电容C，由晶闸管阀组VTS、谐振电感L和谐振电容C串联组成；吸能支路并联在超导限流充电组分SFCL2和真空开关S两端；

其特征在于，所述基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，包含以下步骤：

步骤1：当故障电流来临时，超导限流组分SFCL1与超导限流充电组分SFCL2响应失超，此时通过采集超导限流充电组分SFCL2的失超电压与电流获取超导限流充电组分SFCL2中超导带材的失超电阻上升率K₀；判断K₀和阈值Y的大小关系，若K₀＞Y，则说明所需开断的电流为短路电流，根据预制的K₀和充电时间t₀的对照表，找出与K₀对应的充电时间t₀，导通IGBT阀组，利用超导限流充电组分SFCL2的失超电压对反向电流提供支路中的谐振电容C进行充电；若K₀≤Y，则说明所需开断的电流为额定电流或过载电流，超导限流充电组分SFCL2中其余超导限流充电单元退出导电回路，使电流集中在其中一个超导限流充电单元中，该超导限流充电单元的超导线圈迅速失超；采集该超导限流充电单元的超导线圈失超电阻上升率K₁；同样查对预置表格选择充电时间t₁，导通IGBT阀组，利用超导限流充电组分SFCL2中失超的超导限流充电单元的失超电压对谐振电容C进行充电；

步骤2：充电完成后，触发反向电流提供支路产生反向电流，与流过快速真空开关S的故障电流叠加产生电流过零点，从而开断故障电流；吸能支路负责吸收开断后的系统电感中的剩余能量；

步骤3：最后判断是否存在重合闸需求，若不存在，则流程结束；若存在，则使快速真空开关S合闸，检测故障是否消除，如果已消除，则流程结束；如果没有消除，则重复上述全部流程直到流程结束；

预制的K₀和充电时间t₀对照表以及K₁和充电时间t₁的对照表的制表依据如下：实验获取超导限流充电组分SFCL2中超导带材在不同短路电流条件下的阻抗相应特征，分析整理超导限流器失超特性，进行数学建模即公式(1)；将超导带材数学模型与系统故障电流数学模型即公式(2)、强迫过零式真空直流断路器数学模型即公式(3)耦合，结合电路特征，求解对应方程即公式(4)，获得不同故障电流模式下的充电时间t；

R_q＝K_q·t_s (1)

其中R_q为超导充电组分SFCL2的失超电阻，K_q为不同短路电流下的失超电阻上升率，t_s为短路电流持续的时间；

I_s＝K_s·t_s (2)

其中I_s为系统短路电流，K_s为系统短路电流上升率，t_s为短路电流持续的时间；

其中I_reverse为反向电流，U_c为反向电流提供之路中的电容电压，C和L为反向电流提供支路中的电容和电感值；

其中，K为协调系数。

2.根据权利要求1所述一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，利用超导限流充电组分SFCL2中超导带材在不同电流冲击下呈现不同阻抗形式的特性，检测故障电流信息，并将其耦合到真空强迫过零直流断路器中的反向电流提供支路的充电电压上，以控制反向放电电流大小。

3.根据权利要求1所述一种基于超导限流的自适应式真空强迫过零直流开断方法，其特征在于，所述阈值Y作为判断故障电流是短路电流还是过载电流、额定电流的分界值，取值因超导带材种类而异。

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