Limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado y procedimiento de control del limitador de corriente pérdida.

Un limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado,

que comprende un imán

superconductor (2), un sistema de reactancia que es un núcleo de hierro (4) y un bobinado de CA (5), un sistema decriostato (9), un sistema de vigilancia (7) que incluye un inductor mutuo de potencia (8) en una red eléctrica (1), yque comprende adicionalmente un sistema de control de CC (6);

en el que el sistema de control de CC (6) está conectado al imán superconductor (2) en ambos extremos, e incluyeun módulo de alimentación de CC (61) que tiene un terminal de salida; un módulo de absorción de energíamagnética (62) conectado con el terminal de salida del módulo de alimentación de CC (61)caracterizado porque el sistema de control de CC (6) está conectado con el sistema de vigilancia (7) a través de uncable de datos; y

el núcleo de hierro (4) del sistema de reactancia adopta la estructura del núcleo de hierro con una seccióntransversal desigual,

en el que el módulo de absorción de energía magnética (62) consiste en una rama de absorción (621) y una rama decorriente de continuación (622); en el que la rama de absorción (621) está conectada con el imán superconductor (2)en serie, en la que la corriente fluye en un solo sentido; y en el que la rama de corriente de continuación (622) estáconectada en paralelo con el circuito en serie que consiste en la rama de absorción (621) y el imán superconductor(2), y su corriente fluye en un sentido opuesto al de la rama de absorción (621);

y en el que el sistema de control de CC (6) incluye adicionalmente un módulo de control (63), que conecta con laslíneas de datos de estado de los conmutadores de potencia electrónicos controlables (Q1, Q2, Q3) en el módulo dealimentación de CC (61) y el módulo de absorción de energía magnética (62) a través de líneas de señal, y con elinductor mutuo de potencia (8) en la red eléctrica (1) a través del sistema de vigilancia (7), y que recibe señales demedición eléctricas del inductor mutuo de potencia (8) en la red eléctrica (1), y el sistema de control identifica elestado de funcionamiento de la red eléctrica (1) y controla el estado de funcionamiento del módulo de alimentaciónde CC (61) y el módulo de absorción de energía magnética (62).

Limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado y procedimiento de control del limitador de corriente de pérdida. 5

Campo de la invención Esta invención se refiere a un limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado, que tiene un imán superconductor, un sistema de reactancia que es un núcleo de hierro y un bobinado de CA, un sistema de criostato, y un sistema de vigilancia, e incluye adicionalmente un sistema de control de CC. El sistema de control de CC está conectado al imán superconductor en ambos extremos, y está conectado al sistema de vigilancia a través de un cable de datos. El núcleo de hierro del sistema de reactancia adopta la estructura del núcleo de hierro con una sección transversal desigual. Esta invención puede regular automáticamente la magnitud de la corriente en el imán superconductor durante el funcionamiento estable de las líneas de la red eléctrica protegida, y puede identificar

automáticamente la pérdida cuando tiene lugar un cortocircuito en las posiciones de la red eléctrica protegida. Puede mejorar en gran medida la eficacia de la limitación de corriente del limitador de corriente cortando la corriente en el imán superconductor de tal forma que todos los núcleos de hierro del limitador se acoplen al limitar la corriente de pérdida en la red eléctrica. Al mismo tiempo, reduce el efecto de fuga magnética en los núcleos de hierro variando la estructura, la forma y el tamaño de los núcleos de hierro para redistribuir el potencial magnético sobre los núcleos de hierro. En el caso de que el campo magnético de excitación permanezca inalterado o en descenso, puede realizarse la saturación designada de los núcleos de hierro.

La presente invención se aplica principalmente para la protección de la corriente de cortocircuito en la transmisión de potencia, redes de distribución y aparatos de potencia, especialmente para la protección de la corriente de cortocircuito en redes con alta tensión o tensión súper alta.

Antecedentes de la invención Con el desarrollo de la tecnología de superconductores, resulta factible instalar limitadores de corriente de pérdida superconductores en una red eléctrica usados para limitar la corriente de cortocircuito. En la actualidad, entre todos los tipos de limitadores de corriente de pérdida superconductores desarrollados por todo el mundo, el limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado es el más deseable debido a las siguientes propiedades: incorporación de detección, iniciación de la acción limitante y limitación de corriente juntos, y no hay interrupción de la superconductividad en el proceso de limitación de la corriente.

El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado tradicional consiste en cuatro partes: un grupo de núcleos de hierro, un bobinado de CA, un imán superconductor (concretamente un bobinado superconductor) , y una fuente de alimentación de corriente continua (CC) . El imán superconductor proporciona excitación para dos núcleos de hierro paralelos. Dos bobinas de CA conectadas en serie se enrollan sobre dos núcleos de hierro respectivamente para cancelar los campos magnéticos generados en la columna central para minimizar el efecto de la tensión de conductancia de CA en los bobinados superconductores de CC. Cuando el limitador de corriente funciona con normalidad, la excitación de CC hace que los núcleos de hierro estén en la saturación profunda. Los núcleos de hierro producen una pequeña impedancia inductora en el bobinado de CA para que no tenga efecto en la red eléctrica. En el estado de la limitación de corriente de pérdida, la corriente de 45 cortocircuito súper alta acciona un núcleo de hierro fuera de saturación en una semi-onda y el campo magnético en el otro núcleo de hierro aumenta para realizar la limitación de corriente mediante un solo núcleo de hierro (el reactor en el estado de magnetismo mejorado no se acopla en la limitación de la corriente) . Esto se denomina limitación de corriente de pérdida pasiva. Aunque la limitación de corriente de pérdida pasiva puede de hecho limitar la corriente de pérdida, tiene los siguientes obvios inconvenientes: 1) no utiliza completamente cada uno de los núcleos de 50 hierro para limitar la corriente de pérdida, por lo tanto demanda núcleos de hierro más pesados y un mayor tamaño del bobinado de CA para producir los efectos de limitación de la corriente deseados; 2) el lado de CC tiene que someterse a tensión de alta inducción durante el estado de limitación de la corriente de pérdida; y 3) la fuente de alimentación de CC debe ser una fuente de alimentación constante. De lo contrario, la eficacia de la limitación de corriente se reduciría si hay interferencia en la fuente de alimentación.

Además, para los limitadores de corriente de pérdida superconductores en una red de alta tensión, los bobinados de CA están en un nivel de alta tensión, mientras que los núcleos de hierro y los imanes superconductores están en un nivel de baja tensión. Se requieren distancias de aislamiento de seguridad entre los bobinados de CA, entre los bobinados de CA y los núcleos de hierro, y entre los imanes superconductores. Por este motivo, se adopta en general, la estructura de acoplamiento flexible mostrada en la figura 5, es decir, un imán superconductor 2 y el bobinado de CA 5 están en postes del núcleo de hierro diferentes de la misma ventana de los núcleos de hierro. Ya que los núcleos de hierro funcionan en el segmento no lineal de la curva de magnetización B-H de los materiales del núcleo de hierro durante cierto periodo de tiempo, o en todo momento, esto entra en el intervalo de saturación o 5 saturación profunda. Por lo tanto, en la estructura de acoplamiento flexible, la fuga magnética es inevitable. Este fenómeno se agrava según aumenta el grado de saturación. La figura 6 muestra el diagrama esquemático de la excitación del núcleo de hierro de forma rectangular de la técnica anterior. La parte del núcleo de hierro enrollada por el imán superconductor 2 se denomina como un segmento de excitación 41. La parte del núcleo de hierro enrollada por el bobinado de CA 5 se denomina como un segmento de trabajo 42. La otra parte conectada con el 10 segmento de excitación 41 y el segmento de trabajo 42 se denomina como un segmento de conducción 43. Cuando la corriente de excitación en el imán superconductor 2 es baja, el campo magnético en los núcleos de hierro es débil. Los núcleos de hierro están en el estado insaturado, con menor flujo de fuga magnética. El flujo magnético en el segmento de trabajo 42 y el segmento de excitación 41 son aproximadamente iguales. Si la corriente de excitación aumenta, la fuga magnética aumenta. Ya que la fuga magnética aumenta, la proporción del potencial magnético en el segmento de excitación 41 con respecto al potencial magnético total producido por los bobinados también aumenta. Como resultado, el potencial magnético en el segmento de trabajo 42 se reduce con respecto al del segmento de excitación 41. Es necesario aumentar la corriente de excitación para alcanzar cierto grado de saturación, y es difícil alcanzar cierto grado de saturación incluso con un aumento de la corriente de excitación.

El documento WO 2007/029224A1 desvela un limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado que comprende un imán superconductor 34, un sistema de reactancia que es un núcleo de hierro 30 y un bobinado de CA 35, un sistema de criostato y un sistema de vigilancia que incluye un medio de detección de tensión. El limitador de corriente de pérdida incluye adicionalmente un sistema de control de CC conectado al imán superconductor en ambos extremos, y está conectado con el medio de detección de tensión. El documento también desvela un procedimiento de control correspondiente para el limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado.

En consecuencia, el limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado tradicional se ha considerado como una tecnología de limitación de corriente con mayor coste, mayor peso y la tecnología de la fuente de alimentación requerida es más difícil de aplicar y no es práctica en realidad.

Resumen de la invención El objetivo de esta invención es superar las deficiencias e inconvenientes de las tecnologías existentes. Se proporcionan un limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado y su procedimiento de control. La tecnología del control electrónico de la potencia se usa para convertir la limitación de corriente pasiva en limitación de corriente activa. Al mismo tiempo, el efecto de la fuga magnética en los núcleos de hierro se reduce variando la estructura,... [Seguir leyendo]

1. Un limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado, que comprende un imán superconductor (2) , un sistema de reactancia que es un núcleo de hierro (4) y un bobinado de CA (5) , un sistema de criostato (9) , un sistema de vigilancia (7) que incluye un inductor mutuo de potencia (8) en una red eléctrica (1) , y que comprende adicionalmente un sistema de control de CC (6) ;

en el que el sistema de control de CC (6) está conectado al imán superconductor (2) en ambos extremos, e incluye un módulo de alimentación de CC (61) que tiene un terminal de salida; un módulo de absorción de energía magnética (62) conectado con el terminal de salida del módulo de alimentación de CC (61)

caracterizado porque el sistema de control de CC (6) está conectado con el sistema de vigilancia (7) a través de un cable de datos; y

el núcleo de hierro (4) del sistema de reactancia adopta la estructura del núcleo de hierro con una sección transversal desigual,

en el que el módulo de absorción de energía magnética (62) consiste en una rama de absorción (621) y una rama de corriente de continuación (622) ; en el que la rama de absorción (621) está conectada con el imán superconductor (2)

en serie, en la que la corriente fluye en un solo sentido; y en el que la rama de corriente de continuación (622) está conectada en paralelo con el circuito en serie que consiste en la rama de absorción (621) y el imán superconductor (2) , y su corriente fluye en un sentido opuesto al de la rama de absorción (621) ;

y en el que el sistema de control de CC (6) incluye adicionalmente un módulo de control (63) , que conecta con las líneas de datos de estado de los conmutadores de potencia electrónicos controlables (Q1, Q2, Q3) en el módulo de alimentación de CC (61) y el módulo de absorción de energía magnética (62) a través de líneas de señal, y con el inductor mutuo de potencia (8) en la red eléctrica (1) a través del sistema de vigilancia (7) , y que recibe señales de medición eléctricas del inductor mutuo de potencia (8) en la red eléctrica (1) , y el sistema de control identifica el estado de funcionamiento de la red eléctrica (1) y controla el estado de funcionamiento del módulo de alimentación de CC (61) y el módulo de absorción de energía magnética (62) .

2. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la fuente de alimentación de CC en el módulo de alimentación de CC es la fuente de alimentación de CC proporcionada por la rectificación de una CA monofásica o trifásica, o la fuente de alimentación de CC proporcionada por baterías secas o baterías secundarias.

3. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 2, en el que la fuente de alimentación de CC proporcionada por la rectificación de una CA monofásica o trifásica incluye uno o más conmutadores de potencia electrónicos controlables (Q1, Q2, Q3) que se usan para 40 realizar tensión de salida controlable y una corriente de salida constante regulable.

4. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la rama de absorción (621) consiste en conmutadores de potencia electrónicos controlables (Q2) que están conectados en paralelo con elementos absorbentes de energía magnética (Rm) .

5. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 3 4, en el que los conmutadores de potencia electrónicos controlables (Q1, Q2, Q3) se seleccionan entre uno de transistores bipolares de puerta aislada IGBT, tiristor controlado por puerta integrada IGCT y tiristores desactivados por compuerta GTO.

6. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 4, en el que los elementos absorbentes de energía magnética (Rm) son uno o una combinación de algunos de un varistor de óxido metálico, un tubo de descarga de gas, un tubo de descarga de elementos sólidos (SDT) o un supresor de tensión transitoria.

7. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la rama de corriente de continuación (622) consiste en uno o más diodos.

8. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la

reivindicación 1,

en el que la estructura del núcleo de hierro con una sección transversal desigual es un núcleo de hierro con forma cerrada, que incluye un segmento de excitación (41) , un segmento de trabajo (42) y un segmento de conducción 5 (43) ;

la proporción del área de sección transversal del segmento de excitación (41) del núcleo de hierro con respecto a la del segmento de trabajo (42) del núcleo de hierro está entre 1, 01 y 10, y la proporción del área de sección transversal del segmento de excitación (41) del núcleo de hierro con respecto a la del segmento de conducción (43)

del núcleo de hierro está entre 1 y 10.

9. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el núcleo de hierro con forma cerrada es un anillo o un polígono.

10. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 9, en el que el número de lados en el núcleo de hierro del polígono es entre 4 y 20.

11. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el segmento de excitación (41) está rodeado por el imán superconductor (2) , el segmento de trabajo (42) está rodeado por bobinados de CA (5) , y el segmento de conducción (43) conecta el segmento de excitación (41) y el segmento de trabajo (42) .

12. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 8, en el que el área de sección transversal del segmento de conducción (43) del núcleo de hierro es 25 mayor que la del segmento de trabajo (42) del núcleo de hierro, y menor o igual que la del segmento de excitación (41) del núcleo de hierro.

13. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 8, en el que la forma de la sección transversal del poste del núcleo de hierro del segmento de excitación (41) es diferente a la del poste del núcleo de hierro del segmento de trabajo (42) ;

2~6 postes del núcleo de hierro de dicho segmento de excitación (41) se montan de forma compacta en una 35 columna central ensamblada alrededor del centro sobre 360º;

se proporciona una placa de aislamiento ensamblada entre cada dos postes del núcleo de hierro del segmento de excitación (41) ;

el contorno exterior de la sección de la columna central ensamblada tiene una cualquiera de las siguientes formas: circular, elipsoidal, de pista y rectangular, o similares.

14. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 13, en el que en la forma en sección transversal del poste del núcleo de hierro del segmento de 45 excitación (41) , un arco circular (411) del contorno exterior de la sección de la columna central ensamblada se sitúa en el lado interno del núcleo de hierro de forma rectangular; una forma de cuña (412) se forma en el lado exterior del núcleo de hierro de forma rectangular; los otros dos lados son lados rectos paralelos (413, 414) .

15. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la 50 reivindicación 14, en el que el ángulo del vértice de la forma de cuña (412) es 60º, 90º, 120º o 180º.

16. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el imán superconductor (2) está conectado en paralelo con un bobinado de cierre de tensión (11) .

17. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la bobina de cierre de tensión (11) es un bobinado individual de cobre, aluminio o plata o una sola resistencia, o es una bobina de cobre/aluminio conectada con una resistencia en serie.

18. El limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con la reivindicación 16, en el que la proporción entre el número de vueltas del imán superconductor (2) y la de la bobina de cierre de tensión (11) es igual a o más de 20.

19. Un procedimiento de control para el limitador de corriente de pérdida superconductor de núcleo saturado de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye las siguientes etapas:

1) el módulo de control (63) identifica el estado de funcionamiento de la red eléctrica mediante el procesamiento de señales de medición eléctricas recibidas del inductor mutuo de potencia (8) en la red eléctrica; los estados de funcionamiento incluyen: estado de funcionamiento normal, estado de cortocircuito y estado de recuperación de falla de cortocircuito;

2) cuando el módulo de control identifica que la red eléctrica funciona en el estado de funcionamiento normal, controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables del módulo de absorción de energía magnética (62)

para ajustarlo en un estado de absorción de energía no magnética; también controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables del módulo de alimentación de CC (61) para ajustarlo en el estado de salida de CC constante de baja tensión;

3) cuando el módulo de alimentación de CC (61) está en el estado de salida de CC constante de baja tensión, el

módulo de control (63) regula la magnitud de la corriente en el imán superconductor (2) de manera que corresponda a la carga de la red eléctrica, de acuerdo con la cantidad de carga de la red eléctrica; después se regresa a la etapa 1) ; este ciclo se mantendrá hasta que el estado de funcionamiento de la red eléctrica cambie;

4) cuando el módulo de control (63) identifica que la red eléctrica está en el estado de cortocircuito, controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables en el módulo de absorción de energía magnética para ajustarlo en el estado de absorción de energía magnética; también controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables del módulo de alimentación de CC para interrumpir su salida de CC; después se regresa a la etapa 1) ; este ciclo se mantendrá hasta que el estado de funcionamiento de la red eléctrica cambie;

5) cuando el módulo de control identifica que la red eléctrica está en el estado de recuperación de falla, controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables en el módulo de absorción de energía magnética (62) para ajustarlo en el estado de absorción de energía no magnética; también controla los conmutadores de potencia electrónicos controlables del módulo de alimentación de CC (61) para ajustarlo en el estado de salida de CC de alta tensión; después se regresa a la etapa 1) ; este ciclo se mantendrá hasta que el estado de funcionamiento de la red

eléctrica cambie.