超導故障限流器應用分析

1、華北電力大學本科畢業(yè)設計（論文）摘 要電力系統(tǒng)容量增加的同時，電氣連接也變得更加緊密，不斷增大的電網短路電流，將可能超過斷路器的額定開斷容量，使得斷路器不能正常動作。傳統(tǒng)限制短路電流的方法是加裝限流電抗器，但這將給正常運行的系統(tǒng)帶來電壓降和功率損耗，且限流容量不足的問題也亟待解決?；谶@些問題，我們提出了超導故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)這一新型設備，將其接入電力系統(tǒng)中，當系統(tǒng)正常工作時，它處于超導態(tài)，電能損耗小，對電力系統(tǒng)正常運行無影響；一旦電網發(fā)生故障，SFCL失超，能夠在線路中產生大阻抗，快速有效地限制故障電流，是一種非常理想的限

2、流裝置。本文以電力系統(tǒng)的短路故障為切入點，簡要闡述了短路故障的成因、形式、危害及保護，基于此引出研究背景和意義，繼而提出限制短路電流的一種新型有效手段裝設超導故障限流器（SFCL），詳細闡明各類SFCL的結構、原理、優(yōu)缺點及應用，尤其通過Matlab的Simulink平臺模擬橋路式SFCL,得出穩(wěn)態(tài)與故障態(tài)波形；并在故障態(tài)的條件下與傳統(tǒng)限流器進行仿真比較，分析了橋路式SFCL與傳統(tǒng)限流器在正常與故障情況下線路、超導線圈與二極管流過的電流波形，歸納了經典橋路式SFCL的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)工作特性。相信隨著柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System)技術的發(fā)展，超導技術

3、與電力電子技術相結合，SFCL在輸配電網的應用研究必將成為21世紀電網技術發(fā)展的前沿課題之一。關鍵詞：超導故障限流器（SFCL），橋路型，短路電流，建模仿真ABSTRACTAs electric power systems grow and become much more interconnected, the constantly rising fault current levels of power grid may exceed the available circuit breaker interruption ratings which makes the breaker eas

4、ily get fault. Traditionally, to alleviate the cost of replacements of switchgears and buses, large resistors or series reactors have been used to limit the short circuit currents, so that the underrated switchgears can be operated safely. Unfortunately, resistors or reactors can cause power losses

5、and voltage drop under normal operating conditions,as well as its unaffordable capacity,which are eager to be worked out. Based on these problems, we put forward the Superconducting Fault Current Limiter, a new device, the access in the power system, when the system is running normally, it is in the

6、 superconducting state, small power loss, which influence the normal operation of power system tinily; Once the power grid failure, SFCL quenches, in a circuit can produce large impedance, quickly and efficiently to limit fault current, it is a kind of ideal current limiting device.Begin with the sh

7、ort circuit fault,this paper introduces its causes,types,harms,and its protections briefly,the background and significance which based on these.Then proposes a new measure which used to limit the fault current-add Superconducting fault current limiter(SFCL),and illustrates structures ,principles,adv

8、antages and disadvantages as well as the application of different types of SFCL,especially simulates the normal and fault state of the SFCL with a diode bridge by Simulink in the software Matlab.With basic supposes and equivalents, simulink simulated the current waves of load ,superconducting coil a

9、nd diode in SFCL system and traditional limiter system under the same system structure during normal and fault states， concluded the normal and fault characteristics of classic SFCL with a diode bridge. I believe following the Flexible AC Transmissiontechnology, superconducting technology and the co

10、mbination of power electronic technology, the application research of SFCL in distribution power grid will become the 21st century one of the frontier for the development of grid technology.KEY WORDS: SFCL,Bridge, Short Current，SimulationII目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論31.1研究背景與意義31.2 電力系統(tǒng)故障綜述41.2.1 電力系統(tǒng)故障

11、類型及危害41.2.2 保護實現61.3 限制短路電流61.3.1 改變系統(tǒng)結構71.3.2 選擇適當的運行方式71.3.3采用高阻抗設備71.3.4 裝設電抗器71.3.5 采用其他設備限制短路電流81.4 國內外研究現狀81.5 本論文工作概要10第2章 高溫超導故障限流器工作原理122.1超導體的基本電磁特性122.1.1 零電阻效應122.1.2 完全抗磁性效應（Meissner效應）122.2 各類超導故障限流器的工作原理132.2.1電阻型 SFCL132.2.2混合型 SFCL142.2.3變壓器型（感應型） SFCL152.2.4磁屏蔽型 SFCL152.2.5橋路型 SFCL

12、162.2.6飽和鐵芯電抗器型SFCL162.2.7 三相電抗器型 SFCL172.3各種超導故障限流器的特點比較17第3章 橋路式SFCL仿真研究193.1 研究背景和意義193.2 橋路型SFCL拓撲及仿真分析193.2.1 拓撲分析：193.2.2模型的假設與等效條件：203.2.3模型的建立：213.2.4穩(wěn)態(tài)仿真：223.2.5 故障態(tài)仿真：233.2.6 波形分析：253.3 限流效果分析253.4 結論26第4章 結論與展望284.1 結論284.2 展望28參考文獻30致 謝31第1章 緒論1.1研究背景與意義經濟和技術的不斷發(fā)展，使電力系統(tǒng)通過自身的擴容和網際的互聯逐漸擴大規(guī)

13、模：從而輸、配電系統(tǒng)的短路功率和短路電流隨之增大，這將對系統(tǒng)的穩(wěn)定及其安全造成威脅。為提高電網運行的安全性與可靠性，通常考慮從電網結構、系統(tǒng)運行方式和設備三個方面進行改進。但是，通過改造電網結構限制短路電流水平的費用十分昂貴；改變系統(tǒng)運行方式，如:斷開電磁環(huán)網、斷開母聯開關、兩段母線獨立運行等，能有效地降低短路電流水平，卻在一定程度上犧牲了電網的可靠性；在設備端口裝設常規(guī)限流電抗器、高阻變壓器等，則會導致網損增加，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且其容量日漸不足的問題亟待解決5?；诖?，我們提出超導故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)這一新型設備，把它接入

14、線路，系統(tǒng)正常運行時，它處于超導態(tài)，損耗小，對電力系統(tǒng)正常運行無影響；一旦電網發(fā)生故障，SFCL失超，可以瞬間產生大阻抗串入線路，有效地限制故障電流，是一種理想的限流裝置，其：1)能在高壓下運行；2)響應時間快、可靠性高，從國外研制的樣機測試和運行情況的報導來看，若發(fā)生短路故障，它能在100微秒內起作用，并在3個周波內：將短路電流從額定電流的7倍限制到4倍；而沒有安裝SCFCL時的短路電流一般都在10倍以上；(3)集檢測、觸發(fā)和限流于一體；(4)在正常運行時可通過大電流而只呈現很小的阻抗甚至零阻抗，只在短路故障時呈現大阻抗，因而其限流效果非常明顯。這些優(yōu)點都是利用了超導材料的固有性質，無需額外

15、的輔助裝置，而限流程度可通過SFCL的結構參數來調整6。20世紀80年代后期高溫超導材料的發(fā)展,出現了高溫超導故障限流器(HTSFCLHigh Temperature Superconducting Fault Current Limiter)，使得高溫超導設備(運行在液氮溫區(qū))與低溫超導設備(運行在液氦溫區(qū))比較，大大降低了運行成本，同時，磁熱穩(wěn)定性也得到很大的提高。HTSFCL具有損耗低、能自動觸發(fā)、自動復位、可多次動作等特點，以其自身獨特的優(yōu)越性成為限流技術領域中相當活躍的組成部分7。目前，HTSFCL已經有許多類型，根據結構特點可分為電阻型、混合型、變壓器型、磁屏蔽型、橋路型、飽和鐵心

16、型、三相電抗器型等；按照限流方式，可分為電阻型、電感型以及電阻一電感型；此外，根據是否利用超導體的失超特性限流，又可分為失超型和非失超型。隨著柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System)技術的發(fā)展，超導技術與電力電子技術相結合，使得HTSFCL在輸配電網的應用研究成為21世紀電網技術發(fā)展的前沿課題之一，因此分析和研究高溫超導限流器的結構及暫態(tài)運行特性具有實際意義8。1.2 電力系統(tǒng)故障綜述1.2.1 電力系統(tǒng)故障類型及危害電力系統(tǒng)故障類型： 對稱故障：三相短路 單相短路 兩相短路 兩相接地短路 簡單故障（單重故障） 不對稱故障 單相斷線 兩相斷線復雜故障（多重

17、故障）其中，在電力系統(tǒng)中最常發(fā)生，且發(fā)生后危害及影響最嚴重的就是短路故障。短路是指電力系統(tǒng)正常運行情況之外的一切相與相或相與地之間的短接，導致短路發(fā)生的原因是絕緣受到破壞。電氣設備絕緣材料的自然老化、污穢或機械損傷，雷擊引起過電壓，自然災害導致桿塔倒地或斷線，鳥獸跨接導線以及人為誤操作等原因都會導致絕緣破壞引發(fā)短路故障。電力系統(tǒng)的運行經驗表明，各類短路發(fā)生幾率不同，根據某些系統(tǒng)的統(tǒng)計資料我們可以做出如下扇形圖：圖1.1.1 電力系統(tǒng)斷路故障類型從圖中我們可以看到最常發(fā)生的是單相接地短路，三相短路發(fā)生概率最小，但其造成的后果危害最嚴重。電力系統(tǒng)一旦發(fā)生短路故障，常常會引起很嚴重的后果，其中主要有

18、：1、電力系統(tǒng)的正常運行和電氣設備受到很大威脅。短路時，因短路回路的阻抗驟減，根據暫態(tài)過程的分析，短路電流將驟然增大，可能超過該回路額定電流的許多倍。短路點距電源電氣距離愈近，短路電流愈大。短路電流流過電氣設備時，其熱效應引起導體或其絕緣的損壞，另一方面，導體會受到很大電動力的沖擊，可能是導體變形，甚至損壞。2、短路引發(fā)電網電壓降低，短路點距電源電氣距離愈近，短路電壓下降的愈嚴重，這可能使部分用戶供電遭到破壞。3、短路相當于改變了電網結構，必然引起系統(tǒng)功率分布的變化，發(fā)電機輸出功率也相應變化。但發(fā)電機輸入功率由于是由原動機進氣量或進水量決定，故不可能立即發(fā)生相應變化，從而造成發(fā)電機輸入輸出功率

19、不平衡，使轉速變化，這可能引起發(fā)電機失步，破化系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大面積停電。4、不對稱接地短路產生的不平衡磁通，會在臨近通信線路感生電動勢，造成對通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設備和人生安全。1.2.2 保護實現如果電力系統(tǒng)出現了短路問題，就要快速的去切斷出現故障的地方，讓其他沒有出現短路問題的地方能夠很好的運作，這個是要依靠電力裝備和斷路器去實現的。只有讓短路問題造成的損害降到最低點，才會讓整個電力體系得到正常的運作，那么要經歷做到下面的幾點：1、仔細的對短路電流做出計算，依據算出的結果去安裝合適的設備，要求電氣設備的額定電壓和線路中的額定電壓是相吻合的。2、使用合適的繼電保護裝備，在出現短路狀況的時

20、候能夠很好的迅速的弄斷電路中的電流，盡可能的去縮短電路中的電流持續(xù)時間，最大限度的去減少損失。3、在變電所安裝一些設施，變壓器的周圍和線路中裝備一些裝備，盡量的去避免一些自然損傷，比方說避雷針等。4、對所有的安裝線路都要嚴格的把關，對所有的線路都要進行定時的檢查，特別是線路的形狀要按著有關的規(guī)定。5、電力操作人員在作業(yè)的時候要注意自己的操作步驟，不能出現一些失誤和錯誤。在操作的時候要對自己的人身安全做到很好的保護措施。6、對電力設備進行嚴格的管制，不能隨便讓事物靠近，導致電氣設備出現損壞。7、對電力設備進行定時的清潔，防止一些導電的顆粒進去電氣設備。8、在有電纜的地方要進行標注，提醒人們這里有

21、電纜設備，引起百姓的注意。9、在對整個電力體系進行維護的時候，要不斷的學習它的相關知識，在操作的時候要對自己和他人嚴格的要求，對有可能造成電力短路的物件和器材要進行處理，操作結束后要對地線進行去除。在日常的維護中要仔細的排查，如果出現問題要迅速的搶修2。1.3 限制短路電流現在我們國家電力體系中主要是依據電力網構造、系統(tǒng)的運作方法還有系統(tǒng)設備的選取上等等這一些方面去對短路問題進行預防，基本的措施有下面幾樣：1.3.1 改變系統(tǒng)結構1、把系統(tǒng)的電壓進行升高，在下面的電網采用分層分區(qū)的管理模式：預防短路現象的最好的辦法就是對上一級的電壓電網進行提升，這樣做的話不單能夠讓輸出電容量和整個電力體系得到

22、提升，并且如果上一級的電網里的電壓上升到一定的高度時就會減少下一級電網中出現短路問題時線路的電流流量；2、直流輸電：使用直接輸電的方式能夠很好的去對短路電流進行控制，切斷交流問題的傳播，還能對電網的容量有所提高，這個辦法是現在控制短路電流的最好的辦法之一3；3、使用單元接線：使用單元接線能夠很好的預防因為母線中容量的太過于聚集，出現的損害，使用單元接線能夠很好的讓電廠母線里的電流量減少。1.3.2 選擇適當的運行方式1、電網分成分區(qū)操作：通過這樣的方式去管理電流有很多優(yōu)勢：比方說具有很清楚的網絡結構，可以很好的去進行管理和處理問題，在供電上也有了很好的保障等；2、使用分裂運行的方法：很多個母線

23、分裂操作或者是母線分段操作，這樣就讓電流里的阻抗變大了，就能實現阻礙短路電流的目的。3、對環(huán)形供電網解列操作：電網的解列一般分成經常與事故自發(fā)的解列這兩個類型，他們兩個都能很有效的去減少電路中的短路電流4。1.3.3采用高阻抗設備 可以采用分裂低壓繞組變壓器和高阻抗主變等等設備。1.3.4 裝設電抗器 電抗器主要分成下面的四種類型： 分裂電抗器 母線分段電抗器 旁路電抗器 出線電抗器1.3.5 采用其他設備限制短路電流 主要使用短路故障限流器（FCL），熔斷器微機保護和綜合自動化裝置等方法去進行保護電路。1.4 國內外研究現狀目前，美國、德國、口本、法國、瑞士、澳大利亞、加拿大和中國等國都相繼

24、開展了SFCL的研究工作。超導故障限流器這一概念最早是由美國人提出的，早在1982年，美國的洛斯阿拉莫斯國家實驗室、美國超導體公司以及洛克希德·馬丁公司就已經開始了橋路型SFCL的研究工作；后來在美國能源部的支持下成功實驗了一臺2.4KV/100A的樣機。在美國通用原子能公司和IGC公司加入第二階段研究工作后，在1999年研制出了故障電流縮減率達80%的橋路型高溫超導故障限流器11。在日本，成蹊大學和中央電力試驗研究所于1998年用NbTi研制出了600V/6A的三相電抗器型SFCL，并且進行了入網試驗。三菱電力公司和東京電力公司合作開發(fā)了利用高溫超導薄膜的500KV/8KA超導故障

25、限流器12。法國電力公司, GEC Alsthom公司和阿爾卡特·阿爾斯通公司于1992年研制了63KVrms/1.25KArms/5.3KApeak的混合型SFCL13。瑞士ABB公司利用Bi-2212研制成功三相1. 2MW的磁屏蔽型超導故障限流器，并準備安裝在Lontsch變電站投入試運行14。德國西門子公司和加拿大魁北克電力公司利用YBCO薄膜研制100KVA電阻型SFCL，并準備進一步研制lOMVA電阻型SFCL。997年開始至今，德國卡爾斯魯厄研究中心(FZK)的技術物理所,卡爾斯魯厄大學電機系、以色列特拉維夫大學電機系及Hoechst AG公司一直在合作開展感應型SFC

26、L的研制及試驗15。英國于1982年提出了飽和鐵芯型超導故障限流器構想并使用了3KV/556A樣機。澳大利亞臥龍崗大學超導和電子材料中心在竇士學教授的領導下于1997年研制出套銀陶瓷HTC線材，在77K液氮溫度及零外場的條件下，臨界電流密度Jc達到6. 9KSA/cm 2，利用其制備的HTCSFCL在6. 9KV電網上試驗結果證明其能有效地抑制故障電流17。中國科學院電工所于1997年在國家超導中心支持下，開始研制1KV/100A橋路型SFCL，并于1999年成功進行了樣機的短路試驗，短路時故障電流縮減率40%。2004年底，中國科學院電工研究所、中國科學院理化所、北京藍天高科技公司共同研制出

27、10. 5千伏/1. 5千安三相高溫超導限流器樣機，并對樣機進行了各項并網前的檢驗和模擬試驗。2005年5月，中國科學院電工研究所、湖南省電力試驗研究院與婁底電業(yè)局共同合作，在婁底市高溪110千伏變電站進行試驗場地改造、設備系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)集成和并網前測試工作。8月13日高溫超導限流器樣機經過三次10. 5千伏充壓試驗，投入高溪至百畝一線進行24小時空載試驗。8月14日，高溫超導限流器開始進行三相接地短路試驗，并成功將3500安短路電流限制到635安，短路電流縮減率達到0. 82，隨后進入試驗運行11-19。若高溫超導材料的研究，生產工藝和性能取得新突破，低交流損耗的大電流超導電纜、高電壓高溫超

28、導交流電纜及高溫超導線保護等問題能解決，那么就高溫超導強電應用而言，最先得到實際應用的將是超導故障限流器，因此SFCL在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應用前景，到2010年，我國對高溫超導限流器的市場需求已達到4萬臺，因此，對于超導故障限流器的研究有著良好的經濟效益和社會效益。圖1.4.1 220kV/800A飽和鐵芯高溫超導限流器在國家電網石各莊變電站良好運行將近年來超導限流器（SFCL）的應用概況歸納如表1和表2所示：表1 電阻型超導限流器研發(fā)現狀企業(yè)（國別）限流器類型超導材料容量/MVAABB（瑞士）電阻型Bi-2212 bulk1.6ACCEL（德）電阻型Bi-2212 bulk13.6EA（英

29、）電阻型Bi-2212 bulk0.9Schneide（法）電阻型YBCO bulk0.4Siemens（德）電阻型YBCO film1.2表2 其他類型超導限流器研究現狀研究單位限流器類型開發(fā)現狀ABB（瑞士）三相磁屏蔽型完成研制法國電力公司等混合型實驗完畢GA（美）三相橋路型試驗運行日本東京電力三相電抗器型試驗運行中國電科院改進橋路型試驗運行國家電網飽和鐵芯型試驗運行1.5 本論文工作概要本論文共三章，逐步闡述了超導故障限流器技術的理論與應用，方便讀者參閱，將各章分別總結如下：第一章，闡述電力系統(tǒng)最常見故障短路故障，是由設備絕緣損壞導致的接地現象，分為單相接地、兩相接地、相間短路及三相接地

30、四類，其成因主要有主觀和客觀兩個方面。裝設故障限流器是解決短路故障的重要手段，但傳統(tǒng)的限流器其容量日漸不能滿足需求、損耗大、反應較慢等問題亟待解決，為此，超導故障限流器（SFCL）就是新興的限流技術，相比傳統(tǒng)限流器，不僅很好解決了以上問題，甚至逐漸得到了實際應用，對于SFCL，目前國內外正積極進行研究，已取得了一些成果。第二章，闡述為了解SFCL，需要對超導體最基本的兩大特性進行研究，其一是零電阻特性，其二是抗磁效應，也即邁斯納效應，其中零電阻特性是超導體的必要條件。高溫超導故障限流器（HTSFCL）正是利用了這些特性工作在超導與失超兩種狀態(tài)，具有損耗低、能自動觸發(fā)、自動復位、可多次動作等特點

31、,對于HTSFCL，由結構特點可分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、變壓器型、飽和鐵心型、三相電抗器型，它們具有不同的結構、工作原理以及優(yōu)缺點，因此在實際應用中，往往根據需要來選擇。第三章，闡述一種非失超型超導故障限流器橋路式SFCL，這是一種與現代電力電子技術結合緊密的限流器，可以預見其應用前景將十分光明。由此，我們通過Matlab的Simulink平臺對一種橋式SFCL模型進行仿真研究，在若干假設和等效條件下，通過系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)時各處電流的仿真，以及在故障態(tài)時與傳統(tǒng)故障限流器的比較，驗證了這種限流拓撲結構的優(yōu)點。第2章 高溫超導故障限流器工作原理2.1超導體的基本電磁特性2.1.1 零電阻效

32、應圖2.1.1 金屬電阻與溫度關系曲線 超導體具有零電阻這個最本質的特點。左圖顯示的是金屬電阻和溫度之間的曲線，當T>Tc時，R與T是線性關系。當溫度下降的時候，就不會呈現線性關系了。當T=Tc時，電阻R=0。金屬原子最外層電子十分的不穩(wěn)定，特別容易失去電子，變成穩(wěn)定的正電離子，這些正離子很有規(guī)則的進行排序，形成晶格。里面的正離子在不停的做著熱振動。自由電子受電場的影響一邊做著熱運動一邊做著定向運動，這兩種運動合在一起就叫定向漂移。當這兩種粒子相互碰撞，就會形成兩種后果：一是自由電子把能量傳遞給正離子，就會讓正離子的熱振動加快；還有一個就是自由電子改變了原來的運動方向，就叫做散射。2.1

33、.2 完全抗磁性效應（Meissner效應）Meissner（邁斯納）和Ochsenfeld（奧奇森菲爾德）發(fā)現，在磁場里的錫進行冷卻的時候變成超導體，他的體內是沒有磁場的，這個現象就叫做完全抗磁性效應或Meissner效應。Meissner效應是超導體最基本的特點。最開始的時候人們覺得超導體就是導電率趨向于無限大。但是其實這是不正確的。電學里的歐姆定律U=IR。對這個公式進行微積分表達就是： （2-1）其中，j代表的是電流密度矢量，是電導率，E是電場強度。還有，利用麥克斯韋方程式 （2-2）可以得到，如果把超導當作是，那么超導體內的磁場B就應該符合下面的方程式 （2-3）上面的公式可以看出，

34、超導體內的磁場B不受時間t的影響。用超導體內沒有電阻和邁斯納效應，我們把超導體劃分為兩個大類，就是第I類超導體和第II類超導體。我們把同時具有上面兩種情況的，只有一個臨街磁場的叫做第I類超導體，如左圖；擁有兩個臨界磁場的超導體，就叫做第II類超導體，如右圖。圖2.1.3 第II類超導體 圖2.1.2 第I類超導體2.2 各類超導故障限流器的工作原理2.2.1電阻型 SFCL 圖2.2.1 電阻型SFCL原理圖電阻型SFCL的工作原理簡單的說就是超導體變成失導體的狀態(tài)。圖2.2.1展示的就是把超導體繞成觸發(fā)線圈，在正常的運作時候，線圈是超導狀態(tài)，電流都要通過這個線圈；一旦出現問題的時候，短路電流

35、就會比線圈的最大限制電流大，就會讓線圈失靈，這樣大部分的電流就會流入限制線圈和限制電阻里，這就實現了他的作用。2.2.2混合型 SFCL圖2.2.2 混合型 SFCL原理圖混合型SFCL(圖2.2.2)于1992年被人提出的，它的組成部分是超導線圈與變壓器構成的。內部的連接方法主要是由(串聯結構圖2.2.2（a），并聯結構圖2.2.2(b)這兩個方法進行連接的。這種類型的變壓器，他的副邊比原邊進行繞組的多很多，這就導致了超導線圈的電流變小。在電路正常工作的時候，磁路沒有達到飽和狀態(tài)，原副邊的耦合狀況非常好，(并聯時，超導線圈讓副邊繞組出現短路；串聯時，原副邊繞組相互反向繞制)，因此整個系統(tǒng)的阻

36、抗就變小。如果出現問題的時候，副邊的電流就會變大，那么超導線圈就會失效，在串聯時，副邊就會自動的加入一個大電阻，那么很多的電流就會流入原邊，被原邊的電抗阻礙著；并聯的時候，超導線圈突然變成大電阻，那么變壓器的阻抗就會加大，對出現問題的電流就會起到阻礙的作用。這個時候，變壓器原邊上的電壓降非常的大，磁路就會自動的出現飽和，原副邊的耦合也會很快的下降，這樣就使兩邊的電流和電壓的有效值減小，就達到了很少的時間里就讓電流和電壓回到最初狀態(tài)的目的。2.2.3變壓器型（感應型） SFCL圖2.2.3 變壓器型SFCL原理圖上圖所描繪的機器是變壓器型超導阻礙控制電流器，其中主要是將改變交流電壓的裝置副邊繞組

37、跟電阻型超導阻礙限制電流器進行組合，而同時改變交流電壓的裝置的原邊繞組非并聯在輸電線路中。變壓器原、副邊超導繞組在正常操作的過程之中會相互依賴，彼此作用，從而發(fā)生較低的阻抗；控制阻礙電流成功是因為在電流不通過電器直接接通的情況之下，改變交流電壓裝置非主邊繞組閉合回路在原磁場內產生的磁場阻礙原磁場磁通量發(fā)生變化的電流相較于超導繞組的臨界電流更大而失去超導性，這時阻抗就會瞬間增大，從而使得改變交流電壓的裝置阻抗上升。2.2.4磁屏蔽型 SFCL圖2.2.4 磁屏蔽型SFCL原理圖磁屏蔽型 SFCL的三大組成部分分別就是最外圈的銅線、中層的超導圓柱以及最內層的鐵芯同軸，上圖所示的是磁屏蔽型 SFCL

38、正常操作的情況，超導圓柱為零阻礙，外圈的銅線以及零阻礙屏蔽筒間的氣隙漏磁可以用來確定裝置的阻抗，發(fā)生短路情況時，零阻礙環(huán)的電流值迅速的增加到臨界值，從而產生了較大的電流阻力，使得銅線圈的磁通可以運行，帶動磁屏蔽型 SFCL裝置的阻抗值增大，最終使得控制故障電流得到成功。2.2.5橋路型 SFCL圖2.2.5 橋路型SFCL原理圖上圖所示的是橋路型 SFCL技術，首次提出此項技術的公司為西屋電力企業(yè)以及美國的LANL。它的操作原理是利用超導素材在直流電下不具有阻載流特征，而不是將超導素材由超導到無超導的轉變。它會屬于失去超導類的超導阻礙限制電流器是因為操作原理與上文中的阻礙限制電流器相似。一般尋

39、常情況之下，功率在線圈L無損失的基礎是直流偏流源DC，因為在其基礎之下，流過線圈L的值是非常小的。在非尋常情況之下，故障電流會被大電感L控制是因為iac的值增加到了I0，與此同時iac正負半周內的二極管都是非導通的，所以超導線圈就非被動的串接到了線路之中。2.2.6飽和鐵芯電抗器型SFCL圖2.2.6 飽和鐵芯型SFCL原理圖上圖所描繪的是飽和電抗器型超導阻礙限制電流器，它是由兩個鐵芯電抗器組合形成，而且兩個鐵芯之中分別有一個非交流的零阻礙繞組以及非直流的控制繞組，而其中直流零阻礙繞組只能與直流偏壓源相組合，而且兩個不是屬于直流的控制繞組將會非并聯在線路之中。一般尋常情況之下，兩個鐵芯達到飽和

40、，裝置的阻抗為最低值的狀態(tài)可以通過對于直流偏壓源的改善來實現，非尋常情況之下，短路電流使得一個周期內的鐵芯之間交換飽和，使得裝置獲得較大的阻抗，最終使得控制故障電流得到成功解決。2.2.7 三相電抗器型 SFCL圖2.2.7 三相電抗器型SFCL原理圖上圖所示的是三相電抗器型零阻礙阻礙限制流器是由三個圈數相同的零阻礙繞組元素組成，尋常情況之下，均衡的三相電流之間的和為0，磁通變化在鐵芯之間不具備，而且裝置具有較低的阻抗；當具有單相接地電流不通過電流直接接通情況發(fā)生時，非均衡的三相電流，會使得裝置的阻抗瞬間增大，也就為SFCL 的大的零序阻抗控制阻礙電流提供了條件。當兩相或三相短路發(fā)生阻礙的情況

41、之下，裝置的阻抗失不會瞬間變化，當故障電流的值與臨界電流的值相等時，零阻礙繞組會出現失去超導性的狀況，從而使得大的常態(tài)阻抗可以限制故障電流。2.3各種超導故障限流器的特點比較1、結構容易、反應速度迅速、尋常狀況之下壓降比較低以及逐漸指導實際操作等是電阻型 SFCL的優(yōu)勢。不容易解決的機械以及熱問題是發(fā)展大電流交流超導電纜所遇見的難題。所以這也就導致開發(fā)的電阻型 SFCL的限定電流沒有達到2KArms。2、混合型 SFCL 是使用遠低于線圈中電流的非直流性超導電纜，它的制作過程方面快捷，而且重量不高，有效的減少低溫狀況下的損耗，而且在故障限制階段磁路充滿使得電壓與電流的有效值出現減少的情況，繼而

42、超導線圈發(fā)熱的程度得到有效降低，這能夠幫助超導態(tài)盡快的復原。不過一般變壓器的使用讓SFCL 的損耗變得較大而且十分費力，而且在故障發(fā)生時過路電壓隨之較高，故障發(fā)生后磁通量充滿會導致電流電壓發(fā)生不正常變化。以上兩種 SFCL 的超導使用過后回復時間都比較長，無法適應及時的重合閘。能夠進行及時的重合閘工作的 SFCL 需要使用到兩類超導性線圈。 3、感應類的SFCL 超導線圈是不要電流進行引導的的，熱量流失很低，這類線圈有著改變電壓和限制電流的雙重作用。不過還是要借助重量較輕的低溫容器以及高電流交流超導電纜。 4、磁屏蔽型類的SFCL 使用超導體數量一直非常少，由于這類方法帶來的交流損失不大，而且

43、也不用電流引導，能夠利用 G-M 制冷機進行降溫；設備外面的泄漏磁場不多，不過其質量較重,而且故障排除較為困難，需要兩類裝置配合才可以進行快速重合閘，而且還要變動開關，限制階段存在瞬時過電壓。 5、橋路型 SFCL 有著很大的優(yōu)勢：既可以在半秒的時間中從故障里恢復且不用其他系統(tǒng)的幫助，可以用以及時重合閘；這個時候線圈里面的電流為直流，所以不需要面對高交流型電流超導電纜等問題；因為線圈中沒有金屬類的部件，所以重量較低而且成本不高；在運行的過程中，裝置電壓降低時不會影響波動情況的改變；能夠有效調整故障電流的縮減程度。不過在日常的運行過程中，超導線圈中會有著高出線路電流有效值的直流，所以此時的低溫損

44、耗比較高。而且還要借助于電力二極管橋路和偏壓電源。 6、飽和鐵芯電抗器型 SFCL 的優(yōu)勢較為明顯：故障限制階段超導線圈沒有失去功能，依舊有著自我起動功能，可以用于多次的重合閘工作；超導線圈中的電流為直流，這種電纜生產十分廣泛，能夠利用真空裝置等形式來進行磁場屏蔽活動；一般情況下在故障階段時發(fā)生的概念是逐漸進行的，經過電壓很低。不過，鐵芯與繞組數量需要依據雙倍的故障電流電壓大小進行組裝，這就導致了其十分費力；日常工作中鐵芯中的磁通量是飽和的，會出現明顯的泄漏磁場；而在故障期間鐵芯由于不斷地出現飽和與恢復的情況會導致明顯的電壓波動情況。 7、三相電抗器型 SFCL中十分出眾一個優(yōu)勢就是在出現故障

45、過程中，超導繞組仍能正常發(fā)揮作用。由于系統(tǒng)里面超過九成的故障是單相對性，因此這類 SFCL 具有特點可以處理大部分故障情況。在運行時，三相電流何在一起時是0，即磁通量沒有出現改變，能夠使用金屬杜瓦。不過這類SFCL還是要借助線路中所有的交流超導電纜；而這類電纜是有著金屬部件的，質量很重而且成本高，損失程度也比較高。第3章 橋路式SFCL仿真研究3.1 研究背景和意義超導故障限流器(SFCL)是國內新興交叉學科超導電力技術中十分重要的一類研究領域，它是目前電力系統(tǒng)中不可或缺的組件，可以將其分類到靈活交流輸電技術FACTS(Flexible AC Transmission System)的研究方向

46、中，依據有沒有使用超導體的失超特征限流，可以把它分成失超與不失超這兩種類型。這里面后者是超導故障限流器和目前具有的電子技術構成，西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corporation)與美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(LANL)在上世紀八十年代第一次發(fā)表了橋路型SFCL的理念，并推出了世界上首個橋路型SFCL，它就是不失超型超導故障限流器其中一類。橋路型SFCL即時間最早的SFCL拓撲，有著下列幾個特點：1、可以進行多次的重合閘工作；2、重量不高而且成本少；3、在一般的運行狀況中電壓減少不會導致波動的出現；4、能夠降低故障電流減少程度，因為這些優(yōu)點它被大量的推廣使用，所以

47、對它的研究可以幫助我們有效的認知和借鑒不失超型SFCL的技術和日常使用情況。3.2 橋路型SFCL拓撲及仿真分析3.2.1 拓撲分析：橋路型SFCL屬于不失超型超導故障限流器，不同于失超型超導故障限流器所利用的超導體特有的電阻特性，該拓撲結構充分利用了超導材料在直流狀態(tài)下無阻載流的特性。主要是由二極管橋路D1D4、超導線圈L(超導電感)和直流偏壓電源DC組成，與之相串聯的斷路器CB用于開斷被降低的故障電流，DC用于向超導線圈提供偏流iL。正常運行時調節(jié)DC使iL=I0(I0是偏壓源DC提供給超導線圈的偏流初始值)，使I0大于線路電流iac的峰值，于是二極管橋路（即二極管D1D4）始終導通，除橋

48、路上有較小的正向電壓外，SFCL對iac不表現任何阻抗，此即相當于線圈處于超導態(tài)。故障狀態(tài)下，iac的幅值增大到I0時，在iac正半周內二極管D3和D4不導通，而在負半周內D1和D2不導通，超導線圈就被自動地串接入線路，故障電流就會被“失超”大電感L所限制。圖3.2.1 橋路型SFCL拓撲3.2.2模型的假設與等效條件：在Matlab的Simulink平臺下進行建模，模型的基本原理圖如圖3.2.2示，該模型在穩(wěn)態(tài)時僅由電源、橋式SFCL和RLC負載組成，假設三相故障將RLC負載短路。圖3.2.2. Simulink平臺下橋路式SFCL基本模型的原理圖為了便于仿真，對該模型做一些假設和等效：用開

49、關Breaker模擬發(fā)生在0.4s的故障態(tài)故障（三相短路），此時開關Breaker閉合；并假設在0.8s時瞬時故障消除，系統(tǒng)重合閘成功，此時開關Breaker斷開；2、用開關Breaker2近似模擬穩(wěn)態(tài)下的“超導”限流線圈（開關閉合）和“失超”狀態(tài)下的限流線圈L（開關斷開），即忽略超導電阻特性兩種狀態(tài)間的過渡過程。從而在00.4s時間內，由于系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，受直流偏壓源DC作用，SFCL支路流過極小電流（認為無電流流過），即等效為超導線圈L處于超導狀態(tài)，亦即Breaker2閉合；在0.41.0s時間內，系統(tǒng)發(fā)生故障態(tài)故障（三相短路），Breaker閉合，SFCL支路電流平衡被打破，即等效認為SF

50、CL迅速失超，“失超”大電感L起限流作用，限制故障電流。3、假設穩(wěn)態(tài)時橋路式SFCL系統(tǒng)與傳統(tǒng)限流器系統(tǒng)的線路電流相同，據此得到發(fā)生故障時裝設有橋路式SFCL的系統(tǒng)，其因“失超”串入的電抗應為2L，其中L為傳統(tǒng)限流器的電抗；4、假設故障瞬間SFCL即失超，即忽略在0.4s故障時橋式線圈串入系統(tǒng)的延時。3.2.3模型的建立：基于此，選取交流電源（ AC Voltage Source）10kV供電，直流偏流電源(DC Voltage Source）遠遠小于系統(tǒng)電壓，串聯RLC支路(Series RLC Branch1)作為負載，其中電阻20kOhms，電感50H，電容10F，限流器電感(L Bra

51、nch)為300H。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)模型分別在下圖示出：圖3.2.3. Simulink平臺下橋路式SFCL的穩(wěn)態(tài)模型圖圖3.2.4. Simulink平臺下橋路式SFCL的故障態(tài)模型圖3.2.4穩(wěn)態(tài)仿真：通過仿真給出1s內橋式超導故障限流器的線路、超導線圈及D2（作為代表）二極管的穩(wěn)態(tài)電流曲線如圖所示：圖3.2.5. 加裝SFCL時流過線路的電流（穩(wěn)態(tài)）圖3.2.6. 加裝SFCL時流過超導線圈的電流（穩(wěn)態(tài)）圖3.2.7. 加裝SFCL時流過二極管D2的電流（穩(wěn)態(tài)）3.2.5 故障態(tài)仿真：根據研究發(fā)現，如果出現了短路的情況，那么超導線圈就會發(fā)揮其作用，是其傳入到線路當中，那么對于短路以后的

52、電流就會被失超大電感L產生一定的流量控制，具體的計算可以根據基爾霍夫的定律來進行計算：為了說明超導故障限流器的限流效果，將加裝SFCL系統(tǒng)與加裝傳統(tǒng)限流器系統(tǒng)的故障態(tài)模型分別進行仿真，并比較結果如下：圖3.2.8. 故障后流過線路的電流對比圖3.2.9. 故障后流過線圈的電流對比圖3.2.10. 故障后流過二極管D2的電流對比3.2.6 波形分析：對比線路電流曲線，在已發(fā)生故障的0.5s這一瞬間，加裝超導故障限流器的線路電流被限制在約2kA，此電流僅約系統(tǒng)正常時線路電流幅值的1倍左右，而加裝傳統(tǒng)限流器的線路此時的電流約4kA，此電流約是系統(tǒng)正常時線路電流幅值的2倍以上！并且在故障尚未切除情況下

53、，前者的線路電流包絡直線的斜率也小于后者，這說明前者的故障電流增加速率小于后者。以上對比了在同種拓撲結構下加裝超導故障限流器和傳統(tǒng)限流器在系統(tǒng)故障態(tài)故障時各處的電流，當系統(tǒng)發(fā)生其他類型（不對稱）的短路故障時，對于每一相，SFCL總能起到明顯的限流作用，在此不再一一說明。3.3 限流效果分析在電力系統(tǒng)中采用超導故障限流器（SFCL）的主要目的之一就是限制故障電流，使之不超過斷路器的瞬時開斷能力。故障電流縮減率D%是表征橋式超導故障限流器限流效果的重要參數，其中D的取值范圍是0<D<1,其表達式為： (3-5)ip為無SFCL時發(fā)生三相短路的沖擊電流,它與系統(tǒng)的等值短路比X/R有關，計

54、算式為： ip=1+exp(-0.01/Ta)Ip=KimIp。 (3-6)其中：Kim=1+exp(-0.01/Ta)稱為沖擊系數，表示沖擊電流對短路電流周期分量幅值的倍數。Ta為時間常數，Ta=X/R。短路沖擊電流與短路比X/R有關,當時間常數Ta的數值由零變化到無窮大時，沖擊系數的變化范圍為1Kim2。ilim為裝設SFCL后，被限制短路電流的峰值，由式： (3-7)來確定。因為故障電流是在短路發(fā)生后的半個周波達到最大值，因此，在分析問題時取t=0.01s，又因偏壓源Vb的數值遠遠小于系統(tǒng)電壓,可以忽略不計。所以， (3-8)I0是橋式SFCL正常運行期間偏壓源DC輸出的直流偏流，其值要

55、大于線路電流的峰值。短路發(fā)生后約半個周波時，SFCL的故障電流縮減率D%表達式為： (3-9)其中:Ip為短路電流周期分量的幅值。根據橋路式SFCL模型提供的參數計算得橋式SFCL短路故障電流縮減率約為90%左右。由此可見,此橋路式SFCL的限流效果是非常好的。3.4 結論通過仿真分析，得出橋式超導故障限流器可以不失超地限制短路故障電流，且限流效果較傳統(tǒng)限流器更優(yōu)。在系統(tǒng)正常運行時，由于直流偏壓源的作用，既沒有故障態(tài)過程，也使得橋路電感不產生無功壓降和無功功率損耗；在系統(tǒng)故障時橋路限流電感的突然加入（相當于超導線圈的失超），可以有效地延遲故障電流到達峰值的時間，使斷路器在故障電流在還比較小時就將線路切斷，不用更換現有的開關