饱和铁心型高温超导故障限流器的设计与仿真 - 图文

Design and Simulation of Saturated Core High Temperature

Superconducting Fault Current Limiter

摘 要

论文题目：饱和铁心型高温超导故障限流器的设计与仿真

摘 要

短路电流是困扰电力系统的难题之一，它严重影响电网的安全性和可靠性。传统限流方法都有较大局限性，无法应用于大容量，或超大容量电力系统，为此必须寻求一种适应广泛、效果良好的方法。超导故障限流器（Superconducting Fault Current Limiter, SFCL）集检测、触发和限流于一身，是电力系统理想的限流装置。当系统正常运行时，限流器处于超导态，损耗小，对电力系统运行几乎无影响；一旦电网发生故障，SFCL瞬时产生高阻抗，从而有效地限制故障电流。本文以电磁仿真为基础，对220kV饱和铁心型超导故障限流器的主要参数进行设计，并对其性能进行计算与分析，此外提出了一种新型饱和铁心型超导限流并进行了初步探索。

首先采用基于棱边单元的三维有限元分析方法，对三相饱和铁心型高温超导故障限流器模型进行电磁场数值仿真。计算相同直流电流，不同交流电流情况下铁心磁场的分布，验证磁场仿真方法的正确性。并在此基础上，计算了交流绕组的磁链随时间变化的关系，对绕组的感应电压及总电压进行仿真。仿真结果与试验结果吻合较好。

其次以限流器的电磁仿真计算为基础和依据，设计220kV饱和铁心型SFCL。利用Matlab/Simulink仿真工具，根据限流器的短路模型确定满足限流能力的交流绕组匝数和交流柱直径组合。根据220kV绝缘距离标准、工艺要求等内容，进行铁心窗口尺寸的设计。利用Ansys对具有不同截面比和直流绕组匝数的模型进行稳态电压的仿真计算。并根据仿真结果选择若干组满足设计要求的方案，通过核算制造成本，选择出最经济的一组。

最后采用能量摄动法计算220kV饱和铁心型超导限流器的非线性电感，并根据限流器的短路等效模型，列出电压回路方程，计算各相瞬态短路电流。从仿真结果看，各相限制短路电流都达到了设计要求。利用ANSYS软件进行三维瞬态磁场仿真分析，计算绕组的辐向力和轴向力随时间变化的关系，及辐向力、轴向力沿绕组高度的变化情况。同时，提出了一种新型饱和铁心型SFCL的结构及原理，并通过稳态和瞬态仿真验证了这种限流器的良好性能。

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西安交通大学硕士学位论文

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