饱和铁心型高温超导故障限流器的设计与仿真 - 图文

1 绪论

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1.1 课题背景

1.1.1 电力系统安全状况

随着我国经济的高速发展，电力需求快速增长，我国电网建设开始进入全面推进西电东送、南北互供和全国联网，实现更大范围资源优化配置的新阶段。大容量、超高压（交直流）长距离输电线路将成为电网互联的基本架构。新的发展形势我国电网安全出运行提出了新的挑战[1-3]，主要包括：

1）电网结构比较薄弱，电网的稳定性问题愈显突出，现有技术已不能满足电网安

全、稳定、经济运行的需要。电网的“大容量、超高压”发展趋势导致了系统短路电流水平的急剧增加，短路电流水平的激增不仅严重影响电网整体的稳定运行，而且使系统中原有断路器的遮断容量变得不足。如果发生短路事故，断路器将不能在二次系统的控制下有效断开事故线路，电网事故一触即发。 2）目前电网建设速度不能满足用电增长的需要。近两年来我国大面积拉闸限电，

不少地区配电变压器和配电线路满负荷或超负荷运行，给配电网和用户带来了严重的安全隐患，随时都可能发生配电及用户设备的损坏，导致区域性长时间停电，将直接影响企业生产和社会安定。

3）厂网分开后，电网缺乏保证电网安全的有力调控手段。在网络结构薄弱，部分

新投产的机组运行不稳定情况下，一旦发生大机组跳闸事故的冲击或者出现网厂不协调问题，很容易引发大面积的电网事故。

4）电网运行的外部环境不佳，经常因遭受外力等破坏（据统计，城市中70%的输

电设备故障是由于外力破坏造成的）而发生短路事故。在电网结构薄弱，配电系统超负荷，厂网分开电网安全调控手段不足的情况下，外力破坏引发的短路电流将严重威胁电网安全，使电网存在造成类似美加“8.14”大停电事故的危险[2]。2003年9月4日，上海已经出现了类似美加“8.14”大停电的险情，由于防范措施到位，在华东电网的大力支援和上海电网的及时处理下，险情才没有酿成重大事故。

1.1.2 短路电流的危害及现行限制措施

短路故障发生后，网络总阻抗大为减少，将在系统中产生可达几十倍于正常工作电流的短路电流。短路电流给电力系统造成了诸多不利影响及严重危害[4-5]：

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1）可能使断路器的开断能力不足而不能有效切除故障，导致故障扩大，危及整个

系统的安全运行；

2）短路电流增大后，为满足动、热稳定的要求，对现有系统自然需采用额外的措

施限制短路电流，加固相关设备或者选用更大动热稳极限的电气设备。对于新建系统需要选择具有更大遮断电流的断路器及其它相配套的电气设备。这些措施必然导致系统运行和建设的设备投资的投资；

3）发生接地故障时由于注入大地的电流过大而产生强大的地电位反击，使接地点

附近的变电站安全乃至人身安全受到严重威胁，同时若线路附近存在传统金属性通信线路，也有可能引起感应过电压而造成通信设备故障；

4）短路点的电弧可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流通过设备会使发热增

加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热而损坏。大的短路电流通过导体时，要引起导体间很大的机械应力，如果导体和支架不够坚固，则可能遭到结构破坏。短路电流大幅增大可使架空线路绝缘子破损，导线熔断严重;埋地电缆的损坏更严重，致使修复时间增加，停电时间延长；

5）发生短路时，短路点电压几乎为零，附近的系统电压大幅度下降，对用户影响

严重。系统中最主要的负荷是异步电动机，它的电磁转矩与其端电压的平方成正比，电压下降时，转矩急剧下降使电机停转，以致造成产品报废及设备损坏等严重后果；

6）电力系统中发生短路时，断路器切除不及时可能使并列运行的发电机失去同步

而解列，破坏系统稳定，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大面积停电。这是短路故障最严重的后果。

“短路故障”是最困扰电力系统的难题之一。目前，电力系统主要采用以下方式减小短路故障的危害：低压电网分片运行、多母线分裂运行或母线分段运行、解列电网；加强电网规划；发展高一级电压电网、采用直流输电联网；在电力线路上使用串联常闭并联旁路开关的限流电阻；采用高阻抗变压器、加装限流电抗器；更换断路器以及相关的电气设备等。

上述限制短路电流的各种措施都可以在不同程度上实现对短路电流的约束和限制，但它们又都各自存在不足，或多或少是以牺牲电网在其他方面指标为代价的。至于加强规划和采用合理的入网方式，对新建电网而言可以较彻底的解决短路电流问题，但是随着负荷和运行方式的变化，原有的设计并不能一劳永逸。更重要的是，对于现有系统而言，由于地理位置、原有规划等因素的限制而变得不可行。

采用超导限流器，可降低整个电网的短路水平，使现有设备在电网增容时不需要改造或降低改造程度，降低对各种电气设备尤其是断路器等关键设备遮断容量的要求；提高各种电气设备的安全可靠性，隔断了短路电流的传播和对电网的冲击，提高系统暂态稳定性；从而根本上提高了电网整体运行安全可靠性。

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1.2 超导故障限流器简介

电力系统的高速发展导致了短路电流水平急剧增大，短路电流的增加严重影响了电网的安全运行[6]。超导故障限流器集检测、触发和限流于一身，可快速有效地限制短路电流，突破电网安全瓶颈，有效解决困扰电力系统发展的短路电流问题。超导限流器在系统正常运行时阻抗非常低，在系统发生故障时，迅速产生高阻抗，将故障电流限制到较低的水平。线路故障排除后，超导限流器自动复位，且复位速度快，为再次限流做好准备[7-11]。

1.2.1 超导故障限流器的发展与前景

随着1986年高温超导体的发现，世界各国展开了对高温超导材料及其在电力行业中应用的研究。加快了SFCL商业化研究与开发的进程。目前，美国、德国、日本、法国、瑞士、加拿大、中国等国都已经利用超导材料研制成功多种类型的SFCL试验样机。

1995年美国LMC（Lockheed Martin Corporation）、ASC（American Superconductor Corporation）和LANL（Los Alamos National Laboratory）等合作研制成一台桥型超导限流器，它可将最大短路电流从2.2kA限制到1.1kA。该限流器在南加州爱迪生电站进行了6周的试验运行，经试验，它的动作反应时间为8ms，能将短路电流降低约50%，并能对相隔15秒的两个400ms连续故障作出正确的反应。 1999年美国General Atomics和ASC用Bi-2223银基导线研制15kV/1.2kA桥型超导限流器，短路试验时，故障电流缩减率达80%。

日本三菱电气公司等自1990年开始就开展超导限流器研究，他们首先用在SrTiO3基础上生长的YBCO薄膜制成电阻限流器，经试验可将电流从400A限制到11.3A。中央电力试验研究所从1995年开始研究用Bi系材料研制磁屏蔽型限流器，日本电力公司还与东芝合作计划研究500kV/8kA超导限流器。日本通产省工业技术院正在加紧研究开发高性能的高温超导限流器，作为第一步，首先研制了6.6kV/2kA限流器，并计划于2010年在500kV输电系统中配备高温超导限流器。

瑞士ABB公司最早从事磁屏蔽型高温SFCL的研究，并在1994年研制出100kW限流器模型，1996年，成功研制出一台1.2MVA的屏蔽式高温超导限流器。该限流器成功地通过了60kA的短路试验，它能将短路电流限制到约700A，并已在一个电厂成功地连续运行了两年多时间。ABB公司正在研制闭环冷却的10MVA三相HTSFCL，预期将很快会投入实际运行。

加拿大Hydro－Quebec公司也较早地开展了屏蔽型高温SFCL的研究，并在1996年试验了研制的43 kVA限流器模型。最近该公司和德国西门子公司合作研制了100 kVA的屏蔽型高温SFCL。以色列、意大利、西班牙等国也开展了屏蔽型高温超导限流器的研究工作。

得益于在工频(50Hz)交流超导线材(NbTi)方面的领先技术，法国多年来一直致力于

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研制用于高压(HV)及超高压(EHV)电网的电阻型SFCL。经过多年不懈的努力，法国于 1995年成功地制成了40kV/315A的实验样机。

英国于1982年提出了饱和铁心型超导故障限流器构想，并使用了3kV/556A样机。 澳大利亚Wollongong大学开展了饱和电抗型高温SFCL的研究，他们采用Bi系高温超导线圈提供使铁心饱和的直流磁场。

最近，利用高温超导薄膜或棒材研制电阻型高温超导故障限流器的研究也取得重要进展。德国西门子公司采用YBCO高温超导薄膜研制出100 kVA的电阻型高温SFCL并计划下一步研制l MVA的模型。法国采用Bi-2223高温超导棒材研制的电阻型SFCL经历了1080 A/1100 V的试验。英国采用Bi-2212高温超导棒材研制出7.5 MVA的电阻型SFCL模型。

中国科学院电工研究所在2000年“高温超导限流器及其在电网中的应用”项目得到了中国科学院知识创新工程的支持立项研究。2002年研制出了一台400V/25A的桥路型超导限流器实验室样机，有效地抑制了短路电流。

北京云电英纳超导电缆有限公司在2004年研制出一台220V/100A的快速限流型超导故障限流器实验室样机，并通过试验和仿真表明，可以有效地抑制短路电流。2007年11月，该公司研制的35kV饱和铁心型超导限流器样机云南挂网运行。

若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线保护等问题能解决，那么就高温超导强电应用而言，最先得到实际应用的将是超导故障限流器，因此 SFCL 在电力系统中具有广泛的应用前景，到 2010 年，我国对高温超导限流器的市场需求量可达到4万台，因此，具有很好的经济效益和社会效益[12-25]。

1.2.2 超导故障限流器的分类

超导体有两个基本特性即零电阻性和完全抗磁性，目前，所有的超导故障限流器的工作原理都是建立在这两个基本特性之上的。

超导故障限流器的工作原理、结构以及特性完全不同于目前已经使用的限流熔断器、限流电抗器，也不同于高压断路器。在此仅根据超导故障限流器的工作原理对其进行基本分类。

1）电阻型超导故障限流器

图 1-1为电阻型SFCL的基本形式，将超导材料制成的电阻Rs直接串联在电网中，当电网处在正常运行状态时，电网中的额定电流流过超导体，只要保证小于超导体的临界电流，则超导体处于超导态，对电网无影响（暂不考虑交流损耗）。当电网中发生短路故障时，电流迅速增加，当故障电流超过超导体的临界电流时，超导体失超，转变为正常态，呈现很大的电阻值，将故障电流限制在一定范围内。

图 1-2给出了电阻型SFCL另外一种形式的原理图。其中，Rs为超导线圈；Rn为限流电阻。采用此形式的目的有两个：一是当超导线圈Rs在电流的峰值附近发生超导态／正常态的转变时，会产生过电压，可以用电阻Rn来吸收过电压能量；二是当电流

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