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

超过超导线圈的临界值时，与之串联的快速开关跳闸，由Rn来限制后续的故障电流，电流，可以避免超导线圈的严重过热烧毁限流器，从而达到保护的效果。

RS

图 1-1 电阻型SFCL的基本形式

RnRs 图 1-2 电阻型SFCL的另外一种形式

高温超导材料的性能是研制电阻型SFCL的关键，同时通过一些合理的设计也可以克服材料性能上的不足。限流器对超导材料的要求有：1、较低的交流损耗；2、足够的机械强度，以克服故障时的电磁力；3、较好的热稳定性，避免产生“热斑（hot spot）”，将材料烧毁。此外，恢复时间也是限流器的一个重要参数，一般超导体的恢复时间为几秒，时间较长，不能满足电力系统快速重合闸操作的要求。必须通过增加超导长度和设计优良的旁路系统来降低恢复时间。

2）感应型超导故障限流器

图 1-3所示为感应型超导故障限流器的原理图，又称变压器型超导故障限流器[26]。原边绕组为铜绕组，串联在电网中。副边绕组为超导绕组直接短接。一般情况下原边绕组匝数n1远大于副边绕组匝数n2。当电网正常工作时，原边绕组中的电流为额定的工作电流。通过原副边绕组的磁场耦合，在副边绕组中感应的电流小于超导体的临界电流。超导绕组为超导态，而表现出很低的阻抗（Z0），那么变压器对电网来说也表现出很低的阻抗（Z0·n12/n22），于是限流器对电网正常运行影响很小。当电网发生短路故障时，在副边绕组中感应的电流大于超导体的临界电流，超导体失超，超导绕组阻抗瞬间增大，从而使短路电流得到有效地限制。

超导绕组 铜绕组 磁路

图 1-3 感应型超导故障限流器

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3）感应屏蔽型超导故障限流器

图 1-4为感应屏蔽型SFCL的原理图。高温超导屏蔽筒套在铁心上，筒外绕有初级铜绕组，使用时初级绕组被串联在电网中。在电网正常工作时，电网中电流为额定工作电流。工作电流在铜绕组中产生的磁通在超导筒中感应电流，该电流小于超导体的临界电流，超导体处于超导态，因此磁通被超导筒完全屏蔽而无法进入铁心。此时铜绕组相当于空心电抗器，感抗比较小，对电网影响比较小。当电网发生短路故障时，铜绕组中流过的电流迅速增大。超导筒因感应电流超过其临界电流而呈现足够大的电阻，使超导筒不能完全屏蔽铜绕组所产生的磁场，该磁场穿越超导筒而进入铁心。此时铜绕组相当于铁心电抗器，感抗比较大，从而限制短路电流[27]。

这种限流器仍然是利用了超导材料的超导态／正常态的转变时电阻率的非线性变化来限制故障电流的，故障时超导筒失超，需要较长恢复时间。

初级铜 绕组 超导屏蔽筒 铁芯

图 1-4 感应屏蔽型超导故障限流器

4）饱和铁心型超导故障限流器

饱和铁心型SFCL 的原理图如图 1-5所示。在电路中串联两个带铁心的电抗器（绕阻的同名端采取相反的接法），电抗器的直流偏置绕阻是超导线圈，选取适当的安匝数使两个电抗器的铁心在电力系统正常运行时均处于磁饱和状态，因而交流绕阻的阻抗很小。而当系统中出现短路等故障时，瞬间增大的电流使两个铁心在正、负半周期分别退出饱和状态，磁导率迅速增大，使交流线圈产生高感抗，从而自动地限制了电网中短路电流[28-29]。

RLL － DC ＋

图 1-5 饱和铁心型超导故障限流器

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1 绪论

饱和铁心型SFCL主要是利用磁性材料磁导率的非线性变化来实现限制短路电流功能的。超导直流线圈是由Bi系带材绕制的。饱和铁心型SFCL 对超导带材性能要求不高，它的作用是无阻地承载直流偏置电流，将铁心材料偏置到饱和态，故障状态下超导体不失超，因此不存在恢复时间的问题。另外，超导带材中是直流电，不存在交流损耗，不选用常规导体绕制直流偏置线圈，是为了避免消耗巨大的直流功率。缺点是需要直流供电电源，交流电路、磁路和直流电路相互作用，系统复杂，可靠性降低。

5）桥路型超导故障限流器

桥路型超导故障限流器主要由二极管（D1、D2、D3和D4）桥路、超导线圈和直流偏压源组成，如图 1-6所示。调节直流偏压源电压Ub，使超导线圈中电流IL达到I0（I0是偏压源Ub提供给超导线圈偏流的初始值），而I0大于电网电流峰值IAC，于是二极管D1、D2、D3和D4同时导通，此时电网处于正常工作状态。除二极管D1、D2、D3和D4上有较小的正向压降外，限流器对电网无任何影响。当电网发生短路故障时，电网电流迅速增大，当IAC增加到I0时，在电网电流正半周内D1和D2导通，D3和D4不导通；在电网电流负半周内D3和D4导通，D1和D2不导通。这样超导线圈被自动串入电网中，短路电流被超导线圈的大电感所限制[30-31]。

ILD1D3LACD4-Ub+IACD2LoadD 图四、图 桥路型超导故障限流器1-6 桥路型超导故障限流器 桥路型超导故障限流器的优点是限流速度快，而且限流期间超导线圈不失超，具有多次启动的特点，能够适合重合闸运行的要求。但是，在电网正常运行期间，超导线圈始终要流过大于电网电流幅值的直流电流，因此电流引线损耗较大。目前，单个二极管的耐压能力和耐流能力有限，在高电压和大电流情况下应用，需要多个二极管串联或并联，因此系统结构复杂，可靠性降低。

还有其他类型的限流器，如电感型超导故障限流器和适合直流输电系统的超导直流限制器等也处于广泛的研究之中[32-34]。

1.3 论文的主要内容

饱和铁心型超导故障限流器是利用铁磁材料的非线性来改变电感从而实现限制电流的目的，因此采用解析计算的方法很难完成饱和铁心型SFCL的设计。而分段直线

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等效替代磁化曲线，由于不能准确地描述饱和铁心型SFCL在限流状态时非线性电感随短路电流变化的关系，因此采用该方法设计会造成较大的误差。对于饱和铁心型SFCL的设计，目前还没有成熟的设计方法，因而220kV饱和铁心型SFCL的设计也就成了本文研究的重点与难点。

在此之前，课题组曾与北京云电英纳超导电缆有限公司合作完成了对35kV饱和铁心型超导故障限流器的设计与研究，其中课题组樊凯师兄完成了对35kV饱和铁心型超导故障限流器主要性能的仿真计算[35]。

本论文得到北京云电英纳超导电缆有限公司的资助，围绕合作项目内容，主要进行如下研究工作：

1）了解电力系统中的安全现状及短路电流的危害，掌握目前电力系统所采用的故

障限流技术及工作原理，调查限流器技术发展状况，对比分析各种超导故障限流器的优点与不足。

2）对三相饱和铁心型超导故障限流器样机进行磁场仿真计算，并通过与试验数据

对比验证仿真方法正确性。采用两种不同的方法计算样机正常工作时的电压，通过对比为设计220kV饱和铁心型SFCL选择合适的方法。

3）以限流能力和正常态工作电压为设计约束，成本最低为设计目标，根据

MATLAB和ANSYS的一系列仿真结果，对220kV三相饱和铁心型SFCL进行电磁设计，确定出一组性最合适的设计参数。

4）利用有限元分析软件ANSYS与电路仿真软件MATLAB，对三相饱和铁心型

SFCL进行瞬态仿真计算，并与设计要求对比，验证设计方法的正确性。 5）计算220kV饱和铁心型超导故障限流器的瞬态短路电流，并对其交流绕组在短

路故障状态时的电磁力进行计算与分析。

6）提出一种新式饱和铁心型SFCL，利用MATLAB与ANSYS软件对其瞬态及稳

态性能进行仿真计算，分析其与传统饱和铁心型SFCL相比性能的优劣性。

Equation Chapter (Next) Section 1

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