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《湖南大学》 2004年
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超导故障限流器的研究

张绪红  
【摘要】:随着电网容量的扩大,短路电流值不断增高,严重威胁着设备和人身安全。为了降低短路电流值于开关设备可断开的水平之内,有时不得不分割系统,或者采用一些限制短路电流的措施,如利用空芯电抗器、热敏电阻、高内阻变压器、可关断晶闸管等限流,但这些方法均会给系统带来负面影响或存在使用条件的限制。利用超导体制作的超导限流器(SCFCL)是一种具有革新意义的理想限流装置,系统正常运行时,SCFCL对系统无影响,若发生短路故障时,SCFCL的阻抗迅速增大以限制短路电流。SCFCL集检测、触发和限流于一体,具有自恢复功能,若能将其实用化,不仅可降低系统保护装置的规格或提高现存电网输送容量,还可提高系统的安全可靠性和供电质量。 本文首先介绍了超导的基本特性以及决定超导/正常转换的三个临界参量,扼要阐述了其电性机理,回顾了寻找具有高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的可应用超导体的艰难历程,概述了超导体在能源、交通、医学、军事及科研领域的电工技术,指出了超导电力技术发展的方向,综述了SCFCL的研究现状,介绍了各种样机结构,分析了它们各自的特点和工作原理,提出了电力系统对SCFCL的要求,运用工程经济学的现值法,分析了SCFCL的巨大经济效益,并从可靠性和降低系统绝缘水平两个方面论述SCFCL的技术利益。随后,重点研究了磁屏蔽感应型、三相电抗器型和饱和铁芯型三类超导故障限流器。 磁屏蔽感应型SCFCL由一次筒绕组、二次超导屏蔽筒、铁芯和冷冻箱构成。正常状态下,超导筒的感应电流小于它的临界电流值,处于超导态,从而屏蔽了铜绕组产生的磁通,筒内无磁通穿过,铜绕组相当于空心线圈,对系统几乎无影响。若出现短路故障,超导筒因感应电流超过临界值,失超转入正常态,失去磁屏蔽作用,铜绕组的阻抗值迅速上升,从而限制短路电流。本文构建了磁屏蔽感应型超导故障限流器的动态数学模型和等效电路,并对国外一样机进行了仿真实验,获得了与该样机实验近乎一致的结果,为设计和研究该类型限流器提供了新的方法和思路,并通过仿真,研究了超导筒失超电阻、一次绕组匝数、铁芯截面积、时间响应等参数对限流效果的影响。研究了基于磁通跳跃的失超机理的设计方法,并给出了其临界屏蔽场、铁芯特性和限制阻抗等设计指标参数的表达式。 三相电抗器型SCFCL由三个同匝数的超导绕组绕在单一铁芯上组成,正常工作时阻抗为零,接地短路时,相当于串联了一个大电感,若发生三相或两相短路,超导体失超,电阻突然增大;文章从三相电力系统电流特征出发,推导出了三相电抗器型SCFCL在各种故障状况下的阻抗,将该类型限流器从结构、功耗、限流效果几个方面与常规限流分裂电抗器进行了比较,在深入分析原理的基础 超导故障限流器的研究 上,构建了等效电路,设计了一个样机,并通过对样机的仿真实验,证明了理论 分析的正确性。 饱和铁芯型SCFCL由两个铁芯组成,每个铁芯上有一个交流铜绕组和一个 直流磁化超导绕组,系统无故障时,铁芯工作在深度饱和区,交流铜绕组的感抗 非常小,ScFCL对系统无影响,若发生短路故障,铁芯脱离饱和区,交流绕组的 感抗突然增大从而限制短路电流。针对饱和铁芯型SCFCL的这一特殊工作原理, 引入了J一A磁化曲线模型,构建了含饱和铁芯型SCFCL的动态方程,在此基础 上,提出了基于数字计算的设计方法,给出了设计步骤。此方法还为含铁芯的电 器装置的设计提供了新的思路。并研制了一个小型模型机,对该限流器进行了短 路实验。通过实验,深入研究了限流阻抗、磁化电流、电源电压、负载电阻、SCFCL 电压降、功耗几个物理量之间的关系。 本文最后对超导限流器的电流引线技术、降低功率损耗和限流器保护等方面 进行了深入的研究,结合模型机,介绍了限流器的低温绝缘与绕制技术。以上所 有工作不仅从理论和实验两方面论证了SCFCL的可行性和优越性,而且为超导 限流器的产品开发奠定了的基础。
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