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《湖南大学》 2008年
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新型超导故障限流器的研究

张晚英  
【摘要】: 随着电网的扩容,电力设备的短路容量和短路电流不断增大,在电气设备上产生巨大的电动力和严重的发热,使电气设备的尺寸、重量和费用显著增加,过高的短路电流会严重威胁设备和人身安全。为了使短路电流值限于开关设备的额定范围内,最近几年,出现了许多限制电网故障电流的技术设备,较理想的是超导故障电流限制器(SCFCL),系统正常运行时,SCFCL对其无影响,若发生短路故障,则SCFCL的阻抗迅速增大以限制短路电流和短路容量。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,不仅可提高现存电网输送容量,还能提高系统的安全可靠性和供电质量。 本文首先综述了超导的基本特性和电性机理、寻找具有高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的超导体的探索历程,概述超导体在各个领域的应用技术,指出超导电力技术发展的方向。通过分析SCFCL的现状及各种样机结构,了解它们各自的特点和工作原理,基于电力系统对SCFCL的要求,从可靠性和降低系统绝缘水平等方面论述SCFCL的优越性。随后,重点研究和改进了磁屏蔽感应型、混合型和桥路型三类SCFCL。 1.磁屏蔽感应型高温超导故障电流限制器(HTSCFCL) 磁屏蔽感应型HTSCFCL,由一次铜绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,其工作原理是利用超导筒从超导态转变到正常态时,其阻抗的快速上升而限流。根据样机结构,得出数学模型,算出仿真电路的相关参数,利用MATLAB进行了仿真研究。 在磁屏蔽感应型HTSCFCL原理的基础上,提出并分析了一种改进的磁屏蔽感应型HTSCFCL,该限流器在原有磁屏蔽感应型HTSCFCL的结构上,增加了一个控制故障电流的铜环和一个在第二腿铁芯上的空气隙。铜环可限制故障电流,减少超导体的失超恢复时间,空气隙在大电流时,能有效地避免出现限制阻抗急剧下降。 另外,还提出了一种新型磁屏蔽感应型HTSCFCL,它由一次超导绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,利用超导绕组和超导筒,从超导态转变到正常态时,其阻抗的快速上升而限流。并对应用于三相系统的新型磁屏蔽感应型HTSCFCL进行了仿真研究。 仿真结果表明三种磁屏蔽感应型HTSCFCL,均能显著地减少暂态及稳态的故障电流,有效地提高系统的稳定性,对改善电网动态性能和提高电网电能质量,有十分重要的意义。 2.在研究混合型HTSCFCL和失超型桥式整流HTSCFCL原理的基础上,介绍了混合型HTSCFCL的概念。提出了一种新型单相混合型HTSCFCL,该限流器利用IGBT快速动作来控制保护电阻,IGBT在故障发生后的100μs内动作,并投入保护电阻。利用MATLAB进行仿真分析,研究结果表明该限流器设计参数准确,限流效果明显。 3.研究应用于三相电力系统中的偏流切换桥路型HTSCFCL(B-HTSCFCL)实验室样机。正常工作时,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流;发生短路故障时,整流桥中的直流偏流影响限流效果,将直流偏置电压源切换到限流电阻,使故障电流限制到预定的范围。研究了该限流器的工作原理,分析了限流参数的变化对限流特性的影响。实验和仿真表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统的动态稳定性和电网的电能质量。 最后对SCFCL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,介绍低温绝缘和实验技术。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SCFCL的产品开发奠定了基础。
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