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阻性直流高温超导限流器关键技术研究

姜喆  
【摘要】:随着直流工程在电压等级和传输容量上的不断突破,直流短路故障不断升级,为保护系统中的电气设备,一般需要在5ms之内将故障有效隔离。但直流短路电流在数毫秒时间内可达几万安培,且不存在自然过零点,给现有直流断路器快速清除直流短路故障,切断直流短路电流带来挑战。因此,有效地限制直流短路电流成为目前直流保护领域亟待解决的问题。近年来高温超导技术快速发展,YBCO高温超导材料实现了规模化生产和生产成本下降,由其构成的阻性直流高温超导限流器具有原理简单,集检测、触发、限流于一体,稳定运行时通态损耗小等优点,可以实现较理想的限流效果,为抑制直流故障电流上升速度和幅值提供了新的解决思路。论文针对阻性直流高温超导限流器关键技术问题,结合国内外研究现状,从YBCO高温超导带材特性的研究出发,对阻性高温超导限流单元和限流器的特性与设计方法,以及基于阻性高温直流超导限流器的直流电网保护策略进行深入分析与研究。对阻性高温超导限流器所使用的YBCO超导带材进行了临界电流各向异性和失超恢复特性的理论分析和实验研究。通过有限元仿真计算外磁场影响下的超导带材临界电流,建立数学模型描述超导材料失超及恢复的动态特性;调整直流冲击时间和峰值,获得不同直流冲击情况下,YBCO超导带材的失超恢复特性,以此得出超导带材失超恢复时间的计算方法,提出超导带材快速恢复温区的概念,对阻性直流超导限流器的设计制造有重要意义;通过实验探究了聚酰亚胺薄膜和PTFE膜两种绝缘材料对恢复时间的影响,提出一种加速超导带材失超恢复的绝缘薄膜缠绕方法。对阻性高温超导限流单元进行设计与实验研究。通过分析静态磁场模型和瞬态磁场模型,比较分析了两种无感线圈的磁场分布和临界电流和短路冲击时的电磁力,为阻性直流高温超导限流器限流单元的选择提供依据。采用无感饼式线圈作为阻性高温超导限流单元结构,基于有限元仿真模型计算无感饼式超导线圈的临界电流,得出阻性高温超导限流单元临界电流不受线圈匝数和排列个数影响的结论,制作阻性高温超导限流单元并对其进行临界电流试验、直流冲击试验,为限流器设计提供依据。提出阻性直流高温超导限流器设计方法,进行限流器在MMC直流系统中应用研究。对MMC换流器直流侧双极短路故障机理进行深入分析,建立短路电流计算模型和超导限流器限流过程的暂态模型,实现直流系统电路参数与限流器物理量的同步计算,以此为基础,针对MMC换流器直流侧双极短路故障,提出通过调整限流单元个数和串并联方式,形成满足MMC直流系统短路抑制率和重合闸动作时间要求的阻性直流高温超导限流器设计方法。提出基于阻性直流高温超导限流器的直流保护策略。制定阻性高温直流超导限流器与其他保护装置协调配合的多端柔性直流电网保护策略和直流保护装置动作时序,提出MMC换流器+阻性高温直流超导限流器+直流断路器配合方案。以国内某三端柔性直流工程中,架空线路双极短路故障为例,在PSCAD/EMTDC仿真平台验证了所提保护策略的有效性,实现直流故障选择性隔离,有效提升多端柔性直流输电系统运行的可靠性。


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