（电力系统及其自动化专业论文）一种新型短路电流限制器的设计与研究.pdf

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c o r ef c l 1 4 2 2 2p e r m a n e n tm a g n e t b a s e ds a t u r a t e di r o n - c o r ef c l 。15 2 3p r i n c i p l eo ft h en e wt o p o l o g ys a t u r a t e di r o n - c o r ef c l 16 2 3 ip r i n c i p l e 1 6 2 3 2b a s i cm a g n e t i z a t i o nc u r v e 17 2 3 3m a t h e m a t i c a lm o d e l 1 9 2 4a p p l i c a t i o n s 21 2 4 1a p p l i c a t i o n v a l u e 2 1 2 4 2i n s t a l l a t i o nl o c a t i o n 2 2 2 4 3i m p a c to ff c lo np o w e rs y s t e m 2 2 2 5s u m m a r y 2 4 c h a p t e r 3d e s i g no ft h en e wt o p o l o g ys a t u r a t e di r o n - c o r ef c l 2 5 3 is e l e c t i o no ft h ei r o n c o r em a t e r i a l 2 5 3 1 1p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rc o r em a t e r i a l s 2 5 3 1 2i r o n c o r es t r u c t u r e 3 1 3t h r e e - p h a s ec o r ec o m p o s i t i o na n dw i n d i n gs t r u c t u r e 3 2p a r a m e t e r sd e s i g no fi r o n - c o r ew i n d o w 山东大学硕士学位论文 3 2 1s p e c i f i c a t i o n s 3 2 ：；：! 2s a t u r a t e dc o r ef e a t u r e s 3 3 3 2 3d e s i g no ft h ep h y s i c a lp a r a m e t e r s 3 4 3 3d e s i g no fd cc o n t r o lc i r c u i t 3 6 3 3 1p r i n c i p l e 3 6 3 3 2t h e o r yo fd cc o n t r o lc i r c u i t 3 7 ：；：；3s i m u l a t i o n 4 1 ：；4d e s i g np r o c e d u r ea n de x a m p l ec a l c u l a t i o n 4 2 3 4 1i n t r o d u c t i o n 4 2 ：；4 2d e s i g np r o c e d u r e 4 2 ：；4 3e x a m p l ec a l c u l a t i o n 。4 5 3 5t h er e l a t e dp r o b l e m so f t h en e wt o p o l o g yf c l 4 6 ：；5 1i m p r o v e m e n tp r o g r a m 。4 6 3 5 2o p t i m a ld e s i g n 4 9 3 6s u m m a r y 5 1 c h a p t e r4s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fm o d e lm a c h i n e 5 3 4 1s i m u l a t i o n 5 3 4 1 1s i m u l a t i o np a r a m e t e r sa n dr e s u l t s 5 3 4 1 ：! c o n c l u s i o n s 5 7 4 2d e v e l o p m e n ta n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fm o d e lm a c h i n e 5 8 4 2 1r e s e a r c hp u r p o s e s 5 8 4 2 2m a c h i n es t r u c t u r e sa n dt e s te q u i p m e n t s 5 8 4 2 3t e s tt a s k 6 ( ) 4 2 4e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 6 1 4 3s u m m a r y 6 5 c h a p t e r5c o n c l u s i o n s 6 7 1 ；1 s u m m a r y & c o n c l u s i o n s 6 7 5 2f u t u r ew b r k 6 7 r e f e r e n c e s 6 9 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 5 l i s to ft h ep u b l i s h e da r t i c l e s 7 7 山东大学硕士学位论文 摘要 随着电网规模的扩大和互联程度的提高，发生故障后短路电流将急剧增 大，对电网的安全稳定运行造成威胁，因此采取必要的限流措施势在必行。 故障限流器( f a u l tc u r r e n tl i m i t e r - f c l ) 在限流原理上具有优良的特性，应用前 景广泛，已成为电力系统领域的主要研究热点之一。 本文提出了一种新型饱和铁芯型短路电流限制器的拓扑结构，对其进行 了理论分析与设计，并进行了实验研究。主要工作如下： 首先介绍了限流器的发展及研究现状。在分析饱和铁芯型短路电流限制 器的限流原理及对现今研究较多的超导饱和铁芯型和永磁饱和铁芯型限流器 研究的基础之上，提出了一种新型饱和铁芯型短路电流限制器的拓扑结构， 分析了其工作原理并建立了数学模型，并就其在电网中应用的相关问题进行 了分析。 对提出的新型拓扑结构短路电流限制器进行了设计研究。主要包括：讨 论了限流器铁芯材料的选择，对铁芯的材料性能和结构尺寸进行了研究，并 分析了几种三相饱和铁芯的构成；根据饱和铁芯的特性对铁芯参数和物理参 数进行了设计：提出了直流控制回路的组成结构，对其特点和应用中的相关 问题进行了探讨：给出了新型拓扑限流器的设计步骤，并进行了实例计算； 讨论了新型短路电流限制器的改进型方案，对新型限流器的优化设计方案进 行了研究。 本文应用a t p e m t p 构建了仿真模型，对设计的新型限流器进行了电磁 暂态仿真。仿真结果表明，新型短路电流限制器具有良好的限流效果，可以 达到设定的限流目标。研制了一台单相2 2 0 v 等级的模型机，对限流器的实 际限流效果和直流控制回路性能进行了实验研究，进一步验证了新型限流器 原理的可行性和设计方法的正确性。 关键词t 饱和铁芯型限流器；短路电流；铁芯结构；直流控制回路；优 化设计 a b s t r a c t t h ee x p a n s i o no ft h es c a l eo ft h er e g i o n a ln e t w o r ka n di m p r o v e m e n to ft h e p o w e rn e t w o r k i n gl e a dt os h a r p l yi n c r e a s ei ns h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta f t e rt h ef a u l t o c t u r r e d a n dt h e nt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e rg r i dw o u l db et h r e a t e n e d ， s oi ti si m p e r a t i v et ot a k eap r o p e rm e a s u r et ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t i n p r i n c i p l e ，t h ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rh a se x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，a n di tb e c a m ea p o p u l a rr e s e a r c h i n gf o c u si nt h ef i e l do fp o w e rs y s t e m t h i sp a p e rp r o p o s e san e wt o p o l o g yo ft h e s a t u r a t e d i r o n 。c o r et y p ef a u l t c u r r e n tl i m i t e r , a n dt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s & d e s i g na n ds i m u l a t i o nw e r ec a r r i e d o u t m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n ga n dr e s e a r c h i n gs t a t u si nq u oo ff a u l tc u r r e n tl i m i t e ri s i n t r o d u c e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l eo fs a t u r a t e di r o nc o r e f c l ，a n ds o m er e s e a r c h e s o ft h es a t u r a t e di r o nc o r et y p el i m i t e rw h i c h r e s e a r c h i n g m o r es u c ha ss u p e r c o n d u c t i n g s a t u r a t e di r o nc o r ef c la n d p e r m a n e n tm a g n e ts a t u r a t e di r o n c o r ef c l ，p r e s e n t san e wt o p o l o g yo ft h e s a t u r a t e di r o n c o r et y p ef a u l tc u r r e n tl i m i t e r , a n a l y z e si t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n d e s t a b l i s h e si t sm a t h e m a t i c a lm o d e l ，a n ds o m er e l a t e di s s u e sa b o u ti t sa p p l i c a t i o n i nt h eg r i dw e r ea n a l y z e d t h en e wt o p o l o g yf a u l tc u r r e n tl i m i t e rw a sd e s i g n e d i n c l u d e ：d i s c u s s e dt h e s e l e c t i o no ft h ei r o n c o r em a t e r i a l s ，c o n s i d e r e dt h ei r o n - c o r em a t e r i a l so nt h e p r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r es i z e ，a n da n a l y z e dt h ec o m p o s i t i o n o fs e v e r a lt h r e e p h a s e s a t u r a t e di r o n c o r e t h ei r o n - c o r ep a r a m e t e r sa n dp h y s i c a lp a r a m e t e r sw e r e d e s i g n e d ，b a s e do nt h e i r o nc o r es a t u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s p r e s e n t e dan e w t o p o l o g yd cc o n t r o l c i r c u i t ，a n de l a b o r a t e di t s c h a r a c t e r i s t i c sa n di s s u e s i n a p p l i c a t i o n r a i s e dan e wt o p o l o g i c a lf c ld e s i g nm e t h o d ，a n dt h ee x a m p l ew a s c a l c u l a t e d s i m u l t a n e o u s l y ，s o m ee f f o r t sh a v eb e e nd o n ew i t ht h ei m p r o v e m e n t a n do p t i m i z a t i o na b o u tt h ep r o p o s e dn e wt o p o l o g yf c l i l l 厂_ 二大学硕士学位论文 m e a n w h i l e ，t h ee l e c t r o - m a g n e t i ct r a n s i e n ts i m u l a t i o no ft h en e wt o p o l o g yf a u l t c u r r e n tl i m i t e rw a sc a r r i e do u t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e ws h o r t c i r c u i t c u r r e n tl i m i t e rh a sag o o dl i m i t i n ga b i l i t y , a n di tc a nl i m i tt h ef a u l tc u r r e n tt o d e s i r e dl e v e l as i n g l e - p h a s e2 2 0 vc l a s sm o d e lm a c h i n eo ft h ef a u l tc u r r e n t l i m i t e rh a sb e e nm a n u f a c t u r e d ，a n dt h ea c t u a ll i m i t i n ge f f o r ta n dt h ep r i n c i p l eo f t h ed cc o n t r o lc i r c u i to ft h ef a u l tc u r r e n tl i m i t e rw e r es t u d i e d ，v e r i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo ft h ep r i n c i p l eo ft h en e wf c la n dt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g n m e t h o d k e yw o r d s ：s a t u r a t e di r o n - c o r ef c l ；i r o n - c o r es t r u c t u r e ；s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t ； d cc o n t r o lc i r c u i t ；o p t i m a ld e s i g n i v 山东大学硕士学位论文 一 第一章绪论 1 1 短路电流限制器的研究意义 随着人们对电力需求的不断增长和对供电质量要求的不断提高，现代电 力系统不断向特高压、大容量、大电网方向发展，电网间的联系越来越紧密， 电力系统中短路电流水平急剧增大。由于现有运行设备是在来原来的电网容 量基础之上并考虑一定裕度设计的，那么增大的短路电流可能对电网设备造 成冲击甚至毁坏，不能满足短路的动热稳定性要求，这对电网的安全稳定运 行产生威胁，严重的甚至会造成区域系统解列。为了应对短路电流的增加， 采取的措施往往是对现有的设备进行升级，提高断路器的开断容量。目前， 西门子公司制造的g i s 断路器开断电流最大可达l o o k a ，我国平高集团能够 提供的5 0 0 k v 断路器的最大遮断电流为6 3 k a ，超过此限额就无法正常切断 了，而且一般认为断路器遮断容量太大是不经济的。一般断路器的分闸时间 约2 0 1 5 0 m s ，全开断时间至少也需要几十毫秒，而短路电流的最大峰值往往 出现在第一半波。这样，采用高参数断路器，不仅其本身制造难度和造价很 高，而且它根本不可能使发、变电设备免受短路电流峰值电动力和热效应的 冲击【。 为了限制短路电流水平，常规限制短路电流水平的措施主要从电网结构、 系统运行方式和设备三个方面考虑【2 l ： ( 1 ) 电网结构方面：采用高一级电压或直流联网等方式控制系统短路电 流。 ( 2 ) 系统运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单元接线方式； 对环型网络可以在环网中穿越功率最小处开环运行；对双回线路在负荷允许 条件下可以按单回路运行；在降压变电所中可采用多母线分列运行或母线分 段运行。 ( 3 ) 设备方面：在发电厂或者变电站的母线及出线上加装限流电抗器； 采用高阻抗设备以提高发电机和变压器的短路阻抗；相应的增大断路器等设 备的容量等。 大学硕士学位论文 短路电流水平的投资费用很大，调整运行方式和 设备将降低电网运行的可靠性【2 1 。而一味提高断路器的开断能力无论在技术 方面还是在经济方面都很困难，即使断路器能切断故障线路，仍将使电机、 电缆和开关等设备受到巨大的热和机械应力而有损坏的危险。此外，传统的 机械断路器响应速度慢，切断短路电流通常需要两个或两个以上的周期，而 且体积大、价格昂贵，由于产生的电弧易烧损电触头，需要经常维修或更换。 因此，近年来国内外都致力于研制现代化的短路电流限制器( 简称限流器， f a u l tc u r r e n tl i m i t e r f c l ) 以限制短路电流。快速限流器和断路器的配合使用 能够将短路容量控制在断路器的瞬时容量和切断容量以内，从而延长了断路 器和变压器的使用寿命，带来显著的经济效益。 限流器对电网最直接的作用是限制系统短路电流水平，另外对于其它方 面也具有重要的意义，主要体现在【3 - 4 】： ( 1 ) 减小短路电流对电网设备的电动力和热效应，从而提高电力系统动、 热稳定性。 ( 2 ) 由于可以限制短路电流值，可以减少系统电抗值，从而提高电力系 统静稳定性，提高供电质量，以及降低某些设备如电力变压器的造价。 ( 3 ) 解决由于短路电流过大而无法解决的联网问题，增加电网运行的可 靠性、经济性和灵活性。 ( 4 ) 降低设备的设计要求，便于选择轻型设备，同时解决断路器开断容 量不足的问题。 ( 5 ) 与当前应用的限流电抗器相比，可减少有功和无功损耗，并提高供 电质量。 ( 6 ) 在电网出现短路故障时，可减少电压降低的影响范围，提高供电可 靠性。 ( 7 ) 与常规高压断路器比较，能自动抑制短路电流且不需继电保护系统， 没有机械部分，动作快。 ( 8 ) 协助控制系统中的潮流分布，并能隔离局域电力系统、缩小故障波 及范围。 2 山东大学硕士学位论文 1 2 短路电流限制器的发展与现状 短路电流限制器是一种串联在线路中的电气设备，其基本思想是在电网 正常运行时限流器呈现小阻抗，对系统影响不大；而在电网发生故障时起阻 抗迅速变大以将短路电流峰值限制在断路器开断容量之内，以满足现有断路 器在不超过其开断能力的前提下切断短路电流。 一个性能优越的限流器除了应满足运行安全可靠、符合电力设备制造标 准、基准冲击电压绝缘水平符合要求以及能与现行的电网保护措施兼容等基 本要求外，还应尽量满足以下技术要求【5 】： ( 1 ) 反应速度快，必须能限制短路电流的第一个峰值： ( 2 ) 可触发，最好是在出现故障时自动触发： ( 3 ) 最少能将短路电流降低约5 0 ； ( 4 ) 当故障线路被断路器开断后，能自动快速复位并能在几秒内多次动 作( 最少两次) 以配合重新合闸； ( 5 ) 正常运行时具有低的能耗； ( 6 ) 可靠性高( 最少要高于与之协同运行的断路器的可靠性) ； ( 7 ) 合理的成本价格。 由于应用限流器可以大幅度降低短路电流，电力系统的稳定性得到有效 改善，电网和设备事故的影响可得到有效的控制；同时，由于限流器是在短 路电流的第一个峰值之前就发挥作用，许多设备所需求的热稳定极限和动稳 定极限均可降低，电网的热极限和稳定极限比减小，从而大大提高输电线的 利用率和输电极限，降低整个电网的投资，所以限流器被认为是2 l 世纪电力 系统主要研究热点方向之一【6 引。 1 2 1 机械开关型限流器 在7 0 年代国际上就有人提出在电网中采用限流器来限制短路电流，此后 至8 0 年代初期，不断有人对此进行研究。这可视为限流器发展的第一阶段， 其特点是使用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题，装置成本高、速度慢 以及难以灵活控制，只能在第一半波后起作用，不能够限制短路电流的峰值， 故未能在电力系统中得到实际应用【9 。1 1 】。 东大学硕士学位论文 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，由于新技术出现和原有技术的发展，又有新 型的f c l 出现，即自愈合熔丝型【1 2 1 和串联电弧设备型f 1 3 小1 。自愈合熔丝中汽 一 化产生的等离子体具有腐蚀性，因此装置的动作次数受到限制；串联电弧设 备型的动作次数同样受到限制，都未能得到使用。 1 2 2 超导型限流器 在原理上，利用超导材料制造限流器具有独特的优势，从2 0 世纪7 0 年代 开始就不断有人进行超导限流器的理论研究和样机试验。目前尽管超导限流 器还处于研发阶段，但由于电网需求的广泛性和急迫性，再加上它独特的性 能优势，其发展前景不容低估【l 引。 超导限流器( s f c l ) 具有多种结构类型，按器件的性质来说，可分为电阻 型和电感型。电阻型超导限流器是利用电阻的变化来通流和限流的，而电感 型超导限流器则是利用感应电势的变化实现通流和限流的。 图1 1 超导型限流器原理图 ( 1 ) 电阻型超导限流器【1 6 。1 7 】的工作原理如图1 1 ( a ) 。它直接或间接的串联 在线路中。正常输电时，超导限流器处于超导状态，电阻几乎为零，对电网 影响很小；当电网发生短路故障时，其短路电流将大于超导限流器的临界电 流，该限流器就会在不到l m s 的时间内失超，从而有效地限制短路电流。其 优点是工作原理和结构简单，反应速度快。缺点在于当电力系统正常运行时， 超导体流过所有的线路电流，导致超导体的交流损耗较大，必须采用大电流 低损耗超导线；而且由于受超导材料物理和机械性能的局限性，要制造一台 ， 有使用价值的电阻型超导限流器，需要大量的超导材料，导致制造成本十分 昂贵，设备的体积也过于庞大。 另外，电力系统要求限流设备在起作用后的数百毫秒内恢复到原始状态 以满足重合闸要求，而由于热效应等原因，失超后的快速恢复在技术实现上 4 颇具难度。因此， 偿失的。 ( 2 ) 电感型超 路结构类型。一般是利用超导材料的零电阻特性实现，此外还有利用超导材 料的完全抗磁特性实现的磁屏蔽型超导限流器【1 8 j9 1 ，如图1 1 ( b ) 。这种限流 器由外侧初级常规导体绕组、中间次级超导空心圆筒和内层铁芯等同心装配 组成，其限流原理是利用变压器原边电感值随着超导圆筒的磁屏蔽效应而改 变来实现的。磁屏蔽型超导限流器所需的高温超导材料是各种类型超导限流 器中最少的，因超导屏蔽筒的交流损耗低，且不需要电流引线，热负荷小， 可以用g m 制冷机来冷却；装置外侧的杂散磁场小。但是装置重量较重，故 障恢复时间较长，要做两套装置才能用于快速重合闸，并需要转换开关；限 制期间有瞬态过电压。 超导饱和铁芯型限流器【2 0 2 1 1 的结构如图1 ic e ) 所示。它主要由铁芯、交 流绕组、超导直流偏置绕组和直流恒流电源组成。系统正常运行时，超导绕组 产生的直流偏置场，使铁心处于深度饱和状态，交流绕组在电网中表现为低 阻抗状态。当电网发生短路故障时，短路电流使两个铁芯在一个周期内交替 饱和，交流绕组的阻抗迅速增大，从而自动限制短路电流的增加。此类型限 流器在限流期间超导线圈不失超，有多次自动起动能力，适于多次重合闸运 行；超导线圈是直流的，所需的直流超导电缆较易制造，可采用金属杜瓦， 真空容器用铝合金作电磁屏蔽：正常运行于故障状态间的转变是渐变的，过 电压小。但是，铁芯和常规绕组尺寸要按2 倍的故障功率设计，所以装置很 笨重；正常运行期间铁芯处于饱和状态，有显著的漏磁场；限流期间铁芯因 反复饱和与去饱和会产生显著的电压谐波。 很多文献提出有源桥路型超导限流器【2 2 。2 3 】，如图1 1 ( d ) 所示，由二极管 桥路、超导线圈和偏压源v 组成。电力系统正常运行时，偏压源为超导线圈 提供偏流，使，大子线路电流的峰值，因而二极管桥路始终导通，除二极 管相对电力系统的极小管压降外，对电力系统的正常运行没有影响。当系统 发生短路故障，故障电流迅速上升，当幅值达到，。时，在电源电压的正半波 和负半波两对二极管喝，饿和阳：，咀分别截止，超导线圈开始串入故障电路 中，当故障电流超过超导线圈的临界电流，超导线圈失超呈高阻抗，从而限 山东大学硕士学位论文 制短路电流。有源型s f c l 充分利用超导体高密度无阻载流能力，并结合电力 电子技术和现代控制技术具有快速反应和实现灵活控制的特点，实现了有源 - 限流，突破了以往超导限流器的局限性。随着电力电子技术和现代控制技术 的不断发展，器件的价格和损耗不断降低，控制精度和反应速度不断提高， 以及实用高温超导材料特别是第二代高温超导带材的不断发展，有源超导限 流器将具有很好的应用前景。 在我国，超导限流器的研究和开发方面还处于起步阶段，与国外差距较 大，因超导材料方面限制，我国对s f c l 的研究起步较晚，但发展较快。目前 国内很多高校及科研单位研究了一些大型的超导限流器模型。中科院电工研 究所研制的1 0 5 k v 1 5 k a 的h t s c f c l 示范样机，性能指标达到了国际先进水 平，并于2 0 0 5 年初开始在湖南进行并网挂机试验。我国设计制成的世界上第 一台3 5 k v 超导限流器2 0 0 7 年8 月已成功在云南电网公司挂网运行【2 4 2 5 1 。 1 2 3 电力电子型限流器 从8 0 年代中后期，随着一系列新技术的出现和原有技术的发展，出现了 很多新型的限流技术，其中电力电子型限流器由于采用了功率电力电子技术， 具有动作速度快、可以反复使用以及控制简单等优点，在电力系统中被广泛 认为有巨大的发展前景，电力电子型限流器又称固态限流器。 z n o ( 6 )( c )0 ) 图1 2 电力电子型限流器原理图 g t o 开关型限流器【2 6 l1 9 9 2 年由美国e p r i 公司提出如图1 - 2 ( a ) ，该限流器 主要由一组反并联的g t o 与限流电感l 并联组成，正常运行时g t o 导通，将 - 限流电感短接；一旦发生短路，在短路电流达到第一个峰值前迅速将g t o 断 开，使电感l 插入短路回路以限制短路电流。 谐振式限流器【2 孔2 8 】主要是分别利用串联谐振电路的阻抗为零、并联谐振 电路的导纳为零