饱和铁芯型高温超导故障限流器的仿真分析与计算.doc

精品文档饱和铁芯型高温超导故障限流器的仿真分析与计算1欢迎下载1欢迎下载1欢迎下载。硕士学位论文饱和铁芯型高温超导故障限流器的仿真分析与计算Simulation and Analysis for Saturated Core High Temperature Superconducting Fault Current Limiter精品文档论文题目：饱和铁芯型高温超导故障限流器的仿真分析与计算摘 要随着电力系统容量的不断增加，电网短路电流水平也随之增大，可能超过断路器的额定开断容量，使得开关不能正常动作。传统的限制短路电流的方法是加装限流电抗器，其缺点是在系统正常运行时有一定的电压降和能耗。若用超导故障限流器(SFCL)取而代之，当系统正常运行时，限流器处于超导态，损耗小，对电力系统运行几乎无影响；一旦电网发生故障，SFCL瞬时产生高阻抗，从而有效地限制故障电流。本文主要分析研究了三相饱和铁芯型超导限流器的运行特性以及结构对其的影响因素，探索高效仿真计算方法。首先分析了饱和铁芯型超导故障限流器的工作原理及其特点，并在磁化曲线分段线性化的基础上，进行电磁理论分析；分析铁芯磁场分布与铁芯气隙之间的关系，铁芯交流柱要达到一定的磁感应强度，在有气隙时比无气隙时需要更大的直流励磁；当直流励磁足够大时，能够抵消气隙的影响，使铁芯进入同等程度的饱和深度；直流励磁一定时，截面比越大，有气隙时和无气隙时铁芯交流柱磁场越接近，即截面比越大气隙的影响越小。为限流器的设计提供分析方法和理论依据。其次基于能量摄动法计算饱和铁芯型SFCL非线性电感，结合电路方程组对三相饱和铁芯型SFCL的瞬态特性进行仿真；并将380V三相饱和铁芯型SFCL样机的仿真结果与试验数据进行对比分析，结果基本相符；并用该方法对35kVSFCL样机的瞬态仿真计算，所计算的参数达到设计要求。最后对三相饱和铁芯型SFCL的绕组电动力、稳态压降和铁芯夹件涡流损耗进行计算。结果表明，35kV三相饱和铁芯型SFCL的设计参数，在抗短路电动力及稳态压降方面已达到设计要求；380V样机稳态压降的计算结果与实验数据吻合；涡流损耗主要集中在与交流线圈端部接近的地方，并且在限流状态时夹件涡流损耗迅速增大，此时局部发热问题也更加严重，因此，在不影响夹件机械强度的条件下，合理地在涡流相对集中的地方开槽或开孔可以减小涡流损耗。51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载51欢迎下载。精品文档ABSTRACTAs electric power systems grow and become more interconnected, the fault currents levels have risen to exceed the available circuit breaker interruption ratings. Traditionally, to alleviate the cost of replacements of switchgears and buses, large resistors or series reactors have been used to limit the short circuit currents, so that the underrated switchgears can be operated safely. Unfortunately, resistors or reactors can cause power losses and voltage drop under normal operating conditions, thus weakening the system, Due to its low-loss nature in superconducting condition during non-fault operating, Superconducting fault current limiter(SFCL) offers a good solution to current limiting. In the event of a fault, SFCL inserts impedance into the circuit and limits the fault currents to safe level.First, the operating principle and the characteristics of the saturated core SFCL are analyzed. The relations between the static operation points and air space in the core are have been achived. The SFCL need greater DC current to reach its operation point when has air space in the core; when the DC current is great enough, the influence of the air space could be ignored. This reseach provides analytical method and instruction to the SFCL design.Second, the nonlinear inductance is computed by energy perturbation method, and the transient performance of the SFCL is simulated by the method combining 3D FEA and circuit differential equation. The simulation results of the 380V three-phase Saturated Core SFCL prototype. are in accordance with the experimental ones. And the transient performance of the 35kV three-phase Saturated Core SFCL prototype is satisfying.Last, the magnetic force of the SFCL windings, the voltage of normal state and the eddy losse of the fixing devics are calculated. The results indicate that the resistant to short curent magnetic force 35kV three-phase Saturated Core SFCL prototype. The calculated voltage of the 380V three-phase Saturated Core SFCL is in accordance with the experimental result. The eddy losse is concentrated in the part of the fixing devics nearby the windings, which is rising sharply when fault occur. So, opening pores or flutings in the fixing devics reasonably which the eddy losse concentrates in could reduces the eddy losse, on the condition that the mechanical robustness of the SFCL is acceptable.精品文档精品文档在每一章的末尾插入下一章的MathType的章标记（打印前将其字体颜色变为白色，在打印预览中看不见即可）：精品文档1 绪论1.1 电力系统中的短路电流及限制措施1.1.1 电力系统中的短路电流电力工业是保证国民经济发展的重要基础产业，电力系统的安全稳定运行，是国民经济持续发展的根本保证。然而，由于受到电力系统自身原因和外部干扰的影响(包括自然灾害和人为因素，如误操作、蓄意破坏等)，电网事故时有发生，不但使电力企业经济效益受到损失，而且对电力用户和整个社会都造成严重影响。世界各国都发生过因电力系统稳定遭破坏而导致大面积停电的重大事故，如1996年7月8月美国西部接连两次大停电事故，美国总统认为停电事故已“危及国家安全”；2003年下半年在北美、英国伦敦、瑞典、丹麦、意大利先后发生大面积停电事故，更是震惊世界Error! Reference source not found.。在各种各样的电力系统事故中，短路故障是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电事故最为常见的严重故障之一。短路故障对电力系统破坏的严重程度主要取决于短路电流的大小。近年来，随着我国电力建设事业的不断发展、用电负荷的不断增加、低阻抗大容量变压器的应用、发电厂及发电机单机容量的不断增大以及各大区电网的互联等，使得电力系统中的短路电流水平不断提高，许多地区特别是沿海经济发达地区电网的短路电流水平已经直逼甚至超过电力规程所规定的最大允许水平。目前还没有相应大容量断路器可供选配，一旦发生短路电流过大，将遇到断路器难以开断短路电流的现象，给电力系统安全、稳定运行以及电力系统中各种电气设备（如断路器、变压器、变电站母线、线路构架、导线和支承绝缘子以及接地网等）提出了更为苛刻的要求，并已成为我国各大区电网，特别是经济发达地区电力系统安全、稳定运行的严重隐患和关键技术难题之一，同时在某些情况下实际上已成为制约电力建设和进一步发展的瓶颈。因此，寻找有效的短路限流措施，以限制电力系统的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种电气设备的负担，提高其工作可靠性和使用寿命，提高电力系统的运行可靠性，已成为目前我国电力系统安全稳定运行和电力建设、发展的迫切问题Error! Reference source not found.。宏观上讲，有效限制短路电流不仅可以解决电力系统短路容量超标问题，还可能大大降低电网中各种电气设备如变压器、断路器等对短路电流的设计容量标准，从而带来更大的经济效益和社会效益。因此对短路电流的限流技术，长期以来都是国内外电力系统和科研工作者关注的一个热点问题。1.1.2 限制短路电流的现行措施为了限制短路电流水平，减小短路引起的电压降落，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Error! Reference source not found.： 电网结构方面：往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平。在进行大功率、远距离输电时，采用直流输电联网，短路电流水平可以明显降低。 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；对环形供电网络可以在环网中穿越功率最小处开环运行；对具有双回线的线路，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。 设备方面：采用高阻抗变压器、分列电抗器、分段电抗器和出线电抗器等，在厂用系统及10-35kV 变电所中采用串联电抗器，都可以在一定程度上减小短路电流。实践表明，通过改造电力网结构限制短路电流水平的费用极其昂贵；改变系统运行方式容易造成电力系统运行不稳定；在设备端加装电抗器、高阻抗变压器等则会导致网络损耗增加，并降低系统的稳定性。因此，为保证电力系统安全稳定运行，快速限制短路电流水平就成为当前电力系统极其紧迫的问题。随着超导技术和超导材料研究的进步以及灵活交流输电技术(FACTS)的发展，超导故障限流器(英文缩写SFCL)将给电力系统限流技术带来新的思路。超导限流器使用于高压电网，完全是一种独特的解决方案，可有效地限制短路故障后系统的短路电流。在电力系统正常工作时，SFCL处于超导态，几乎不消耗能量，对系统无影响；一旦发生故障， SFCL瞬间失超，产生一个很大的限流电阻来抑制短路故障电流，从而改善电力系统的动态稳定性。虽然， SFCL有待于超导材料的进一步突破，但是超导限流技术的确是一项全新的技术，在世界范围内已经掀起研究高潮，成为二十一世纪电网技术发展的前沿课题之一Error! Reference source not found.-Error! Reference source not found.。1.2 高温超导故障限流器1.2.1 高温超导故障限流器发展简介及发展前景随着电力系统装机容量的不断增大，电网的短路电流水平也迅速增大Error! Reference source not found.，因此，快速限制故障电流对电网安全甚为重要。但是经过半个世纪的努力，人们仍未找到理想的解决办法。理想的故障限流器应具有如下特征：正常运行时稳定且阻抗几乎为零；当电网发生短路故障时，应立刻转变为大阻抗；故障切除后应立即返回原来的状态；短期内能够承受多次故障电流的冲击等。高压开关、高阻抗变压器、熔丝、空心电抗器等都不能完全满足这些要求。因此，1986 年发现高温超导材料后，又开始新一轮 SFCL 的研究。目前，美国、德国、日本、法国、瑞士、澳大利亚、加拿大和中国等国都相继开展了 SFCL 的研究工作。当前，国际上适应配电系统的高温超导限流器的技术性能已经接近应用的水平，但总体仍处于试验阶段。美国是最先提出超导故障限流器的国家，从1982年起，美国的 LosAlamos National Laboratory (LANL)、American Superconductor Corporation(ASC)、Lockheed Martin Corporation(LMC)就开始了第一阶段的桥路型SFCL的研究工作；后来在美国能源部(DOE)的支持下，在 Southern California Edison 成功试验了一台 2.4kV/100A 的样机。此后，美国通用原子能公司 GeneralAtomics(GA) 和 IGC公司加入第二阶段的 SFCL 的研究工作，他们与 LANL、ASC 和 LMC 合作，并在美国能源部的大力支持下，于1999年用Bi-2223银基导线研制出了15kV/1.2kA桥路型高温超导故障限流器(HTSFCL)，短路试验时，故障电流缩减率达 80%。日本的 SeiKei University 和中央电力试验研究所 Central Research Instituteof Electric Power Industry（CRIEPI）在 1988 年用 NbTi 制备了 600V/6A 的三相电抗器型SFCL，并进行了电网试验。CRIEPI 在1995年用BSCCO-2212和BSCCO-2223第一次构造了感应型 SFCL。三菱电力公司 Mitsubishi Electric Company(MELCO)与东京电力公司 Tokyo Electric Power Company(TEPCO)从 1990 年起合作利用高温超导薄膜(HTS film)研制 500kV/8kA 的 SFCL，力争在 2010 年，能运行在 500kV 超高压电网上。法国电力公司 Electricite de France、GECAlsthom 公司和 AlcatelAlsthom 公司于 1992 年研制了 63kVrms/1.25kArms/5.3kApeak 的混合型 SFCL。瑞士 ABB 公司利用 Bi-2212 成功研制出三相 1.2MW 的磁屏蔽型超导故障限流器，并准备安装在 Lontsch 变电站投入试运行。德国Sienens公司和加拿大 Hydro-Quebec公司利用YBCO薄膜研制100kVA电阻型SFCL。从1997年开始至今，德国卡尔斯鲁厄研究中心(FZK)的技术物理所(ITP)、卡尔斯鲁厄大学电机系、以色列特拉维夫大学电机系及 Hoechst AG 公司一直在合作开展感应型 SFCL 的研制及试验。英国于1982年提出了饱和铁芯型超导故障限流器构想，并使用了3kV/556A样机。澳大利亚 Wollongong University 超导和电子材料中心在窦士学教授的领导下，于 1997 年研制出套银陶瓷 HTC 线材，在 77K 液氮温度及零外场的条件下，临界电流密度 Jc 达到 6.9kA/cm2 ，利用其制备的 HTSFCL 在 6.9kV 电网上试验，结果证明其能有效地抑制故障电流。中国科学院电工所于1997年在国家超导中心支持下，开始研制1kV/100A桥路型 SFCL，并于1999年成功进行了样机的短路试验，短路时故障电流缩减率达40%。2004 年底，中国科学院电工研究所、中国科学院理化所、北京蓝天高科技公司共同研制出 10.5 kV/1.5kA三相高温超导限流器样机，并对样机进行了各项并网前的检验和模拟试验。2005年5月，中国科学院电工研究所、湖南省电力试验研究院与娄底电业局共同合作，在娄底市高溪 110 kV 变电站进行试验场地改造、设备系统安装、系统集成和并网前测试工作。8月13日，高温超导限流器样机经过三次10.5 kV充压试验，投入高溪至百亩一线进行24小时空载试验。8月14日，高温超导限流器开始进行三相接地短路试验，并成功地将3500A短路电流限制到635A，短路电流缩减率达到82%，随后进入试验运行。2007年11月，北京云电英纳超导电缆有限公司研制的35kV饱和铁芯型超导限流器样机云南挂网运行。若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线保护等问题能解决，那么就高温超导强电应用而言，最先得到实际应用的将是超导故障限流器，因此 SFCL 在电力系统中具有广泛的应用前景，到 2010 年，我国对高温超导限流器的市场需求量可达到4万台，因此，具有很好的经济效益和社会效益Error! Reference source not found.-Error! Reference source not found.。1.2.2 高温超导故障限流器的分类高温超导故障限流器可以根据超导材料的形态，限流器的工作原理进行分类。根据超导体材料的形态，可分为使用块材（包括超导圆筒、超导棒）的SFCL；使用带材的SFCL；使用膜（包括薄膜和厚膜）的SFCL等等。根据电气原理和技术特点，可将SFCL分成如下几类：1)电阻型超导故障限流器图 11为电阻型SFCL的基本形式，将超导材料制成的电阻Rs直接串联在电网中，当电网处在正常运行状态时，电网中的额定电流流过超导体，只要保证小于超导体的临界电流，则超导体处于超导态，对电网无影响（暂不考虑交流损耗）。当电网中发生短路故障时，电流迅速增加，当故障电流超过超导体的临界电流时，超导体失超，转变为正常态，呈现很大的电阻值，将故障电流限制在一定范围内。图 12给出了电阻型SFCL另外一种形式的原理图。其中，Rs为超导线圈；Rn为限流电阻。采用此形式的目的有两个：一是当超导线圈Rs在电流的峰值附近发生超导态正常态的转变时，会产生过电压，可以用电阻Rn来吸收过电压能量；二是当电流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，可以避免超导线圈严重过热烧毁限流器，从而达到保护的目的。图 11 电阻型SFCL的基本形式图 12 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：、较低的交流损耗；、足够的机械强度，以克服故障时的电磁力；、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缩短恢复时间。2)电感型超导故障限流器将图 12中的限流电阻Rn用限流电感线圈代替，就构成了电感型SFCLError! Reference source not found.。限流电感线圈可以是一个大电感的超导线圈，也可以是常规导体线圈。在系统正常运行时，超导线圈是由低交流损耗的极细丝超导电缆绕制成的无感线圈，超导处于超导态，线圈内没有磁通，阻抗非常小。所以在系统正常运行时，超导线圈Rs两端的压降很小，电流几乎全部从超导线圈中经过。在故障情况下，短路电流大大超过了超导线圈的临界电流，因而它很快失超，由超导态转变为正常态，呈现很大的电阻值，从而起到限制故障电流的作用。3)感应屏蔽型超导故障限流器图 13为感应屏蔽型SFCL的原理图。高温超导屏蔽筒套在铁芯上，筒外绕有初级铜绕组，使用时初级绕组被串联在电网中。在系统正常运行状态下，铜绕组中电网电流产生的交变磁场被超导筒中感应出的电流完全屏蔽，没有磁通穿入铁芯，初级铜绕组相当于一个空心电感，感抗较低，对电网几乎无影响；当系统发生短路故障时，铜绕组中电流迅速增加，超导筒中的感应电流超过了临界电流，使超导筒失超，因此不能完全屏蔽外场，磁通进入铁芯。此时的初级铜绕组、铁芯和超导筒构成了一个变压器，超导筒相当于一匝的变压器次级，其失超后的电阻和带铁芯的初级铜绕组的感抗共同作用将短路电流限制在一定范围内Error! Reference source not found.。这种限流器仍然利用了超导材料的超导态正常态转变时电阻率的非线性变化来限制故障电流，故障时超导筒失超，需要较长的恢复时间。 图 13 感应屏蔽型限流器研制感应屏蔽型SFCL的关键是要制备出尺寸大、临界电流高和机械强度好的超导屏蔽筒。此外，提高超导筒的动态电阻和缩短恢复时间也是感应屏蔽型限流器研究的重点。4)饱和铁芯型超导故障限流器饱和铁芯型SFCL 的原理图如图 14所示。在电路中串联两个带铁芯的电抗器（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芯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芯在正、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，从而自动限制电网中的短路电流Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。图 14 饱和铁芯型高温超导故障限流器饱和铁芯型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。饱和铁芯型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，将铁芯材料偏置到饱和态，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SFCL由4个二极管桥接而成，其中两个对角端接超导线圈，另外两个对角端作为SFCL的引出线Error! Reference source not found.，其原理图如图 15所示。图 15 桥路型超导故障限流器正常情况下由于整流桥的作用，超导线圈通过直流，线圈两端无电压降。当系统发生短路故障时，电流增大到超过超导材料的临界电流后，超导体失超，线圈两端出现电感电压降，可以看成有一个电抗器突然插入电路，从而起到限流的作用Error! Reference source not found.。桥路型SFCL在反应速度、恢复速度和限制短路电流峰值方面具有明显的优势，但在高电压和大电流的情况下，整个系统将十分复杂，可靠性大大降低。还有其它类型的限流器，如变压器型故障限流器（SFCLT）和适合直流输电系统的超导直流限制器（SDCFCL）等也处于广泛的研究之中Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.。1.3 本文主要工作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：理解电力系统中限制短路电流的重要意义，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。1) 针对不同结构参数的铁芯进行稳态仿真计算与分析，由此确定影响铁芯稳态性能的主要因素，为设计限流器提供分析方法和理论依据。并从中确定比较满意的一组铁芯结构参数作为35kV三相限流器的设计参数。2) 利用有限元分析软件ANSYS与电路仿真软件MATLAB，对三相饱和铁芯型SFCL进行瞬态仿真计算，并与试验结果作对比分析。3) 分析计算饱和铁芯型SFCL在稳态工作时的压降，分析其工作的稳定性。4) 分析计算饱和铁芯型SFCL绕组线圈在正常、故障状态时的电磁力，铁芯夹件的涡流损耗。2 SFCL结构参数与性能分析本章详细分析了饱和铁芯型超导故障限流器的工作原理及其特点，并在磁化曲线分段线性化的基础上，进行电磁理论分析；为研究铁芯截面比以及气隙尺寸对交流侧铁芯稳态情况下磁特性的影响，对三相饱和铁芯型SFCL进行了一系列仿真计算，并分析铁芯磁场分布与铁芯气隙之间的关系，为限流器的设计提供分析方法和理论依据。2.1 饱和铁芯型高温超导故障限流器的工作原理饱和铁芯型超导故障限流器是一种不失超型SFCLError! Reference source not found.，与其它类型的SFCL相比，不存在失超恢复的问题，且结构简单，所需的超导材料也易于获得。图 21是饱和铁芯型超导故障限流器的原理图。它主要由两组铁芯组成，每组铁芯上有一个常规交流铜绕组和一个直流偏置超导绕组，其中一组铁芯上的交流绕组和直流绕组绕向相同，另一组铁芯上的则相反。两个交流绕组串联后接在输电线路中。超导绕组用于产生一个很强的直流偏置磁场，使铁芯深度饱和。系统无故障时，额定的交流电流在铁芯中产生的磁场很小，不足以使铁芯脱离饱和区，铁芯内的磁通量几乎不变，根据法拉第电磁感应定律，交流绕组的感应电动势近似为零，即两端电压近似为零，即说明此时SFCL对系统几乎无影响。当线路发生短路故障时，突然增大的短路电流使交流绕组在铁芯中产生的磁场足以抵消、甚至超过超导线圈产生的直流偏置磁场，致使铁芯脱离饱和区，此时交流绕组两端具有较大的电压降，从而限制系统的电流。使用两组铁芯是为了在交流电流的正负半周交替限制短路电流。图 21 饱和铁芯型超导故障限流器的原理图图 22反映了饱和铁芯的工作模式。从图中不难得知，若SFCL的直流静态工作点在磁化曲线饱和区的某点选定后，正常运行状态下，可以相应确定SFCL允许通过的最大交流额定电流。当电流大于这个值后，铁芯工作在磁化曲线饱和与非饱和的过渡区，交流绕组两端电压增大，进入限流模式，随着交流电流继续增大，铁芯逐渐脱离饱和区，阻抗变大，限流作用更加明显。若所限制的短路电流仍很大，使铁芯进入反向饱和，此时SFCL失去限流能力。显然，对于用作SFCL的铁芯，其磁化曲线的饱和区和非饱和区的分界越明显越好，饱和区斜率越小越好。这样，系统正常工作时绕组的电压降就越小，对系统的影响也越小。而系统发生故障时，限流器也能够快速反应，将短路电流限制在一定范围内Error! Reference source not found.。图 22 饱和铁芯型超导故障限流器的运行原理三相饱和铁芯型SFCL，可以看作是三个单相饱和铁芯型SFCL串联在三相电路中，如图 23所示。图 23 三相饱和铁芯型超导限流器原理示意图2.2 三相超导限流器样机模型2.2.1 三相超导限流器样机实体模型考虑到超导材料价格昂贵，因此希望所用的超导带材越少越好；并且由于受到超导材料机械性能的限制，希望超导带材绕制线圈的曲率半径越大越好，但超导材料所必需的冷却系统也将随之增大。同时铁芯的体积和重量也是限流器设计过程中需要考虑的因素。三相SFCL，需要六个铁芯来实现限流功能。把六个铁芯中绕制直流超导线圈的铁芯放在一起，称为中心柱；而缠绕交流线圈的另一端铁芯，称为交流柱（边柱），沿圆周均匀摆放。图 24所示为该限流器的俯视结构图。图 24 三相饱和铁芯型高温超导故障限流器结构俯视示意图图中A1、B1、C1、A2、B2和C2分别为A、B、C三相限流器中每相两个绕组的铁芯，区域1表示铁芯边柱，边柱截面为椭圆，目的是在保持边柱和中心柱截面积不变的情况下，减小中心柱直径。区域2表示铁芯中心柱。中心柱采用如图所示的近似梯形的结构，其目的是为了减小六个铁芯中心柱的占地面积，从而节省空间。区域3表示直流超导线圈，它绕制在铁芯的六个中心柱上，这种结构增大了超导带材绕制的曲率半径，而且只需要一套冷却系统即可实现超导材料的制冷要求。此外，由于采用近似梯形的结构，减小了中心柱半径，直流线圈的半径随之减小，从而减少了超导带材的使用。区域4表示交流绕组，采用浇注箔式绕组。超导故障限流器的铁芯由0.3mm厚冷轧硅钢片叠装而成，其叠片采用多极圆斜接缝。三相铁芯沿圆周均匀分布，每相铁芯的边柱上均匀绕制交流绕组，并串接在电网相应相线中。三相饱和铁芯型SFCL样机的实体模型如图 25所示。图 25 三相饱和铁芯型高温超导故障限流器实体模型2.2.2 三相超导限流器的ANSYS建模本文利用ANSYS有限元软件对三相饱和铁芯型SFCL进行电磁场仿真计算与分析。由于三相饱和铁芯型SFCL的结构比较复杂，须对其进行三维电磁场分析，并根据数学模型设定人工截断边界，令离场源较远的空气处的A=0。由于整个超导故障限流器结构是上下对称的，仅需建立二分之一模型分析超导限流器铁芯磁场分布情况就可以反映整个限流器的磁场特性，在对称面上，磁通垂直进入，故满足第二类齐次边界条件。铁芯磁导率远大于空气磁导率，所以，在利用ANSYS的有限元磁学计算功能仿真故障限流器时，选用棱边单元法计算更为准确。考虑到研究对象的对称性，所建模型如图 26所示。其中，区域1表示铁芯；区域2表示初级铜绕组；区域3表示直流超导线圈。铁芯的基本磁化曲线如图 27所示。线圈和空气的相对磁导率都假设为1。图 26 三相饱和铁芯型SFCL有限元模型图 27 铁芯B-H 曲线2.3 铁芯中气隙对SFCL性能的影响由于铁芯为非线性磁导率材料，当铁芯处于饱和状态时，限流器呈现低阻抗，因此在稳态时，铁芯饱和度越高，稳态压降就越低。对于三相饱和铁芯型SFCL，增大铁芯中心柱与边柱横截面积之比，可以减少漏磁，提升限流器的稳态性能。由于三相饱和铁芯型SFCL使用叠片铁芯，而叠片铁芯含有气隙，因此，为了研究稳态情况下铁芯截面比以及气隙尺寸对交流侧铁芯磁特性的影响，本文针对铁芯有、无气隙两种情况，采用不同截面比进行磁特性分析。图 28 三相小样机仿真模型依据380V小样机参数建立仿真模型，如图 28所示。铁芯中磁场的状态与励磁磁势之间的关系，只与铁芯的材料性质和结构相关，为了建立铁芯结构与励磁磁势之间的关系，对380V小样机其中一个铁芯进行仿真。上下轭铁的气隙各取为0.5mm，共为1mm，如图 29所示。图 29 气隙位置本节分别在无气隙和气隙为1mm两种情况下，直流柱与交流柱截面比从1.21.7变化，取不同的直流励磁安匝。计算数据分别取自路径1和路径2，如图 210所示图 210 路径的选取无气隙情况，不同截面比下交流测和直流侧的磁特性仿真结果如图 211所示。气隙为1mm，不同截面比下交流测和直流侧的磁特性仿真结果如图 212所示。随着直流励磁安匝的增加，交流侧铁芯的磁感应强度B一开始快速增大，当铁芯达到饱和之后，B就逐渐平缓。在交流侧铁芯相同的B的情况下，截面比越大，需要的直流励磁安匝就越少。尤其随着边柱铁芯的饱和程度逐渐升高，若截面积之比越小，直流励磁安匝付出的代价越大，甚至无法实现。而对于相同的直流励磁安匝，则截面积之比越大，边柱的B越大，铁芯柱越容易饱和。在非饱和状态时，不同截面比的边柱上的B相差甚小；铁芯进入饱和区之后，截面比是影响铁芯B的主要因素，截面比越大，铁芯所能达到的最大磁场也越大。图 211 无气隙时不同截面比，交流侧磁场随直流励磁的变化图 212 气隙为1mm时不同截面比，交流侧磁场随直流励磁的变化截面比分别为1.2、1.5、1.7时，交流侧磁性能在有气隙和无气隙时的对比如图 213、图 214所示。铁芯交流柱要达到一定的磁感应强度，在有气隙时比无气隙时需要更大的直流励磁；铁芯交流柱要达到一定的磁感应强度，截面比越小，则需要的直流励磁越大；当直流励磁足够大时，能够抵消气隙的影响，使铁芯进入同等程度的饱和深度；直流励磁一定时，截面比越大，有气隙时和无气隙时铁芯交流柱磁场越接近，即截面比越大气隙的影响越小。图 213 =1.2时，气隙对铁芯磁场的影响图 214 =1.7时，气隙对铁芯磁场的影响2.4 本章小结本章利用有限元分析法，对三相饱和铁芯型高温超导故障限流器模型进行电磁场数值仿真，分析了限流器铁芯磁场分布与铁芯结构参数、铁芯气隙之间的关系。在交流侧铁芯达到相同的B的情况下，截面比越大，需要的直流励磁安匝就越少；尤其随着边柱铁芯的饱和程度逐渐升高，若截面积之比越小，直流励磁安匝付出的代价越大，甚至无法实现；而对于相同的直流励磁安匝，则截面积之比越大，边柱的B越大，铁芯柱越容易饱和。在非饱和状态时，不同截面比的边柱上的B相差甚小；铁芯进入饱和区之后，截面比是影响铁芯B的主要因素，截面比越大，铁芯所能达到的最大磁场也越大。铁芯交流柱要达到一定的磁感应强度，在有气隙时比无气隙时需要更大的直流励磁；铁芯交流柱要达到一定的磁感应强度，截面比越小，则需要的直流励磁越大；当直流励磁足够大时，能够抵消气隙的影响，使铁芯进入同等程度的饱和深度；直流励磁一定时，截面比越大，有气隙时和无气隙时铁芯交流柱磁场越接近，即截面比越大气隙的影响越小。3 三相SFCL短路瞬态仿真本章介绍基于能量摄动法的饱和铁芯型SFCL非线性电感计算，以及结合电路方程组对三相饱和铁芯型SFCL的瞬态特性进行仿真，以380V三相饱和铁芯型SFCL样机为研究对象，将仿真结果与试验结果进行比较分析。并用该方法对35kV样机的瞬态特性进行仿真计算。3.1 瞬态仿真方法及建模3.1.1 仿真计算方法的选取目前已有学者通过试验确定超导限流器的磁链电流i关系，从而再进一步分析SFCL的瞬态过程。也有采用磁路方法，用分段直线等效替代磁化曲线，用线性方法进行计算。还有采用ANSYS软件中的三维场路耦合的方法分析限流器的瞬态过程Error! Reference source not found.。由于饱和铁芯型SFCL在限流工作状态时，其铁芯磁导率与短路电流有很强的非线性关系，因此在磁路计算中，使用分段直线等效替代磁化曲线不能准确地描述SFCL在限流状态时的非线性电感随短路电流变化的关系。而在ANSYS软件中，对于分界面上磁导率有跃变的区域采用棱边单元法的计算精度明显地高于节点法，但软件中的三维瞬态磁场与电路耦合的方法中又不支持棱边单元法。因此，本文采用电路方程组和有限元相结合的方法对三相饱和铁芯型SFCL的瞬态特性进行仿真计算。根据铁芯材料的磁化特性以及磁场能量的分布特点，采用三维有限元法对SFCL磁场进行计算；在磁场分析的后处理中，运用能量摄动法Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.求其非线性电感参数；根据试验电路，列出电路回路方程，并求解。3.1.2 超导限流器电感的仿真计算1） 能量摄动法计算电感对于饱和铁芯型SFCL，设第i个绕组的端电压为ui，电流为ii，电阻为Ri，相应磁链为i，则 其中，i=1，2，n，表示绕组数。而i是各绕组电流的函数，可表示为=i(i1,i2, ,in)，所以有则有式右端第一项代表第i个绕组消耗的能量，其余各项代表第i个绕组中存储的磁场能量。则第i个绕组中的磁场能量Wi可表示为这个限流器中存储的能量W可表示为如果电流友一微小的变化，总能量W相应有一微小变化；因为电流变化很小，所以可将Ljk视为常值，则可写为因此可得式中，为自感，为互感。2） 三相饱和铁芯型SFCL互感的研究三相饱和铁芯型SFCL为三相六铁芯结构，即中柱铁芯由六铁芯边柱拼合而成，外缠直流励磁线圈，六根边柱铁芯，外缠三相交流绕组，如图 31所示。图 31 三相饱和铁芯型SFCL结构图以380V三相饱和铁芯型SFCL样机参数为依据，计算限流器线圈互感。绕组1和绕组2为相邻相绕组，绕组1和绕组3为同相绕组。设绕组1和绕组2之间互感为M12，绕组1和绕组3之间互感为M13。表31、表32给出了在不同电流下电感的计算结果。表31 相邻绕组自感与互感电流/A绕组1自感/H绕组2自感/HM12/H磁场强度/Am 106.9315E-046.9151E-041.0049E-05325409.6359E-059.6256E-051.7017E-0613700表32 同相绕组自感与互感电流/A绕组1自感/H绕组3自感/HM13/H磁场强度/Am 106.9324E-046.9176E-041.0595E-05335155.1796E-045.1283E-046.4103E-06823409.6262E-059.6173E-051.6766E-0613720表31、表32中数据表明，当电流为10A时，铁芯处于不饱和状态，M12为自感的1.45%，M13为自感的1.35%；电流为40A时，铁芯处于深度饱和，M12为自感的1.75%，M13为自感的1.74%；三相饱和铁芯型SFCL采用六铁芯结构时，各相绕组之间互感远小于其自感，因此为便于计算，在仿真计算中忽略其各相绕组之间互感，只考虑各相绕组自感。3.1.3 试验线路与数学建模设电网中电源和负载均采用Y型连接，如图 32所示为短路试验接线图，图中R=0.29为系统阻抗，使短路电流可以达到800A；R，X的取值用来调节试验线路在发生短路故障前的功率因数；快速开关IGBT的作用是在短路故障发生时负责切断直流励磁回路，并在短路故障消除后接通直流励磁回路，控制信号由控制柜发出；短路开关K负责切断负载XL和R，形成短路故障。图 32 短路试验接线图图 32中的试验电路可以由式来描述，其中LA、LB、LC分别为A、B、C三相中的总电感（包括限流器电感和负载电感），RA、RB、RC分别为A、B、C三相中的总电阻（包括线路电阻，限流器电阻和负载电阻），负载电阻、负载电感和限流器电阻为已知量，因此要解出三相中的电流，需要求出SFCL的电感。式中u0为中性点电压。饱和铁芯型SFCL的电感是随相电流而变化的，因此通过3.1.1节所述方法计算得出SFCL样机单相电感随交流励磁的变化曲线如图 33 及表3-3所示。将L-I曲线数据代入式即可求解出瞬时相电流。根据式和L-I曲线在MATLAB中建立系统仿真模型，如图 34所示。图 33 每柱绕组电感随电流变化曲线表33 每柱绕组电感随电流变化数据电流/A电感/H电流/A电感/H0.10.86079116.61E-040.20.24284126.42E-040.30.09841136.15E-040.40.04004145.73E-040.50.01954203.31E-0410.00936302.49E-0420.00392601.54E-0430.00262801.15E-