超导故障限流器应用分析

1、华北电力大学本科毕业设计（论文）摘 要电力系统容量增加的同时，电气连接也变得更加紧密，不断增大的电网短路电流，将可能超过断路器的额定开断容量，使得断路器不能正常动作。传统限制短路电流的方法是加装限流电抗器，但这将给正常运行的系统带来电压降和功率损耗，且限流容量不足的问题也亟待解决。基于这些问题，我们提出了超导故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)这一新型设备，将其接入电力系统中，当系统正常工作时，它处于超导态，电能损耗小，对电力系统正常运行无影响；一旦电网发生故障，SFCL失超，能够在线路中产生大阻抗，快速有效地限制故障电流，是一种非常理想的限

2、流装置。本文以电力系统的短路故障为切入点，简要阐述了短路故障的成因、形式、危害及保护，基于此引出研究背景和意义，继而提出限制短路电流的一种新型有效手段装设超导故障限流器（SFCL），详细阐明各类SFCL的结构、原理、优缺点及应用，尤其通过Matlab的Simulink平台模拟桥路式SFCL,得出稳态与故障态波形；并在故障态的条件下与传统限流器进行仿真比较，分析了桥路式SFCL与传统限流器在正常与故障情况下线路、超导线圈与二极管流过的电流波形，归纳了经典桥路式SFCL的稳态和故障态工作特性。相信随着柔性交流输电(Flexible AC Transmission System)技术的发展，超导技术

3、与电力电子技术相结合，SFCL在输配电网的应用研究必将成为21世纪电网技术发展的前沿课题之一。关键词：超导故障限流器（SFCL），桥路型，短路电流，建模仿真ABSTRACTAs electric power systems grow and become much more interconnected, the constantly rising fault current levels of power grid may exceed the available circuit breaker interruption ratings which makes the breaker eas

4、ily get fault. 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

5、and voltage drop under normal operating conditions,as well as its unaffordable capacity,which are eager to be worked out. Based on these problems, we put forward the Superconducting Fault Current Limiter, a new device, the access in the power system, when the system is running normally, it is in the

6、 superconducting state, small power loss, which influence the normal operation of power system tinily; Once the power grid failure, SFCL quenches, in a circuit can produce large impedance, quickly and efficiently to limit fault current, it is a kind of ideal current limiting device.Begin with the sh

7、ort circuit fault,this paper introduces its causes,types,harms,and its protections briefly,the background and significance which based on these.Then proposes a new measure which used to limit the fault current-add Superconducting fault current limiter(SFCL),and illustrates structures ,principles,adv

8、antages and disadvantages as well as the application of different types of SFCL,especially simulates the normal and fault state of the SFCL with a diode bridge by Simulink in the software Matlab.With basic supposes and equivalents, simulink simulated the current waves of load ,superconducting coil a

9、nd diode in SFCL system and traditional limiter system under the same system structure during normal and fault states， concluded the normal and fault characteristics of classic SFCL with a diode bridge. I believe following the Flexible AC Transmissiontechnology, superconducting technology and the co

10、mbination of power electronic technology, the application research of SFCL in distribution power grid will become the 21st century one of the frontier for the development of grid technology.KEY WORDS: SFCL,Bridge, Short Current，SimulationII目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论31.1研究背景与意义31.2 电力系统故障综述41.2.1 电力系统故障

11、类型及危害41.2.2 保护实现61.3 限制短路电流61.3.1 改变系统结构71.3.2 选择适当的运行方式71.3.3采用高阻抗设备71.3.4 装设电抗器71.3.5 采用其他设备限制短路电流81.4 国内外研究现状81.5 本论文工作概要10第2章 高温超导故障限流器工作原理122.1超导体的基本电磁特性122.1.1 零电阻效应122.1.2 完全抗磁性效应（Meissner效应）122.2 各类超导故障限流器的工作原理132.2.1电阻型 SFCL132.2.2混合型 SFCL142.2.3变压器型（感应型） SFCL152.2.4磁屏蔽型 SFCL152.2.5桥路型 SFCL

12、162.2.6饱和铁芯电抗器型SFCL162.2.7 三相电抗器型 SFCL172.3各种超导故障限流器的特点比较17第3章 桥路式SFCL仿真研究193.1 研究背景和意义193.2 桥路型SFCL拓扑及仿真分析193.2.1 拓扑分析：193.2.2模型的假设与等效条件：203.2.3模型的建立：213.2.4稳态仿真：223.2.5 故障态仿真：233.2.6 波形分析：253.3 限流效果分析253.4 结论26第4章 结论与展望284.1 结论284.2 展望28参考文献30致 谢31第1章 绪论1.1研究背景与意义经济和技术的不断发展，使电力系统通过自身的扩容和网际的互联逐渐扩大规

13、模：从而输、配电系统的短路功率和短路电流随之增大，这将对系统的稳定及其安全造成威胁。为提高电网运行的安全性与可靠性，通常考虑从电网结构、系统运行方式和设备三个方面进行改进。但是，通过改造电网结构限制短路电流水平的费用十分昂贵；改变系统运行方式，如:断开电磁环网、断开母联开关、两段母线独立运行等，能有效地降低短路电流水平，却在一定程度上牺牲了电网的可靠性；在设备端口装设常规限流电抗器、高阻变压器等，则会导致网损增加，降低系统的稳定性，且其容量日渐不足的问题亟待解决5。基于此，我们提出超导故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)这一新型设备，把它接入

14、线路，系统正常运行时，它处于超导态，损耗小，对电力系统正常运行无影响；一旦电网发生故障，SFCL失超，可以瞬间产生大阻抗串入线路，有效地限制故障电流，是一种理想的限流装置，其：1)能在高压下运行；2)响应时间快、可靠性高，从国外研制的样机测试和运行情况的报导来看，若发生短路故障，它能在100微秒内起作用，并在3个周波内：将短路电流从额定电流的7倍限制到4倍；而没有安装SCFCL时的短路电流一般都在10倍以上；(3)集检测、触发和限流于一体；(4)在正常运行时可通过大电流而只呈现很小的阻抗甚至零阻抗，只在短路故障时呈现大阻抗，因而其限流效果非常明显。这些优点都是利用了超导材料的固有性质，无需额外

15、的辅助装置，而限流程度可通过SFCL的结构参数来调整6。20世纪80年代后期高温超导材料的发展,出现了高温超导故障限流器(HTSFCLHigh Temperature Superconducting Fault Current Limiter)，使得高温超导设备(运行在液氮温区)与低温超导设备(运行在液氦温区)比较，大大降低了运行成本，同时，磁热稳定性也得到很大的提高。HTSFCL具有损耗低、能自动触发、自动复位、可多次动作等特点，以其自身独特的优越性成为限流技术领域中相当活跃的组成部分7。目前，HTSFCL已经有许多类型，根据结构特点可分为电阻型、混合型、变压器型、磁屏蔽型、桥路型、饱和铁心

16、型、三相电抗器型等；按照限流方式，可分为电阻型、电感型以及电阻一电感型；此外，根据是否利用超导体的失超特性限流，又可分为失超型和非失超型。随着柔性交流输电(Flexible AC Transmission System)技术的发展，超导技术与电力电子技术相结合，使得HTSFCL在输配电网的应用研究成为21世纪电网技术发展的前沿课题之一，因此分析和研究高温超导限流器的结构及暂态运行特性具有实际意义8。1.2 电力系统故障综述1.2.1 电力系统故障类型及危害电力系统故障类型： 对称故障：三相短路 单相短路 两相短路 两相接地短路 简单故障（单重故障） 不对称故障 单相断线 两相断线复杂故障（多重

17、故障）其中，在电力系统中最常发生，且发生后危害及影响最严重的就是短路故障。短路是指电力系统正常运行情况之外的一切相与相或相与地之间的短接，导致短路发生的原因是绝缘受到破坏。电气设备绝缘材料的自然老化、污秽或机械损伤，雷击引起过电压，自然灾害导致杆塔倒地或断线，鸟兽跨接导线以及人为误操作等原因都会导致绝缘破坏引发短路故障。电力系统的运行经验表明，各类短路发生几率不同，根据某些系统的统计资料我们可以做出如下扇形图：图1.1.1 电力系统断路故障类型从图中我们可以看到最常发生的是单相接地短路，三相短路发生概率最小，但其造成的后果危害最严重。电力系统一旦发生短路故障，常常会引起很严重的后果，其中主要有

18、：1、电力系统的正常运行和电气设备受到很大威胁。短路时，因短路回路的阻抗骤减，根据暂态过程的分析，短路电流将骤然增大，可能超过该回路额定电流的许多倍。短路点距电源电气距离愈近，短路电流愈大。短路电流流过电气设备时，其热效应引起导体或其绝缘的损坏，另一方面，导体会受到很大电动力的冲击，可能是导体变形，甚至损坏。2、短路引发电网电压降低，短路点距电源电气距离愈近，短路电压下降的愈严重，这可能使部分用户供电遭到破坏。3、短路相当于改变了电网结构，必然引起系统功率分布的变化，发电机输出功率也相应变化。但发电机输入功率由于是由原动机进气量或进水量决定，故不可能立即发生相应变化，从而造成发电机输入输出功率

19、不平衡，使转速变化，这可能引起发电机失步，破化系统稳定，造成大面积停电。4、不对称接地短路产生的不平衡磁通，会在临近通信线路感生电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及设备和人生安全。1.2.2 保护实现如果电力系统出现了短路问题，就要快速的去切断出现故障的地方，让其他没有出现短路问题的地方能够很好的运作，这个是要依靠电力装备和断路器去实现的。只有让短路问题造成的损害降到最低点，才会让整个电力体系得到正常的运作，那么要经历做到下面的几点：1、仔细的对短路电流做出计算，依据算出的结果去安装合适的设备，要求电气设备的额定电压和线路中的额定电压是相吻合的。2、使用合适的继电保护装备，在出现短路状况的时

20、候能够很好的迅速的弄断电路中的电流，尽可能的去缩短电路中的电流持续时间，最大限度的去减少损失。3、在变电所安装一些设施，变压器的周围和线路中装备一些装备，尽量的去避免一些自然损伤，比方说避雷针等。4、对所有的安装线路都要严格的把关，对所有的线路都要进行定时的检查，特别是线路的形状要按着有关的规定。5、电力操作人员在作业的时候要注意自己的操作步骤，不能出现一些失误和错误。在操作的时候要对自己的人身安全做到很好的保护措施。6、对电力设备进行严格的管制，不能随便让事物靠近，导致电气设备出现损坏。7、对电力设备进行定时的清洁，防止一些导电的颗粒进去电气设备。8、在有电缆的地方要进行标注，提醒人们这里有

21、电缆设备，引起百姓的注意。9、在对整个电力体系进行维护的时候，要不断的学习它的相关知识，在操作的时候要对自己和他人严格的要求，对有可能造成电力短路的物件和器材要进行处理，操作结束后要对地线进行去除。在日常的维护中要仔细的排查，如果出现问题要迅速的抢修2。1.3 限制短路电流现在我们国家电力体系中主要是依据电力网构造、系统的运作方法还有系统设备的选取上等等这一些方面去对短路问题进行预防，基本的措施有下面几样：1.3.1 改变系统结构1、把系统的电压进行升高，在下面的电网采用分层分区的管理模式：预防短路现象的最好的办法就是对上一级的电压电网进行提升，这样做的话不单能够让输出电容量和整个电力体系得到

22、提升，并且如果上一级的电网里的电压上升到一定的高度时就会减少下一级电网中出现短路问题时线路的电流流量；2、直流输电：使用直接输电的方式能够很好的去对短路电流进行控制，切断交流问题的传播，还能对电网的容量有所提高，这个办法是现在控制短路电流的最好的办法之一3；3、使用单元接线：使用单元接线能够很好的预防因为母线中容量的太过于聚集，出现的损害，使用单元接线能够很好的让电厂母线里的电流量减少。1.3.2 选择适当的运行方式1、电网分成分区操作：通过这样的方式去管理电流有很多优势：比方说具有很清楚的网络结构，可以很好的去进行管理和处理问题，在供电上也有了很好的保障等；2、使用分裂运行的方法：很多个母线

23、分裂操作或者是母线分段操作，这样就让电流里的阻抗变大了，就能实现阻碍短路电流的目的。3、对环形供电网解列操作：电网的解列一般分成经常与事故自发的解列这两个类型，他们两个都能很有效的去减少电路中的短路电流4。1.3.3采用高阻抗设备 可以采用分裂低压绕组变压器和高阻抗主变等等设备。1.3.4 装设电抗器 电抗器主要分成下面的四种类型： 分裂电抗器 母线分段电抗器 旁路电抗器 出线电抗器1.3.5 采用其他设备限制短路电流 主要使用短路故障限流器（FCL），熔断器微机保护和综合自动化装置等方法去进行保护电路。1.4 国内外研究现状目前，美国、德国、口本、法国、瑞士、澳大利亚、加拿大和中国等国都相继

24、开展了SFCL的研究工作。超导故障限流器这一概念最早是由美国人提出的，早在1982年，美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国超导体公司以及洛克希德·马丁公司就已经开始了桥路型SFCL的研究工作；后来在美国能源部的支持下成功实验了一台2.4KV/100A的样机。在美国通用原子能公司和IGC公司加入第二阶段研究工作后，在1999年研制出了故障电流缩减率达80%的桥路型高温超导故障限流器11。在日本，成蹊大学和中央电力试验研究所于1998年用NbTi研制出了600V/6A的三相电抗器型SFCL，并且进行了入网试验。三菱电力公司和东京电力公司合作开发了利用高温超导薄膜的500KV/8KA超导故障

25、限流器12。法国电力公司, GEC Alsthom公司和阿尔卡特·阿尔斯通公司于1992年研制了63KVrms/1.25KArms/5.3KApeak的混合型SFCL13。瑞士ABB公司利用Bi-2212研制成功三相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14。德国西门子公司和加拿大魁北克电力公司利用YBCO薄膜研制100KVA电阻型SFCL，并准备进一步研制lOMVA电阻型SFCL。997年开始至今，德国卡尔斯鲁厄研究中心(FZK)的技术物理所,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SFC

26、L的研制及试验15。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。澳大利亚卧龙岗大学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. 9KSA/cm 2，利用其制备的HTCSFCL在6. 9KV电网上试验结果证明其能有效地抑制故障电流17。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

27、10. 5千伏/1. 5千安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110千伏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. 5千伏充压试验，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，并成功将3500安短路电流限制到635安，短路电流缩减率达到0. 82，随后进入试验运行11-19。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

28、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已达到4万台，因此，对于超导故障限流器的研究有着良好的经济效益和社会效益。图1.4.1 220kV/800A饱和铁芯高温超导限流器在国家电网石各庄变电站良好运行将近年来超导限流器（SFCL）的应用概况归纳如表1和表2所示：表1 电阻型超导限流器研发现状企业（国别）限流器类型超导材料容量/MVAABB（瑞士）电阻型Bi-2212 bulk1.6ACCEL（德）电阻型Bi-2212 bulk13.6EA（英

29、）电阻型Bi-2212 bulk0.9Schneide（法）电阻型YBCO bulk0.4Siemens（德）电阻型YBCO film1.2表2 其他类型超导限流器研究现状研究单位限流器类型开发现状ABB（瑞士）三相磁屏蔽型完成研制法国电力公司等混合型实验完毕GA（美）三相桥路型试验运行日本东京电力三相电抗器型试验运行中国电科院改进桥路型试验运行国家电网饱和铁芯型试验运行1.5 本论文工作概要本论文共三章，逐步阐述了超导故障限流器技术的理论与应用，方便读者参阅，将各章分别总结如下：第一章，阐述电力系统最常见故障短路故障，是由设备绝缘损坏导致的接地现象，分为单相接地、两相接地、相间短路及三相接地

30、四类，其成因主要有主观和客观两个方面。装设故障限流器是解决短路故障的重要手段，但传统的限流器其容量日渐不能满足需求、损耗大、反应较慢等问题亟待解决，为此，超导故障限流器（SFCL）就是新兴的限流技术，相比传统限流器，不仅很好解决了以上问题，甚至逐渐得到了实际应用，对于SFCL，目前国内外正积极进行研究，已取得了一些成果。第二章，阐述为了解SFCL，需要对超导体最基本的两大特性进行研究，其一是零电阻特性，其二是抗磁效应，也即迈斯纳效应，其中零电阻特性是超导体的必要条件。高温超导故障限流器（HTSFCL）正是利用了这些特性工作在超导与失超两种状态，具有损耗低、能自动触发、自动复位、可多次动作等特点

31、,对于HTSFCL，由结构特点可分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型、饱和铁心型、三相电抗器型，它们具有不同的结构、工作原理以及优缺点，因此在实际应用中，往往根据需要来选择。第三章，阐述一种非失超型超导故障限流器桥路式SFCL，这是一种与现代电力电子技术结合紧密的限流器，可以预见其应用前景将十分光明。由此，我们通过Matlab的Simulink平台对一种桥式SFCL模型进行仿真研究，在若干假设和等效条件下，通过系统在稳态和故障态时各处电流的仿真，以及在故障态时与传统故障限流器的比较，验证了这种限流拓扑结构的优点。第2章 高温超导故障限流器工作原理2.1超导体的基本电磁特性2.1.1 零电阻效

32、应图2.1.1 金属电阻与温度关系曲线 超导体具有零电阻这个最本质的特点。左图显示的是金属电阻和温度之间的曲线，当T>Tc时，R与T是线性关系。当温度下降的时候，就不会呈现线性关系了。当T=Tc时，电阻R=0。金属原子最外层电子十分的不稳定，特别容易失去电子，变成稳定的正电离子，这些正离子很有规则的进行排序，形成晶格。里面的正离子在不停的做着热振动。自由电子受电场的影响一边做着热运动一边做着定向运动，这两种运动合在一起就叫定向漂移。当这两种粒子相互碰撞，就会形成两种后果：一是自由电子把能量传递给正离子，就会让正离子的热振动加快；还有一个就是自由电子改变了原来的运动方向，就叫做散射。2.1

33、.2 完全抗磁性效应（Meissner效应）Meissner（迈斯纳）和Ochsenfeld（奥奇森菲尔德）发现，在磁场里的锡进行冷却的时候变成超导体，他的体内是没有磁场的，这个现象就叫做完全抗磁性效应或Meissner效应。Meissner效应是超导体最基本的特点。最开始的时候人们觉得超导体就是导电率趋向于无限大。但是其实这是不正确的。电学里的欧姆定律U=IR。对这个公式进行微积分表达就是： （2-1）其中，j代表的是电流密度矢量，是电导率，E是电场强度。还有，利用麦克斯韦方程式 （2-2）可以得到，如果把超导当作是，那么超导体内的磁场B就应该符合下面的方程式 （2-3）上面的公式可以看出，

34、超导体内的磁场B不受时间t的影响。用超导体内没有电阻和迈斯纳效应，我们把超导体划分为两个大类，就是第I类超导体和第II类超导体。我们把同时具有上面两种情况的，只有一个临街磁场的叫做第I类超导体，如左图；拥有两个临界磁场的超导体，就叫做第II类超导体，如右图。图2.1.3 第II类超导体 图2.1.2 第I类超导体2.2 各类超导故障限流器的工作原理2.2.1电阻型 SFCL 图2.2.1 电阻型SFCL原理图电阻型SFCL的工作原理简单的说就是超导体变成失导体的状态。图2.2.1展示的就是把超导体绕成触发线圈，在正常的运作时候，线圈是超导状态，电流都要通过这个线圈；一旦出现问题的时候，短路电流

35、就会比线圈的最大限制电流大，就会让线圈失灵，这样大部分的电流就会流入限制线圈和限制电阻里，这就实现了他的作用。2.2.2混合型 SFCL图2.2.2 混合型 SFCL原理图混合型SFCL(图2.2.2)于1992年被人提出的，它的组成部分是超导线圈与变压器构成的。内部的连接方法主要是由(串联结构图2.2.2（a），并联结构图2.2.2(b)这两个方法进行连接的。这种类型的变压器，他的副边比原边进行绕组的多很多，这就导致了超导线圈的电流变小。在电路正常工作的时候，磁路没有达到饱和状态，原副边的耦合状况非常好，(并联时，超导线圈让副边绕组出现短路；串联时，原副边绕组相互反向绕制)，因此整个系统的阻

36、抗就变小。如果出现问题的时候，副边的电流就会变大，那么超导线圈就会失效，在串联时，副边就会自动的加入一个大电阻，那么很多的电流就会流入原边，被原边的电抗阻碍着；并联的时候，超导线圈突然变成大电阻，那么变压器的阻抗就会加大，对出现问题的电流就会起到阻碍的作用。这个时候，变压器原边上的电压降非常的大，磁路就会自动的出现饱和，原副边的耦合也会很快的下降，这样就使两边的电流和电压的有效值减小，就达到了很少的时间里就让电流和电压回到最初状态的目的。2.2.3变压器型（感应型） SFCL图2.2.3 变压器型SFCL原理图上图所描绘的机器是变压器型超导阻碍控制电流器，其中主要是将改变交流电压的装置副边绕组

37、跟电阻型超导阻碍限制电流器进行组合，而同时改变交流电压的装置的原边绕组非并联在输电线路中。变压器原、副边超导绕组在正常操作的过程之中会相互依赖，彼此作用，从而发生较低的阻抗；控制阻碍电流成功是因为在电流不通过电器直接接通的情况之下，改变交流电压装置非主边绕组闭合回路在原磁场内产生的磁场阻碍原磁场磁通量发生变化的电流相较于超导绕组的临界电流更大而失去超导性，这时阻抗就会瞬间增大，从而使得改变交流电压的装置阻抗上升。2.2.4磁屏蔽型 SFCL图2.2.4 磁屏蔽型SFCL原理图磁屏蔽型 SFCL的三大组成部分分别就是最外圈的铜线、中层的超导圆柱以及最内层的铁芯同轴，上图所示的是磁屏蔽型 SFCL

38、正常操作的情况，超导圆柱为零阻碍，外圈的铜线以及零阻碍屏蔽筒间的气隙漏磁可以用来确定装置的阻抗，发生短路情况时，零阻碍环的电流值迅速的增加到临界值，从而产生了较大的电流阻力，使得铜线圈的磁通可以运行，带动磁屏蔽型 SFCL装置的阻抗值增大，最终使得控制故障电流得到成功。2.2.5桥路型 SFCL图2.2.5 桥路型SFCL原理图上图所示的是桥路型 SFCL技术，首次提出此项技术的公司为西屋电力企业以及美国的LANL。它的操作原理是利用超导素材在直流电下不具有阻载流特征，而不是将超导素材由超导到无超导的转变。它会属于失去超导类的超导阻碍限制电流器是因为操作原理与上文中的阻碍限制电流器相似。一般寻

39、常情况之下，功率在线圈L无损失的基础是直流偏流源DC，因为在其基础之下，流过线圈L的值是非常小的。在非寻常情况之下，故障电流会被大电感L控制是因为iac的值增加到了I0，与此同时iac正负半周内的二极管都是非导通的，所以超导线圈就非被动的串接到了线路之中。2.2.6饱和铁芯电抗器型SFCL图2.2.6 饱和铁芯型SFCL原理图上图所描绘的是饱和电抗器型超导阻碍限制电流器，它是由两个铁芯电抗器组合形成，而且两个铁芯之中分别有一个非交流的零阻碍绕组以及非直流的控制绕组，而其中直流零阻碍绕组只能与直流偏压源相组合，而且两个不是属于直流的控制绕组将会非并联在线路之中。一般寻常情况之下，两个铁芯达到饱和

40、，装置的阻抗为最低值的状态可以通过对于直流偏压源的改善来实现，非寻常情况之下，短路电流使得一个周期内的铁芯之间交换饱和，使得装置获得较大的阻抗，最终使得控制故障电流得到成功解决。2.2.7 三相电抗器型 SFCL图2.2.7 三相电抗器型SFCL原理图上图所示的是三相电抗器型零阻碍阻碍限制流器是由三个圈数相同的零阻碍绕组元素组成，寻常情况之下，均衡的三相电流之间的和为0，磁通变化在铁芯之间不具备，而且装置具有较低的阻抗；当具有单相接地电流不通过电流直接接通情况发生时，非均衡的三相电流，会使得装置的阻抗瞬间增大，也就为SFCL 的大的零序阻抗控制阻碍电流提供了条件。当两相或三相短路发生阻碍的情况

41、之下，装置的阻抗失不会瞬间变化，当故障电流的值与临界电流的值相等时，零阻碍绕组会出现失去超导性的状况，从而使得大的常态阻抗可以限制故障电流。2.3各种超导故障限流器的特点比较1、结构容易、反应速度迅速、寻常状况之下压降比较低以及逐渐指导实际操作等是电阻型 SFCL的优势。不容易解决的机械以及热问题是发展大电流交流超导电缆所遇见的难题。所以这也就导致开发的电阻型 SFCL的限定电流没有达到2KArms。2、混合型 SFCL 是使用远低于线圈中电流的非直流性超导电缆，它的制作过程方面快捷，而且重量不高，有效的减少低温状况下的损耗，而且在故障限制阶段磁路充满使得电压与电流的有效值出现减少的情况，继而

42、超导线圈发热的程度得到有效降低，这能够帮助超导态尽快的复原。不过一般变压器的使用让SFCL 的损耗变得较大而且十分费力，而且在故障发生时过路电压随之较高，故障发生后磁通量充满会导致电流电压发生不正常变化。以上两种 SFCL 的超导使用过后回复时间都比较长，无法适应及时的重合闸。能够进行及时的重合闸工作的 SFCL 需要使用到两类超导性线圈。 3、感应类的SFCL 超导线圈是不要电流进行引导的的，热量流失很低，这类线圈有着改变电压和限制电流的双重作用。不过还是要借助重量较轻的低温容器以及高电流交流超导电缆。 4、磁屏蔽型类的SFCL 使用超导体数量一直非常少，由于这类方法带来的交流损失不大，而且

43、也不用电流引导，能够利用 G-M 制冷机进行降温；设备外面的泄漏磁场不多，不过其质量较重,而且故障排除较为困难，需要两类装置配合才可以进行快速重合闸，而且还要变动开关，限制阶段存在瞬时过电压。 5、桥路型 SFCL 有着很大的优势：既可以在半秒的时间中从故障里恢复且不用其他系统的帮助，可以用以及时重合闸；这个时候线圈里面的电流为直流，所以不需要面对高交流型电流超导电缆等问题；因为线圈中没有金属类的部件，所以重量较低而且成本不高；在运行的过程中，装置电压降低时不会影响波动情况的改变；能够有效调整故障电流的缩减程度。不过在日常的运行过程中，超导线圈中会有着高出线路电流有效值的直流，所以此时的低温损

44、耗比较高。而且还要借助于电力二极管桥路和偏压电源。 6、饱和铁芯电抗器型 SFCL 的优势较为明显：故障限制阶段超导线圈没有失去功能，依旧有着自我起动功能，可以用于多次的重合闸工作；超导线圈中的电流为直流，这种电缆生产十分广泛，能够利用真空装置等形式来进行磁场屏蔽活动；一般情况下在故障阶段时发生的概念是逐渐进行的，经过电压很低。不过，铁芯与绕组数量需要依据双倍的故障电流电压大小进行组装，这就导致了其十分费力；日常工作中铁芯中的磁通量是饱和的，会出现明显的泄漏磁场；而在故障期间铁芯由于不断地出现饱和与恢复的情况会导致明显的电压波动情况。 7、三相电抗器型 SFCL中十分出众一个优势就是在出现故障

45、过程中，超导绕组仍能正常发挥作用。由于系统里面超过九成的故障是单相对性，因此这类 SFCL 具有特点可以处理大部分故障情况。在运行时，三相电流何在一起时是0，即磁通量没有出现改变，能够使用金属杜瓦。不过这类SFCL还是要借助线路中所有的交流超导电缆；而这类电缆是有着金属部件的，质量很重而且成本高，损失程度也比较高。第3章 桥路式SFCL仿真研究3.1 研究背景和意义超导故障限流器(SFCL)是国内新兴交叉学科超导电力技术中十分重要的一类研究领域，它是目前电力系统中不可或缺的组件，可以将其分类到灵活交流输电技术FACTS(Flexible AC Transmission System)的研究方向

46、中，依据有没有使用超导体的失超特征限流，可以把它分成失超与不失超这两种类型。这里面后者是超导故障限流器和目前具有的电子技术构成，西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation)与美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)在上世纪八十年代第一次发表了桥路型SFCL的理念，并推出了世界上首个桥路型SFCL，它就是不失超型超导故障限流器其中一类。桥路型SFCL即时间最早的SFCL拓扑，有着下列几个特点：1、可以进行多次的重合闸工作；2、重量不高而且成本少；3、在一般的运行状况中电压减少不会导致波动的出现；4、能够降低故障电流减少程度，因为这些优点它被大量的推广使用，所以

47、对它的研究可以帮助我们有效的认知和借鉴不失超型SFCL的技术和日常使用情况。3.2 桥路型SFCL拓扑及仿真分析3.2.1 拓扑分析：桥路型SFCL属于不失超型超导故障限流器，不同于失超型超导故障限流器所利用的超导体特有的电阻特性，该拓扑结构充分利用了超导材料在直流状态下无阻载流的特性。主要是由二极管桥路D1D4、超导线圈L(超导电感)和直流偏压电源DC组成，与之相串联的断路器CB用于开断被降低的故障电流，DC用于向超导线圈提供偏流iL。正常运行时调节DC使iL=I0(I0是偏压源DC提供给超导线圈的偏流初始值)，使I0大于线路电流iac的峰值，于是二极管桥路（即二极管D1D4）始终导通，除桥

48、路上有较小的正向电压外，SFCL对iac不表现任何阻抗，此即相当于线圈处于超导态。故障状态下，iac的幅值增大到I0时，在iac正半周内二极管D3和D4不导通，而在负半周内D1和D2不导通，超导线圈就被自动地串接入线路，故障电流就会被“失超”大电感L所限制。图3.2.1 桥路型SFCL拓扑3.2.2模型的假设与等效条件：在Matlab的Simulink平台下进行建模，模型的基本原理图如图3.2.2示，该模型在稳态时仅由电源、桥式SFCL和RLC负载组成，假设三相故障将RLC负载短路。图3.2.2. Simulink平台下桥路式SFCL基本模型的原理图为了便于仿真，对该模型做一些假设和等效：用开

49、关Breaker模拟发生在0.4s的故障态故障（三相短路），此时开关Breaker闭合；并假设在0.8s时瞬时故障消除，系统重合闸成功，此时开关Breaker断开；2、用开关Breaker2近似模拟稳态下的“超导”限流线圈（开关闭合）和“失超”状态下的限流线圈L（开关断开），即忽略超导电阻特性两种状态间的过渡过程。从而在00.4s时间内，由于系统处于稳态，受直流偏压源DC作用，SFCL支路流过极小电流（认为无电流流过），即等效为超导线圈L处于超导状态，亦即Breaker2闭合；在0.41.0s时间内，系统发生故障态故障（三相短路），Breaker闭合，SFCL支路电流平衡被打破，即等效认为SF

50、CL迅速失超，“失超”大电感L起限流作用，限制故障电流。3、假设稳态时桥路式SFCL系统与传统限流器系统的线路电流相同，据此得到发生故障时装设有桥路式SFCL的系统，其因“失超”串入的电抗应为2L，其中L为传统限流器的电抗；4、假设故障瞬间SFCL即失超，即忽略在0.4s故障时桥式线圈串入系统的延时。3.2.3模型的建立：基于此，选取交流电源（ AC Voltage Source）10kV供电，直流偏流电源(DC Voltage Source）远远小于系统电压，串联RLC支路(Series RLC Branch1)作为负载，其中电阻20kOhms，电感50H，电容10F，限流器电感(L Bra

51、nch)为300H。系统的稳态和故障态模型分别在下图示出：图3.2.3. Simulink平台下桥路式SFCL的稳态模型图图3.2.4. Simulink平台下桥路式SFCL的故障态模型图3.2.4稳态仿真：通过仿真给出1s内桥式超导故障限流器的线路、超导线圈及D2（作为代表）二极管的稳态电流曲线如图所示：图3.2.5. 加装SFCL时流过线路的电流（稳态）图3.2.6. 加装SFCL时流过超导线圈的电流（稳态）图3.2.7. 加装SFCL时流过二极管D2的电流（稳态）3.2.5 故障态仿真：根据研究发现，如果出现了短路的情况，那么超导线圈就会发挥其作用，是其传入到线路当中，那么对于短路以后的

52、电流就会被失超大电感L产生一定的流量控制，具体的计算可以根据基尔霍夫的定律来进行计算：为了说明超导故障限流器的限流效果，将加装SFCL系统与加装传统限流器系统的故障态模型分别进行仿真，并比较结果如下：图3.2.8. 故障后流过线路的电流对比图3.2.9. 故障后流过线圈的电流对比图3.2.10. 故障后流过二极管D2的电流对比3.2.6 波形分析：对比线路电流曲线，在已发生故障的0.5s这一瞬间，加装超导故障限流器的线路电流被限制在约2kA，此电流仅约系统正常时线路电流幅值的1倍左右，而加装传统限流器的线路此时的电流约4kA，此电流约是系统正常时线路电流幅值的2倍以上！并且在故障尚未切除情况下

53、，前者的线路电流包络直线的斜率也小于后者，这说明前者的故障电流增加速率小于后者。以上对比了在同种拓扑结构下加装超导故障限流器和传统限流器在系统故障态故障时各处的电流，当系统发生其他类型（不对称）的短路故障时，对于每一相，SFCL总能起到明显的限流作用，在此不再一一说明。3.3 限流效果分析在电力系统中采用超导故障限流器（SFCL）的主要目的之一就是限制故障电流，使之不超过断路器的瞬时开断能力。故障电流缩减率D%是表征桥式超导故障限流器限流效果的重要参数，其中D的取值范围是0<D<1,其表达式为： (3-5)ip为无SFCL时发生三相短路的冲击电流,它与系统的等值短路比X/R有关，计

54、算式为： ip=1+exp(-0.01/Ta)Ip=KimIp。 (3-6)其中：Kim=1+exp(-0.01/Ta)称为冲击系数，表示冲击电流对短路电流周期分量幅值的倍数。Ta为时间常数，Ta=X/R。短路冲击电流与短路比X/R有关,当时间常数Ta的数值由零变化到无穷大时，冲击系数的变化范围为1Kim2。ilim为装设SFCL后，被限制短路电流的峰值，由式： (3-7)来确定。因为故障电流是在短路发生后的半个周波达到最大值，因此，在分析问题时取t=0.01s，又因偏压源Vb的数值远远小于系统电压,可以忽略不计。所以， (3-8)I0是桥式SFCL正常运行期间偏压源DC输出的直流偏流，其值要

55、大于线路电流的峰值。短路发生后约半个周波时，SFCL的故障电流缩减率D%表达式为： (3-9)其中:Ip为短路电流周期分量的幅值。根据桥路式SFCL模型提供的参数计算得桥式SFCL短路故障电流缩减率约为90%左右。由此可见,此桥路式SFCL的限流效果是非常好的。3.4 结论通过仿真分析，得出桥式超导故障限流器可以不失超地限制短路故障电流，且限流效果较传统限流器更优。在系统正常运行时，由于直流偏压源的作用，既没有故障态过程，也使得桥路电感不产生无功压降和无功功率损耗；在系统故障时桥路限流电感的突然加入（相当于超导线圈的失超），可以有效地延迟故障电流到达峰值的时间，使断路器在故障电流在还比较小时就将线路切断，不用更换现有的开关