字美榮，徐肖偉，馬儀，李小建

(1.云南電網(wǎng)公司昆明供電局，云南 昆明 650011;2.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、負荷的增加，隨之帶來的問題就是短路電流的增大，最大短路電流可達60kA以上，甚至超過了斷路器的遮斷電流能力，因此，限制短路電流是保證電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定的重要手段［1－4］。

超導(dǎo)限流電抗器的限流原理是:在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，超導(dǎo)限流器是低阻抗狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)中突發(fā)短路電流時，限流電抗器會在短時間(約5ms)呈現(xiàn)出高阻抗的狀態(tài)，以限制短路電流的大小，為斷路器提供較有利的開斷條件。

某35kV超導(dǎo)限流電抗器主要分為電抗系統(tǒng)、直流勵磁系統(tǒng)、低溫系統(tǒng)、監(jiān)控保護系統(tǒng)、外殼共5個部分，其中，直流勵磁系統(tǒng)是限流器的控制部分，該系統(tǒng)的動作特性就直接決定了限流器的限流效果［1］［13］。

2 系統(tǒng)概述

35kV超導(dǎo)限流器直流勵磁系統(tǒng)包括超導(dǎo)繞組和直流控制電源兩大部分。

組成超導(dǎo)磁體的繞組(超導(dǎo)繞組)套在三相六鐵芯的中心柱上，用于向限流器鐵芯提供深度飽和的直流偏置磁勢。直流控制電源用于向超導(dǎo)繞組提供直流偏磁電流，控制限流器的運行狀態(tài)，直流控制電源包括直流電源、快速開關(guān)、磁能吸收模塊、快速充磁電路、電網(wǎng)故障識別電路模塊，其原理簡圖如圖1所示。

圖1 35kV超導(dǎo)限流電抗器原理圖

限流器的運行狀態(tài)與直流控制電源的工作過程密切相關(guān)。在電網(wǎng)正常運行時，電源提供勵磁電流將鐵心偏置到深度飽和態(tài)，交流繞組呈現(xiàn)低阻抗，因此限流器對電網(wǎng)的運行影響較小，此時的限流器工作狀態(tài)稱之為穩(wěn)態(tài)［5－8］。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，電網(wǎng)故障識別電路正確判斷出電網(wǎng)故障，并向快速開關(guān)發(fā)出斷開信號，指示快速開關(guān)動作，關(guān)斷直流勵磁電源的輸出，使鐵心退出飽和態(tài)，限流器呈現(xiàn)高阻抗，限制了電網(wǎng)中的故障電流，可以滿足限流器的后面的斷路器安全切除，此時的限流器的工作狀態(tài)稱之為限流態(tài)。在限流器實現(xiàn)從穩(wěn)態(tài)到限流態(tài)的過渡過程中，需要實現(xiàn)超導(dǎo)磁體中磁能的吸收，主要實現(xiàn)辦法是在超導(dǎo)磁體兩端并聯(lián)高能壓敏電阻。為滿足斷路器正確安全重合閘，在斷路器合閘之前，電網(wǎng)故障識別電路監(jiān)測到斷路器斷開后，命令直流勵磁系統(tǒng)快速開關(guān)重新導(dǎo)通，使限流器鐵心恢復(fù)到深度飽和態(tài)，確保限流器重新呈現(xiàn)低阻抗，此時的限流器的工作狀態(tài)稱之為恢復(fù)態(tài)［13］。

3 直流勵磁系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 超導(dǎo)繞組設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

1)超導(dǎo)繞組匝間絕緣:超導(dǎo)限流器在穩(wěn)態(tài)運行情況下，由于交流三相繞組、每相兩個繞組間產(chǎn)生的磁通在超導(dǎo)限流器中柱上可以相互抵消，超導(dǎo)繞組上幾乎不會產(chǎn)生交流感應(yīng)電壓，繞組匝間電壓僅為直流電壓。但當(dāng)系統(tǒng)進入到限流狀態(tài)時，交流繞組三相間就存在不平衡的關(guān)系，超導(dǎo)繞組會在短路瞬間感應(yīng)出交流電壓，因此超導(dǎo)繞組匝間絕緣強度是非常重要的問題。

2)超導(dǎo)繞組承受的電動力:超導(dǎo)繞組上最大的電動力會出現(xiàn)在限流器限流狀態(tài)下。在系統(tǒng)發(fā)生短路故障的時候，由于漏磁的存在，超導(dǎo)繞組軸向和幅向上將承受較大的電動力。軸向電動力使繞組向中間壓縮，這種由電動力產(chǎn)生的機械應(yīng)力，可能影響繞組匝間絕緣，對繞組的匝間絕緣造成損傷;而輻向電動力使繞組向外擴張，可能失去穩(wěn)定性，造成相間絕緣損壞。電動力過大，嚴重時可能造成繞組扭曲變形或?qū)Ь€斷裂。所以，超導(dǎo)繞組骨架制作與繞組固化等步驟都需要涉及到繞組的機械強度問題。

3)超導(dǎo)繞組的熱交換:超導(dǎo)磁體內(nèi)的繞組是將銅合金線材繞在一個環(huán)形的骨架上制作而成，超導(dǎo)線材的工作環(huán)境溫度在液氮溫區(qū)77K(－196℃)下。只有在保障了超導(dǎo)繞組工作環(huán)境溫度的情況下，才能保證超導(dǎo)繞組在超導(dǎo)態(tài)正常運行，因此繞組與液氮之間的熱交換問題是設(shè)計中的重點。為了使超導(dǎo)線材有較好的散熱空間，很好地與液氮進行熱交換，選擇較合理的骨架結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，同時還需保證骨架在液氮環(huán)境下的機械強度和韌性。

3.2 直流控制電源關(guān)鍵技術(shù)

直流控制電源部分包括直流電源、快速開關(guān)、磁能吸收模塊以及控制模塊四部分，如圖1方框所包含內(nèi)容。直流電源的負載是超導(dǎo)繞組，在穩(wěn)態(tài)、限流態(tài)、恢復(fù)態(tài)具有不同的運行特性，因此對直流電源部分及控制部分有著特殊的要求。

3.2.1 直流電源

直流源用于向直流繞組提供直流勵磁電流。由于電網(wǎng)長期正常運行，就要求直流源的輸出具有較高的穩(wěn)定度和可靠性。電源在運行的過程中會遇到兩個問題:一個是在穩(wěn)態(tài)運行時，鐵心的不對稱性在直流繞組兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓會干擾電源的輸出的穩(wěn)定性;另一個是在限流器在短路故障發(fā)生未切斷直流回路之前也會有感應(yīng)電壓產(chǎn)生，會威脅直流電源的安全。

直流源的輸出要與超導(dǎo)磁體的設(shè)計相匹配，磁體中的超導(dǎo)繞組由多個超導(dǎo)餅串并聯(lián)組合而成。35kV掛網(wǎng)限流器超導(dǎo)磁體的設(shè)計通流約為300A，故電源設(shè)計額定輸出值為300A。

由于直流源的負載是超導(dǎo)材料繞制的繞組，工作時直流繞組處于超導(dǎo)態(tài)，直流電阻幾乎為零，即電源近乎在短路狀態(tài)下工作?？紤]到導(dǎo)線損耗、導(dǎo)線接點等因素，超導(dǎo)繞組穩(wěn)態(tài)壓降低于0.5V。

所以電源應(yīng)滿足的條件，一是低電壓大電流輸出，二是具有輸出抗干擾能力。

3.2.2 直流電源的控制部分

直流電源的控制部分是整個超導(dǎo)限流器的關(guān)鍵裝置，內(nèi)置的監(jiān)測單元通過監(jiān)測交流電網(wǎng)的電壓和電流信號，當(dāng)監(jiān)測到交流電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，系統(tǒng)在數(shù)毫秒內(nèi)識別出故障，并及時通過開關(guān)和保護系統(tǒng)切斷直流勵磁，使超導(dǎo)限流器工作在限流態(tài)，同時保護系統(tǒng)各個部件免受關(guān)斷電壓和交流側(cè)感應(yīng)過電壓影響;在監(jiān)測到電網(wǎng)故障消除后，控制系統(tǒng)控制開關(guān)重導(dǎo)通，快速給限流器充磁，在600ms秒內(nèi)使其恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。其直流主回路的設(shè)計原理圖如下:

圖2 35kV超導(dǎo)限流器直流電源控制系統(tǒng)

如圖2所示，限流器穩(wěn)態(tài)運行時，接觸器JCQ1、JCQ2閉合，接觸器JCQ3斷開，三相380V電源經(jīng)過380V/28V變壓器降壓，在經(jīng)過整流模塊，給電容C1充電(使用6個500uF的電容串聯(lián)而成)用來給超導(dǎo)繞組提供穩(wěn)定的勵磁電流。

在限流態(tài)時，快速開關(guān)Q1和Q2同時斷開，直流勵磁電流在數(shù)毫秒之內(nèi)由額定值降為0，勵磁電流下降時間測試如圖3所示。而在恢復(fù)態(tài)時，交流接觸器JCQ1、JCQ2和JCQ3與穩(wěn)態(tài)時的通斷正好相反，380V交流電則直接經(jīng)過整流模塊，在電容C1(4000uF)兩端產(chǎn)生約500V的直流電，用于向超導(dǎo)磁體強勵磁，以達到在600ms內(nèi)的完成勵磁的時間要求。通過試驗測試，直流勵磁電流在520ms內(nèi)由零達到額定值。

3.2.3 快速開關(guān)及過電壓保護單元

某變電站35kV出線保護相間電流Ⅰ段為零時限速動段，繼電裝置固有動作時間不大于40毫秒，這段時間之后斷路器動作。為保證斷路器安全動作，必須在斷路器動作之前將短路電流限制到安全范圍［1］，因此對快速開關(guān)的斷開時間提出這樣的指標:直流回路完全斷開時間小于5毫秒，這個時間為快速開關(guān)接收到斷開指令，一直到直流回路內(nèi)電流(包含鐵心內(nèi)磁能釋放的過程)減小至零(或很小，保證限流器鐵心退出飽和)的時間。

選用IGBT做為快速開關(guān)可滿足斷開時間小于5ms的要求，快速開關(guān)由4組IGBT串聯(lián)組成，如圖5，串聯(lián)起到分壓作用，使感應(yīng)高電壓和關(guān)斷過高壓能均攤到每個IGBT兩端，壓敏電阻用于保護IGBT，限制過電壓水平，防止由于關(guān)斷不同步而造成的高電壓擊穿IGBT。每個IGBT兩端并聯(lián)一組RC緩沖電路(R值為1.1歐，C值為0.05uF)和ZnO壓敏電阻。

圖3 快速開關(guān)電氣圖

過電壓保護單元采用高能壓敏電阻，利用壓敏電阻的非線性伏安特性來限制過電壓水平并吸收超導(dǎo)繞組的磁能。

當(dāng)系統(tǒng)有短路故障時，直流系統(tǒng)快速開關(guān)關(guān)斷，其超導(dǎo)繞組兩端產(chǎn)生高電壓，過電壓值被壓敏電阻所鉗制，該過電壓值是由所選壓敏電阻的型號決定的，直流系統(tǒng)最高過電壓水平為6.3kV。

3.3 其它關(guān)鍵技術(shù)

工控機和數(shù)據(jù)采集保護裝置是整個監(jiān)控保護系統(tǒng)的核心。直流電源勵磁系統(tǒng)由其下位機單獨控制，通過以太網(wǎng)接口與工控機進行通訊、數(shù)據(jù)傳輸。壓力、液氮流量、溫度等非電量監(jiān)控是通過另外的通道上傳到工控機進行顯示、分析，工控機根據(jù)監(jiān)控保護原理發(fā)出保護指令到數(shù)據(jù)采集保護裝置，通過數(shù)據(jù)采集保護裝置發(fā)出數(shù)字開關(guān)量信號等控制信號，最后控制各個閥門、開關(guān)、機械泵工作，保證低溫系統(tǒng)和限流器正常穩(wěn)定運行。如圖7所示:

圖4 超導(dǎo)限流器的控制及測量系統(tǒng)

4 結(jié)束語

超導(dǎo)限流電抗器的主要作用就是限制短路電流。對直流電源的要求是在穩(wěn)態(tài)時能提供穩(wěn)定的直流電流電流輸出、并具備抗干擾能力;限流態(tài)時，能耐受瞬態(tài)時的過電壓沖擊;對于控制測量系統(tǒng)的要求是能監(jiān)測電網(wǎng)三相電流電壓值、短路故障電流的判斷能力，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時，能在5ms內(nèi)切斷限流器的直流勵磁回路，使限流器交流繞組呈現(xiàn)高阻抗，為斷路器安全斷開提供較好的安全條件?；謴?fù)態(tài)時，能在600ms內(nèi)(斷路器重合閘之前)將超導(dǎo)繞組勵磁到穩(wěn)態(tài)值，恢復(fù)限流器的低阻抗狀態(tài)。并經(jīng)過試驗測試，限流器的直流系統(tǒng)動作性能達到要求。

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