李 晶 ,宋 萌 ,王 龍 ,胡南南 ，曹昆南 ，王達達

（1.云南電網公司研究生工作站 云南 昆明 650217；2.昆明理工大學 電力工程學院,云南 昆明 650500；3.云南電力試驗研究院（集團）有限公司電力研究院 云南 昆明650217）

隨著經濟和社會的發(fā)展，電力需求不斷增加，電網容量也不斷擴大，電網的潛在短路功率和故障短路電流也隨之增大，因此要求電氣設備的抗大電流沖擊能力越來越高。電網出現(xiàn)短路故障時，SFCL因其集檢測、轉換和限流于一身的特點可減少降低電網電流短路水平，提高供電可靠性和安全性。利用Ansoft軟件電磁暫態(tài)仿真，建立了SICSFCL的電磁模型，并對500 kV/3150A SICSFCL電磁仿真以及各種情況下的過電壓水平進行分析。

1 飽和鐵芯型超導限流器工作原理

理想的SFCL應具有特征：正常運行時穩(wěn)定且呈現(xiàn)的阻抗幾乎為零；當發(fā)生短路故障時，應立刻呈現(xiàn)為大阻抗，故障切除后應立即返回到原來的狀態(tài)[1-2]；并且能在短期內承受多次故障電流的沖擊等。尤其SICSFCL在故障限制期間超導線圈不失超，有多次自動起動能力，適于多次重合閘運行；超導線圈是直流的，所需的直流超導電纜較易制造，可采用金屬杜瓦，真空容器用鋁合金作電磁屏蔽；正常運行于故障狀態(tài)間的轉變是漸變的，過電壓小。其原理圖如圖1示。

圖1 SICSFCL的原理圖Fig.1 Schematic of the individual SICSFCL

SICSFCL由一對鐵心電抗器組成，每個鐵心上均有一組銅的交流限制繞阻L1和L2，和一組直流超導繞阻X1和X2，兩個交流限制繞阻反極性串聯(lián)，直流超導繞阻串聯(lián)加直流偏壓源。系統(tǒng)正常運行時，調節(jié)直流偏壓源使兩個鐵心飽和，裝置呈現(xiàn)低阻抗；當線路故障時，短路電流使兩個鐵心在一個周期內交替去飽和，裝置呈現(xiàn)高阻抗，從而限制了故障電流[3-4]。

2 500 kV/3150 A SICSFCL電磁模型

500 kV/3150 A三相飽和鐵芯型超導限流器樣機的3D Aansoft Maxwell電磁模型如圖2所示。

圖2 500ψψψkV/3150A三相SICSFCL 3D電磁模型Fig.2 3D Electromagnetic of 500kV/3150A

3 SICSFCL電磁仿真分析

3.1 SICSFCL穩(wěn)態(tài)電磁仿真分析

考慮SICSFCL模型應用于500 kV電網中，SICSFCL串接到母線出口側，其穩(wěn)態(tài)仿真波形如圖3至7所示。因SICSFCL為感性電抗，仿真中線路阻抗為純電阻時可獲得最差限流效果，此狀態(tài)可更好觀察SICSFCL的限流效果。故障設置為A相單相接地短路，故障時間0 ms。

由圖3至7可知，系統(tǒng)正常運行時流經SICSFCL電流最大值4 375 A，系統(tǒng)電流基本無畸變，說明其對線路電流影響較小。A相交流兩繞組穩(wěn)態(tài)最大壓降最大值均小于19 kV,A相壓降波形（穩(wěn)態(tài)）系統(tǒng)壓降有效值約為12.1 Kv,均小于線路壓降1%符合設計要求。故超導限流器穩(wěn)態(tài)運行時不會對線路電流、電壓及電能質量造成負面影響[5]。

圖3 交流繞阻壓降波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.3 AC winding voltage drop waveform(steady-state)

圖4 直流繞組電壓波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.4 DCwinding voltage drop waveform(steady-state)

圖5 直流繞組電流波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.5 DCwinding current waveform(steady-state)

圖6 SICSFCL的功率波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.6 SICSFCL power waveform(steady-state)

圖7 SICSFCL交流繞組電壓波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.7 ACwinding voltage waveform(steady-state)

3.2 SICSFCL A相接地短路電流60 kA時電磁仿真

500kV/3150A SICSFCL單相接地短路（故障電流60 kA）的仿真波形如圖8～圖11所示。仿真中線路阻抗均為純電阻。

圖8 交流繞阻壓降波形（60kA）Fig.8 ACwinding voltage drop waveform(60kA)

SICSFCL在正常穩(wěn)態(tài)工作時呈現(xiàn)低阻抗特性，穩(wěn)態(tài)壓降約為2.3%，電流諧波畸變率??；當輸電線路發(fā)生短路故障時，限流器阻抗增大，且不同短路電流所對應的限流阻抗不同，電流畸變程度也不同。鐵芯存在的局部不飽和區(qū)域導致了交直流繞組間的互感和交流繞組自感在正負半周的不平衡[6-7]。

圖9 直流繞組電壓波形（60 kA）Fig.9 DCwinding voltage drop waveform(60 kA)

圖10 直流繞組電流波形（60 kA）Fig.10 DCwinding current waveform(60 kA)

圖11 SICSFCL的功率波形（60 kA）Fig.11 SICSFCL power waveform(60 kA)

由圖12～15知可知鐵芯飽和程度不夠，或者存在大范圍的局部飽和現(xiàn)象。故障下過電壓過高表明交流繞組和直流繞組間存在較大的互感耦合，應從設計上尋求方法予以消除。總體來說500 kV/3150 A飽和鐵芯型超導限流器設計方案仍舊存在一些缺陷，在工程制造前還應進一步優(yōu)化和改進。

當系統(tǒng)發(fā)生單項短路電流60 kA故障時，流經SICSFCL電流最大值88 kA，遠大于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流值，且含有豐富的電流諧波，故障暫態(tài)電流存在畸變。A相兩個交流繞組最大壓降值約470 kV,最大壓降發(fā)生在故障后第一個波峰[8]。直流繞組感應較大的交流繞組電壓，感應電壓最大值達43 kV，需采取措施對直流電流側進行保護。交流繞組電感值最大值可達43 mH，且最大值發(fā)生在故障后第一個波峰，電感值隨時間逐漸衰減。交流繞組電抗最大值為16.2Ω，最大值發(fā)生在故障后第一個波峰，電感值隨時間逐漸衰減，且以上均呈雙工頻周期變化[9-10]。

圖12 SICSFCL線路電流波形（60 kA）Fig.12 Line current waveform(60 kA)

圖13 SICSFC交流繞組電壓波形（60 kA）Fig.13 ACwinding voltage waveform(60 kA)

圖14 SICSFCL壓降波形（60 kA）Fig.14 Voltage drop waveform(60 kA)

圖15 SICSFCL電抗波形（60 kA）Fig.15 Reactance waveform(60 kA)

4 結論

通過以上仿真可以得以下結論：

1)穩(wěn)態(tài)仿真得到的波形較為理想，與預期相符。兩個交流繞阻電感、限流器的電抗和壓降均呈現(xiàn)周期性變化；

2)故障下的仿真波形顯示了限流器的工作特性，即：短路故障發(fā)生后，流過限流器的電流劇增，監(jiān)控系統(tǒng)會立即感知故障并借助電力電子開關在幾個毫秒之間切斷直流勵磁電流兩個鐵心會脫離深度飽和狀態(tài)，故障電流在兩個交流繞阻讓將產生大的限流感應電勢，以實現(xiàn)限流。另外由于這一過程中會有很短時間內電感值急速上升和下降，形成一個電感的尖峰波形，達到提升整體等效電抗的效果。此時直流繞組感應電壓很高，應該會觸動保護裝置自動開斷直流勵磁。同時，失去直流勵磁后其他兩相的電磁環(huán)境較為復雜，應在限流器設計之初就予以考慮。

3)由于波形存在幅值過大的為收斂點和奇異點，顯得波形粗糙。故在使用此分析模型和程序時，應盡量細化網格、縮短時間步長，并提高收斂精度。

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