董志軍,吳維寧,鄭建勇,沈昊驄,沙浩源
(1.東南大學(xué) 江蘇 南京 210096; 2.南京南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211000)
新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器等效電路和仿真分析
董志軍1,吳維寧2,鄭建勇1,沈昊驄1,沙浩源1
(1.東南大學(xué) 江蘇 南京 210096; 2.南京南瑞集團(tuán)公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院),江蘇 南京 211000)
基于飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的基本工作原理,提出了一種新型高溫超導(dǎo)故障限流器的鐵心結(jié)構(gòu)和交直流線(xiàn)圈配置方式。通過(guò)理論分析,介紹了新型結(jié)構(gòu)的工作原理,建立其等效二端口電路模型,推導(dǎo)出電路模型的參數(shù),分析了交流繞組在直流回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流大小。結(jié)構(gòu)限流器通過(guò)縮減偏置磁路的有效長(zhǎng)度,降低偏置電流的大小。對(duì)新型高溫超導(dǎo)故障限流器進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果表明,在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),結(jié)構(gòu)限流器對(duì)交流回路電流的影響很小,在系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí),能夠有效、快速地將短路電流限制在合理范圍內(nèi)。
飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器;四柱式鐵心;等效電路;偏置電流;仿真分析
近年來(lái),由于電網(wǎng)規(guī)模和電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大,電網(wǎng)的短路容量和短路電流超標(biāo)問(wèn)題日益突出,這將給電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的影響[1-2]。隨著智能電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的堅(jiān)固性和可靠性要求越來(lái)越高,如何有效地限制短路電流成為目前亟待解決的問(wèn)題。目前采用的限制短路電流措施主要包括:低壓分層分區(qū)運(yùn)行、提高電壓等級(jí)、母線(xiàn)分裂或分段運(yùn)行等等。以上措施會(huì)帶來(lái)不利影響,如使電網(wǎng)變脆弱,降低電網(wǎng)安全運(yùn)行性能等。故障限流器作為能夠有效限制短路電流的裝置,自二十世紀(jì)70年代提出以來(lái)得到了很大的發(fā)展。在電網(wǎng)正常工作時(shí),故障限流器呈現(xiàn)微小阻抗;在發(fā)生短路故障時(shí),能在較短的時(shí)間內(nèi)變成高電抗以限制短路電流,將短路電流限制在一定的水平。故障限流器包括熱敏電阻限流器、液態(tài)金屬限流器、電弧電流轉(zhuǎn)移限流器、放電間隙型限流器以及固態(tài)限流器等等[3-9]。
隨著故障限流器研究的深入以及超導(dǎo)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,出現(xiàn)了多種超導(dǎo)故障限流器,其中飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器(saturated iron-core type high temperature superconductive fault current limiter, HTSFCL)具有廣闊的應(yīng)用前景[10-13]。當(dāng)電網(wǎng)不發(fā)生短路故障時(shí),HTSFCL中由于直流偏置電源的作用,使鐵心處于深度磁飽和狀態(tài),交流線(xiàn)圈中的磁通變化率很小,HTSFCL在電網(wǎng)中阻抗很小;在出現(xiàn)短路時(shí),通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)切除直流偏置電源,限流器的阻抗變?yōu)楹艽?,限制短路電流?/p>
HTSFCL屬于不失超型故障限流器,超導(dǎo)直流線(xiàn)圈不失超,不存在失超恢復(fù)的問(wèn)題,可以連續(xù)多次限制短路電流,適于自動(dòng)重合閘運(yùn)行[14-16]。但是電力系統(tǒng)在大部分時(shí)間內(nèi)處于正常工作狀態(tài),在較少的時(shí)間會(huì)處于短路狀態(tài),即HTSFCL的偏置電源會(huì)在大部分時(shí)間內(nèi)處于供電狀態(tài)。因此,過(guò)大的偏置電流會(huì)增加SR-SFCL直流控制系統(tǒng)的功耗。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種新型的飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器,該裝置的鐵心為四柱式結(jié)構(gòu),通過(guò)縮減磁路的有效長(zhǎng)度,和同等級(jí)短路容量的HTSFCL相比,能夠有效地降低偏置電流的大小。本文闡述了新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的結(jié)構(gòu)和工作原理,建立了其電路模型,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其限流效果。
圖1所示為新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的結(jié)構(gòu)示意圖,主要結(jié)構(gòu)包括:四柱式鐵心、兩個(gè)直流線(xiàn)圈和一個(gè)交流線(xiàn)圈,直流線(xiàn)圈是由超導(dǎo)材料繞制而成。兩個(gè)直流線(xiàn)圈分別繞制在鐵心中間的兩個(gè)心柱上,交流工作線(xiàn)圈繞制在直流線(xiàn)圈的外側(cè),且以中間兩個(gè)心柱整體為繞制軸進(jìn)行繞制。為了便于分析,圖中規(guī)定了偏置電流idc、交流側(cè)電流iac、直流線(xiàn)圈主磁通Φ1和Φ2、交流線(xiàn)圈主磁通Φ0和Φ3的正方向。交流線(xiàn)圈串聯(lián)在輸電線(xiàn)路中,直流線(xiàn)圈串聯(lián)在直流偏置回路中。
圖1 新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器結(jié)構(gòu)
在電網(wǎng)正常工作時(shí),偏置電流idc產(chǎn)生的磁場(chǎng)在鐵心的左心柱和右心柱中構(gòu)成閉合的磁路,而在邊柱中幾乎不產(chǎn)生磁場(chǎng),此時(shí)磁路上的鐵心在idc的作用下進(jìn)入深度磁飽和狀態(tài)。由圖1中交、直流線(xiàn)圈的配置方式可知,在任意半個(gè)周期內(nèi),交流側(cè)電流iac產(chǎn)生的磁通方向,均與兩個(gè)直流線(xiàn)圈中的磁鏈方向一個(gè)同向一個(gè)反向。在電網(wǎng)正常工作時(shí),額定工作電流iac不足以使鐵心退出深度磁飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率很小,交流線(xiàn)圈所交鏈的磁通變化率很小,交流線(xiàn)圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很小,即在正常工作時(shí),限流器對(duì)交流回路呈現(xiàn)阻抗。
當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),iac迅速增大,在任意半個(gè)周期內(nèi),與交流磁鏈反向的心柱退出磁飽和狀態(tài),而與交流磁鏈同向的心柱仍然處于磁飽和狀態(tài)。此時(shí),交流線(xiàn)圈所交鏈的磁鏈變化率很大,交流線(xiàn)圈兩端的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很大,故障限流器對(duì)交流回路表現(xiàn)為很大的阻抗,從而起到了限制短路電流的作用。在發(fā)生短路故障時(shí),通過(guò)故障檢測(cè)系統(tǒng),快速地切除偏置電流,使中間的兩個(gè)心柱均退出磁飽和狀態(tài),故障限流器的等效阻抗值變大,從而能更有效地限制短路電流。
圖2 四柱式鐵心的尺寸規(guī)格
圖2所示為四柱式鐵心的尺寸規(guī)格和磁通方向,其中H0、H1、H2、H3分別是左邊柱、左心柱、右心柱、右邊柱的磁場(chǎng)強(qiáng)度,μ1、μ2分別是左心柱和右心柱的磁導(dǎo)率。
為了簡(jiǎn)化分析,忽略漏磁通,即假設(shè)磁通全部集中在鐵心之中。根據(jù)磁路的基本定理,可得:
(1)
(2)
由于圖2中四柱式鐵心結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng),可得:
Naciac=2H0(h+4l1+2l2)
(3)
H0=H3
(4)
將式(3)、(4)代入式(1)、(2)中,可得:
(5)
(6)
圖3 鐵心的B-H曲線(xiàn)
飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的鐵心一般采用硅鋼片疊制而成,為了簡(jiǎn)化分析,忽略磁滯效應(yīng)的影響,用函數(shù)b=f(h)描述B-H曲線(xiàn),如圖3所示。(Hi,Bj)為新型限流器右心柱
的靜態(tài)工作點(diǎn),(Hi+Hac,Bi)是最大增磁點(diǎn),(Hi-Hac,Bk)是最大去磁點(diǎn)。對(duì)于鐵心的左心柱,(-Hi,-Bj)是靜態(tài)工作點(diǎn),(-Hi+Hac,-Bk)是最大去磁點(diǎn),(-Hi-Hac,-Bk)是最大增磁點(diǎn)。在鐵心的動(dòng)態(tài)磁化過(guò)程中,B-H曲線(xiàn)的斜率為鐵心的磁導(dǎo)率,可得:
μ1=f,(H1)
(7)
μ2=f,(H2)
(8)
圖4 等效二端口網(wǎng)絡(luò)電路模型
根據(jù)新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器結(jié)構(gòu)示意圖,忽略交流線(xiàn)圈中的電阻,可以建立如圖4所示的非線(xiàn)性二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路模型。其中l(wèi)dc是故障限流器直流線(xiàn)圈的等效電感,lac是交流線(xiàn)圈的等效電感。
由電感元件的電壓電流關(guān)系,可得:
(9)
(10)
根據(jù)四柱式鐵心的幾何結(jié)構(gòu)和電磁感應(yīng)定理,可得:
(11)
(12)
其中Ndc是偏置線(xiàn)圈的匝數(shù),Sdc是鐵心中間兩個(gè)心柱的有效截面積。將式(7)、(8)、(11)、(12)代入式(9)、(10)中可得到等效電路模型的參數(shù)如下:
(13)
(14)
3.1 偏置線(xiàn)圈中感應(yīng)電流
如圖1所示,直流線(xiàn)圈串聯(lián)反接,則故障限流器工作時(shí),直流線(xiàn)圈中總感應(yīng)電勢(shì)是兩個(gè)直流線(xiàn)圈感應(yīng)電勢(shì)之差:
(15)
其中ek1、ek2分別是兩個(gè)直流線(xiàn)圈的感應(yīng)電勢(shì);B1、B2分別是對(duì)應(yīng)鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
如圖3中所示,故障限流器正常運(yùn)行時(shí),在偏置電流的作用下,心柱鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度處于最大增磁點(diǎn)和最大去磁點(diǎn)之間,即:B1∈(-Bi,-Bk)、B2∈(Bk,Bi)。由于鐵心處于磁飽和狀態(tài),磁導(dǎo)率很小,根據(jù)式(15)可知直流線(xiàn)圈的感應(yīng)電勢(shì)很小,直流回路中的感應(yīng)電流很小。
當(dāng)交流回路發(fā)生短路故障時(shí),限流器心柱處于交替退飽和狀態(tài)。由于四柱式鐵心的交、直流線(xiàn)圈的耦合程度高,交流電流對(duì)直流線(xiàn)圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),可能造成直流回路中晶閘管擊穿等故障。因此,在直流回路中設(shè)計(jì)感應(yīng)電流保護(hù)措施,如:在晶閘管上并聯(lián)氧化鋅電阻。
3.2 鐵心結(jié)構(gòu)對(duì)偏置電流影響
若飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器的偏置電流為idc,由直流磁路中的磁動(dòng)勢(shì)守恒原則,可得出:
(16)
其中l(wèi)eq是有效磁路長(zhǎng)度[17]。
根據(jù)圖2中規(guī)定的四柱式鐵心尺寸,新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器直流有效磁路長(zhǎng)度為:
leq1=2h+2l3+4l1
(17)
圖5 三柱式鐵心的尺寸規(guī)格
如圖5所示是高溫超導(dǎo)故障限流器三柱式鐵心結(jié)構(gòu),其直流有效磁路長(zhǎng)度為:
leq2=3ht+4l2t+9l1t
(18)
限流器所承受的短路容量St與邊柱的有效截面積S有關(guān)[18-19],當(dāng)四柱式與三柱式高溫超導(dǎo)故障限流器具有同等級(jí)的短路容量時(shí),不妨選取h=ht,l3=l2t,l1=l1t,代入式(16)、(17)中可得:
leq1 (19) 將式上代入式(15)中,可以得: idc1 (20) 其中idc1、idc2分別是四柱式和三柱式鐵心的偏置電流??梢钥闯觯陔娋W(wǎng)正常工作時(shí),限流器的偏置電流使鐵心出入深度磁飽和狀態(tài),新型HTSFCL通過(guò)減小磁路的有效長(zhǎng)度,降低偏置電流的大小。 4.1 仿真電路 根據(jù)對(duì)新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器工作原理的分析,利用MATLAB/Simulink和有限元仿真軟件JMAG,對(duì)單相限流器的限流效果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。鐵心選用仿真庫(kù)中提供的軟磁材料25CS300,對(duì)于高磁導(dǎo)率的硅鋼片而言,通過(guò)開(kāi)氣隙,使磁導(dǎo)率變化更加平緩,交流繞組對(duì)鐵心工作點(diǎn)的影響減小,故在中間兩個(gè)心柱上均空出1.25 mm的氣隙,限流器模型中各個(gè)參數(shù)規(guī)定為:l1=l2=l3=40 mm,b=90 mm,h=120 mm,Nac=200,Ndc=300。 圖6 仿真電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 4.2 限流效果分析 圖7 交流側(cè)電流和電壓波形 為了分析新型HTSFCL的限流效果,在有無(wú)限流器的情況下,分別進(jìn)行短路仿真。當(dāng)t=0.1 s時(shí),閉合開(kāi)關(guān)S1,交流回路正常工作;當(dāng)t=0.4 s時(shí),開(kāi)關(guān)S2閉合,發(fā)生短路故障。 圖7是短路發(fā)生前后交流側(cè)電流和電壓的波形。從圖7(a)中可以看出,在交流回路正常工作時(shí),使用限流器前后對(duì)交流電流的影響很小,電流縮減率Dnormal%=1.6%;當(dāng)t=0.4 s時(shí),負(fù)載被短路,限流器將短路電流的瞬間最大值限制在Iacmax=37.2 A,故障電流縮減率Dfault%=10/54=6.5%,電流從短路故障發(fā)生到穩(wěn)定的過(guò)渡時(shí)間tc=13 ms。由仿真結(jié)果可看出,新型HTSFCL能夠有效地限制故障電流,在經(jīng)過(guò)約半個(gè)周期的動(dòng)作時(shí)間后短路電流穩(wěn)定在固定值。從圖7(b)中可以看出,正常工作時(shí),限流器的兩端電壓很??;發(fā)生短路故障時(shí),電源電壓幾乎全部加在限流器兩端。 4.3 偏置電流分析 圖8 偏置電流波形 圖8所示是短路故障發(fā)生前后偏置線(xiàn)圈中的電流波形。直流電流采用滯環(huán)比較跟蹤策略,在0~0.4 s時(shí),直流電源給偏置線(xiàn)圈充能,電流逐漸增大并穩(wěn)定在給定值8 A,使線(xiàn)圈中的鐵心進(jìn)入深度磁飽和狀態(tài);在t=0.4 s時(shí)發(fā)生短路故障,偏置線(xiàn)圈中感應(yīng)電流的最大值Ldcmax=17.5 A。切斷直流電源,同時(shí)將滅磁電阻RC串入偏置回路中,通過(guò)滅磁電阻RC快速釋掉偏置線(xiàn)圈中的磁能。經(jīng)過(guò)ts=96 ms,過(guò)渡過(guò)程結(jié)束,偏置線(xiàn)圈中的電流逐漸減到零,鐵心退出飽和。 本文提出了一種新型飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器,分析了其基本工作原理,建立了等效二端口電路模型,分析直流線(xiàn)圈的感應(yīng)電流大小。通過(guò)縮減磁路的有效長(zhǎng)度,可以減小偏置電流的大小。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出,新型HTSFCL能有效地限制短路故障電流,在正常工作時(shí)等效電抗很小,對(duì)交流回路的影響很??;發(fā)生短路故障時(shí),能夠在較短的時(shí)間內(nèi),將短路電流限制在合理值,滿(mǎn)足預(yù)期的限流要求,四柱式限流器具有一定的發(fā)展前景。但是,本文只對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,制作樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、如何應(yīng)用于高電壓等級(jí)電網(wǎng)仍是亟待解決的問(wèn)題。 [1] 劉振亞,張啟平.國(guó)家電網(wǎng)發(fā)展模式研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33(7):1-10,25. 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College of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing Jiangsu 210096, China) In the basic operating principle of saturated iron-core high temperature superconductive fault current limiter (HTSFCL), this paper presents a novel core structure and AC-DC coil geometry of saturated iron-core HTSFCL. Through theoretical analysis, it introduces the working principle of the new structure, establishes its equivalent two-port circuit model, deduces parameters for the circuit model, and analyzes the amount of induction current generated by the AC winding in the DC circuit. By reducing effective length of the magnetic bias circuit, the current limiter can reduce the amount of the bias current. Simulation analysis is made of the novel HTSFCL. Simulation results show that the current limiter produces little impact on the current of the AC circuit during normal system operation, and can quickly and effectively limit short-circuit current to a reasonable range in case of short circuit of the system. saturated iron-core HTSFCL;four-column core; equivalent circuit;bias current;simulation analysis 基于磁路控制的超高壓故障電流限制技術(shù)基礎(chǔ)理論及可行性研究 10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.011 TM712 A 1000-3886(2017)01-0034-04 董志軍(1990-),男,安徽池州人,碩士生,研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)故障限流器。 吳維寧(1964-),男,湖北武漢人,研究員級(jí)高級(jí)工程師,碩士,研究方向?yàn)殡娏y(cè)量與控制技術(shù)、電磁兼容技術(shù)、電力系統(tǒng)運(yùn)行控制等 。 鄭建勇(1966-),男,福建福州人,教授,博士生導(dǎo)師,博士,研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。 沈昊驄(1990-),男,江蘇南京人,博士生,研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)故障限流器。 沙浩源(1990-),男,江蘇徐州人,碩士生,研究方向?yàn)槌瑢?dǎo)故障限流器。 定稿日期: 2016-07-284 仿真結(jié)果及分析
5 結(jié)束語(yǔ)