宋萌, 林哲侃, 羅運松, 胡晶, 李達義

(1. 廣東電網有限責任公司電力科學研究院，廣東 廣州510080； 2. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室(華中科技大學)，湖北 武漢 430074)

電力系統(tǒng)中最常見、危害最大的是各種形式的短路，過高的短路電流嚴重危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，甚至會超過斷路器的遮斷容量，給電力系統(tǒng)中的各種電氣設備(如變壓器、接地網、繼電保護裝置等)造成極大的損害[1]，因此限制電力系統(tǒng)故障短路電流已成為現(xiàn)代電網發(fā)展的重大技術問題?？紤]到經濟成本、生產應用的現(xiàn)狀以及對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，通過外加故障限流器(fault current limiter，F(xiàn)CL)來限制短路電流是當前最好的解決方案[2]。FCL是一種串聯(lián)接在線路中的電氣設備，其基本思想是快速檢測即將出現(xiàn)的大短路電流峰值，并提前采取措施將其限制在低水平，以滿足已有斷路器在不超過其切斷能力下切斷短路故障[3]。超導故障限流器(superconducting fault current limiter，SFCL)具有反應速度快、能自動觸發(fā)、自動復位、可多次動作等優(yōu)越性，是故障限流器發(fā)展的最新前沿方向。

目前研究較多的SFCL類型有電阻型[4-5]、變壓器型[6-7]、有源型[8]、磁屏蔽型[9]、橋路型[10-11]、飽和鐵心電抗器型[12-14]等。其中，飽和鐵心電抗器型能夠將正常工作條件下的低阻抗與短路條件下的大阻抗相關聯(lián)，利用磁性材料磁導率的非線性特性來實現(xiàn)限制短路電流的功能[15]。因在故障限流期間超導線圈不失超，具有多次自動啟動能力、所需直流超導繞組較易制造等優(yōu)點，飽和鐵心型故障限流器(saturated iron core FCL，SICFCL)已成為國內外限流器研究的首選[14]。但傳統(tǒng)的SICFCL仍存在限流阻抗與穩(wěn)態(tài)阻抗的比值較小、限流效率不高、單邊效應導致體積和重量過大等缺點。

仿真技術作為一種新型的科技手段已深入于教學和科研中[16-21]，由于大型電力系統(tǒng)設備的設計與現(xiàn)場實驗成本高、實現(xiàn)困難，常使用仿真技術進行仿真分析后，再投入樣機的生產和試運行。ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的計算機輔助工程軟件，是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元仿真分析軟件。SICFCL的建模與仿真涉及電場、磁場、熱力場等多物理場，以及電路、磁路、結構等的耦合關系，適合采用ANSYS有限元軟件進行建模和仿真。ANSYS可以很輕松地將仿真結果導出成數據文本，并導入到MATLAB或其他數據分析軟件中進行多組數據的疊加與綜合分析。

本文針對傳統(tǒng)SICFCL存在的缺點進行改進，并通過建立ANSYS有限元仿真模型，驗證了改進的SICFCL原理的正確性和可行性，為SICFCL的實際生產和應用提供了新的思路。

1 飽和鐵心型限流器的基本原理

1.1 傳統(tǒng)SICFCL

傳統(tǒng)SICFCL的結構如圖1所示。SICFCL由鐵心、2個交流繞組和1個直流超導繞組組成；其中鐵心由2個“口”字形鐵心組成；交流繞組為2個常規(guī)導體繞制的線圈，串聯(lián)在電網中，分置于不同的鐵心上，線圈產生的磁場方向相同；直流超導繞組由直流電源提供直流勵磁電流[22]。圖2為傳統(tǒng)SICFCL工作原理。

圖1 傳統(tǒng)SICFCL結構Fig.1 Structure of traditional SICFCL

HDC—直流偏置工作點；iac—交流電流；B—磁通密度；H—磁場強度；μ—磁導率；t—時間。 圖2 傳統(tǒng)SICFCL工作原理Fig.2 Working principles of traditional SICFCL in two states

正常運行時，如圖2(a)所示，直流勵磁電源為直流繞組提供直流勵磁電流，產生1個偏置磁場，使鐵心處于深度飽和狀態(tài)，鐵心工作于直流偏置工作點HDC。此時，交流電流iac所產生的交流磁場不足以使鐵心脫離飽和區(qū)，鐵心的穩(wěn)態(tài)電抗很小。當短路故障發(fā)生時，如圖2(b)所示，短路的交流電流增大，使鐵心脫離飽和區(qū)進入非飽和區(qū)，此時鐵心磁導率迅速增大，使得限流器的限流阻抗呈現(xiàn)較大值，從而自動限制了電網的短路電流。傳統(tǒng)SICFCL的2個鐵心在1個周期內交替退出飽和，由此可以在正半周和負半周分別限制短路電流。當其中一個鐵心退出飽和時，另一個鐵心的飽和程度加深。從根本上說，SICFCL是利用鐵心材料磁導率的非線性變化特性來限制短路電流。

1.2 傳統(tǒng)SICFCL的優(yōu)缺點

傳統(tǒng)SICFCL與其他類型的FCL相比，在系統(tǒng)故障限流期間超導線圈不失超，不存在失超恢復時間問題，并有多次自動啟動能力，適于多次重合閘運行。超導線圈偏置電流是直流的，所需的直流超導電纜較易制造，過電壓小。根據系統(tǒng)需要，可以在一定的范圍內調整直流偏置電流的大小，從而調整預定的最大限流系數。

但是，傳統(tǒng)SICFCL也存在如下缺點。

a)限流時，隨著故障電流增大，鐵心從飽和區(qū)進入到非飽和區(qū)，從穩(wěn)態(tài)阻抗過度到限流阻抗的速度較慢，且并沒有充分利用非飽和區(qū)，導致限流阻抗與穩(wěn)態(tài)阻抗的比值較??；

b) 限流器的單邊效應(即處于增磁狀態(tài)的限流電抗器不參與限流)使得鐵心和繞組材料用量要按2倍故障功率設計，增加了體積、重量和損耗。

1.3 改進的SICFCL

圖3為改進的SICFCL的結構。在傳統(tǒng)SICFCL的基礎上，改進的SICFCL在直流超導繞組的一側增加了1個高速直流滅磁開關和1個磁能釋放回路，同時去除了1個“口”字形鐵心。磁能釋放回路可以是常用的非線性氧化鋅滅磁電阻，也可以由專門設計的勵磁電感滅磁回路組成[23]，其功能為在保證直流繞組兩端電壓不超過限定值的情況下，迅速消耗或轉移直流繞組中的能量，使直流繞組的電流迅速下降。這種改進的結構減少了鐵心和繞組材料的用量，也減小了SICFCL的體積、重量和損耗。

圖3 改進的SICFCL結構Fig.3 Structure of improved SICFCL

改進的SICFCL工作原理是：正常運行時，高速直流滅磁開關閉合，直流電源提供直流勵磁，使鐵心處于深度飽和狀態(tài)，限流器呈現(xiàn)低阻抗，如圖2(a)所示。當短路故障發(fā)生時，限流器通過電流檢測與控制單元監(jiān)測到故障短路電流，并發(fā)出指令，控制高速直流滅磁開關迅速斷開，直流勵磁繞組中的磁能通過磁能釋放回路迅速地轉移或消耗。當直流勵磁繞組中的電流下降到一定程度，限流器的鐵心退出飽和區(qū)運行于非飽和區(qū)，如圖4所示。由于直流勵磁繞組中基本沒有電流通過，相比于傳統(tǒng)的SICFCL，改進的SICFCL所在的零偏置工作點的磁導率更大，限流器充分利用了鐵心的非飽和區(qū)，使得限流阻抗迅速增大，從而限制短路電流。由于在故障發(fā)生后，鐵心在很短的時間內即可進入到非飽和區(qū)的零偏置點，這就大大增加了限流器的限流能力，提高了限流阻抗與穩(wěn)態(tài)阻抗的比值。

圖4 改進的SICFCL限流態(tài)工作原理Fig.4 Working principles of improved SICFCL in current-limit state

在限流動作完成后，可通過控制單元令高速直流滅磁開關再次閉合，利用直流電源對直流超導繞組的快速勵磁作用，在極短的時間內即可使限流器恢復到低阻抗的狀態(tài)，不再影響系統(tǒng)的功率傳輸。通過分析可知，改進的SICFCL可以支持系統(tǒng)重合閘的功能。總的來說，改進的SICFCL共有2種工作狀態(tài)：穩(wěn)態(tài)和限流態(tài)。由鐵磁材料的B-H曲線可知，僅當限流器處于短路電流較大的限流態(tài)時，鐵心將會交替進入飽和區(qū)和非飽和區(qū)，交流短路電流將會產生畸變并在系統(tǒng)中引入較大的諧波，如圖5所示，其中u表示施加于限流器兩端的電壓。當限流器處于穩(wěn)態(tài)或短路電流較小的限流態(tài)時，鐵心僅工作于飽和區(qū)或非飽和區(qū)，不會跨越2個工作區(qū)，交流電流基本不會發(fā)生畸變。

圖5 短路電流較大時的波形畸變原理Fig.5 Waveform distortion principle in large short-circuit current

2 限流器設計與建模

改進的SICFCL除了利用直流滅磁開關從穩(wěn)態(tài)轉變?yōu)橄蘖鲬B(tài)外，與傳統(tǒng)的SICFCL在原理上并沒有太大區(qū)別，可以參照文獻[24]中傳統(tǒng)SICFCL的設計方案，對改進的SICFCL進行相關參數的設計。其中，設定交流側額定電壓為10 kV，交流繞組通過的額定電流為300 A，直流繞組的額定直流勵磁電流為600 A。限流器參數的設計完成后，在ANSYS的Maxwell模塊中對所設計的傳統(tǒng)SICFCL以及改進SICFCL分別進行建模。

傳統(tǒng)SICFCL仿真模型如圖6所示，改進的SICFCL仿真模型如圖7所示。其中，直流繞組皆為100匝，交流繞組皆為20匝。限流器鐵心采用型號為B30P120的常用硅鋼片堆疊而成，其鐵心柱的橫截面為直徑500 mm的圓。

圖6 傳統(tǒng)SICFCL Maxwell仿真模型Fig.6 Maxwell simulation model of traditional SICFCL

圖7 改進的SICFCL Maxwell仿真模型Fig.7 Maxwell simulation model of improved SICFCL

限流器本體的設計與建模完成后，還需要對其應用場景和直流勵磁系統(tǒng)進行建模。本文將SICFCL的應用場景設定為配電網等效的單相10 kV無窮大系統(tǒng)帶阻性負載，限流器的交流側串接于無窮大電源與負載之間。由于涉及到電路學，需要利用ANSYS有限元仿真軟件的Simplorer電路系統(tǒng)仿真模塊對限流器的應用場景和直流勵磁系統(tǒng)進行建模。

Simplorer與Maxwell同為ANSYS軟件的功能模塊，二者之間具有良好的操作適應性、動態(tài)協(xié)同仿真功能和動態(tài)耦合功能，用戶可以很輕松地實現(xiàn)Simplorer和Maxwell之間的聯(lián)合仿真[25]。這一功能使得在Maxwell瞬態(tài)求解器中建立的電磁模型能夠直接鏈接到Simplorer的復雜系統(tǒng)電路。利用這一特點，用戶能夠建立詳細的一階電磁元件物理模型，并結合準確的電流電壓波形激勵，得到空前的仿真準確性和靈活性。在Simplorer中導入SICFCL的Maxwell電磁場模型，Simplorer將其轉換為電路模型，并可接入到在Simplorer中建立的電路系統(tǒng)模型。進行聯(lián)合仿真時，Simplorer模塊將自動打開Maxwell模塊并實現(xiàn)動態(tài)協(xié)同仿真。

在Simplorer中建立的限流器系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。其中，E1為10 kV無窮大系統(tǒng)等效電壓源；R1=0.16 Ω、L1=0.003 H，分別模擬線路電阻和電感；R3=0.002 5 Ω、R4=0.012 5 Ω，分別模擬限流器交流與直流繞組的等效電阻，RL=30 Ω，為負載電阻，R5為磁能釋放回路等效的非線性滅磁電阻；S1為模擬短路的開關，S1斷開代表線路正常工作，S1閉合代表線路發(fā)生短路故障。對于改進的限流器而言，S2為高速直流滅磁開關，當線路正常工作時，S2閉合，直流勵磁電源I1為限流器的直流繞組勵磁；當線路發(fā)生短路故障時，S2斷開，即直流勵磁電源I1不再給直流繞組勵磁，直流繞組中的能量將迅速轉移到R5所在的磁能釋放回路中進行快速滅磁過程。對于傳統(tǒng)的限流器，仿真模型中略去R5和S2，直流勵磁電源I1始終為直流繞組進行勵磁。

圖8 限流器系統(tǒng)Simplorer仿真模型Fig.8 Simplorer simulation model of SICFCL system

3 ANSYS仿真驗證

仿真時，設定0.1 s時開關S1閉合，模擬短路故障的發(fā)生。同時，對于改進的限流器模型，設置開關S2在線路電流達到限制值時斷開，使限流器進入限流態(tài)。對傳統(tǒng)的限流器模型則無需設置開關S2。

圖9為改進的SICFCL穩(wěn)態(tài)時某一時刻的磁場分布圖。

圖9 改進限流器的穩(wěn)態(tài)磁場分布Fig.9 Magnetic field distribution of improved SICFCLin steady-state

由圖9可知，改進的限流器處于穩(wěn)態(tài)時，鐵心處于深度飽和狀態(tài)，在額定交流電流通過的情況下不足以使鐵心退出飽和，此時限流器穩(wěn)態(tài)阻抗很小，接近于交流繞組的空心阻抗值。

圖10和圖11分別為傳統(tǒng)和改進的SICFCL在穩(wěn)態(tài)時電壓與電流的仿真波形。

電壓有效值為66.99 V；電流有效值為304.8 A。圖10 傳統(tǒng)限流器穩(wěn)態(tài)電壓與電流仿真波形Fig.10 Simulated waveforms of steady-state voltage and current of traditional SICFCL

電壓有效值為31.82 V；電流有效值為299.4 A。圖11 改進限流器穩(wěn)態(tài)電壓與電流仿真波形Fig.11 Simulated waveforms of steady-state voltage and current of improved SICFCL

由圖10和圖11可得到此時傳統(tǒng)和改進限流器的穩(wěn)態(tài)阻抗分別約為0.220 Ω和0.106 Ω，當通過300 A電流時傳統(tǒng)和改進的限流器兩端的電壓均不超過100 V，對于1個10 kV系統(tǒng)而言該壓降可以忽略，因此限流器基本不影響電網的正常運行和功率傳輸。但從損耗角度來說，傳統(tǒng)的限流器由于鐵心在設計上剛好是改進的限流器的2倍，因此二者的穩(wěn)態(tài)阻抗也約相差2倍，改進限流器穩(wěn)態(tài)時的損耗是傳統(tǒng)的限流器的一半。

圖12為改進的SICFCL限流態(tài)時某一時刻的磁場分布圖。

圖12 改進限流器的限流態(tài)磁場分布Fig.12 Magnetic field distribution of improved SICFCL in current-limit state

由圖12可知，限流器處于限流態(tài)時，由于直流勵磁電源斷開，鐵心工作于非飽和區(qū)的零偏置點，因此限流器限流阻抗較大。

圖13和圖14分別為傳統(tǒng)和改進的SICFCL流態(tài)時電壓與電流的仿真波形。

電壓有效值為2.690 kV；電流有效值為3.999 kA。圖13 傳統(tǒng)限流器限流態(tài)電壓與電流仿真波形Fig.13 Simulated waveforms of current-limit state voltage and current of traditional SICFCL

電壓有效值為5.082 kV；電流有效值為4.004kA。圖14 改進限流器限流態(tài)電壓與電流仿真波形Fig.14 Simulated waveforms of current-limit state voltage and current of improved SICFCL

由圖13和圖14可得在4 kA交流短路電流下，傳統(tǒng)和改進限流器的限流態(tài)阻抗分別約為0.673 Ω和1.27 Ω。

由此可知，無論是傳統(tǒng)還是改進的限流器，均具有限制短路電流的能力，但改進限流器比傳統(tǒng)限流器的限流阻抗更大，限流能力更強，且限流阻抗和穩(wěn)態(tài)阻抗的比值更大。另外需要注意的是，此時改進限流器的鐵心交替進入飽和區(qū)和非飽和區(qū)，在系統(tǒng)中引入了諧波，產生了波形畸變，需要盡快切除故障線路。圖15為短路故障發(fā)生前后，系統(tǒng)未接入限流器、接入傳統(tǒng)限流器和接入改進限流器的線路電流波形對比圖。由圖15可知，短路發(fā)生時，短路電流迅速增大，對于傳統(tǒng)限流器而言，不需要控制即可自動實現(xiàn)限流，但限流效果不佳；對于改進的限流器，限流器檢測到電流超過限值，立刻進入限流態(tài)，限制了短路電流，限流效果優(yōu)于傳統(tǒng)限流器。由此可知，改進的SICFCL在體積、重量和損耗減半的情況下具有比傳統(tǒng)SICFCL更好的限流能力。

圖15 短路故障發(fā)生前后電流仿真波形Fig.15 Simulated waveforms of current before and after short-circuit fault

5 結束語

本文針對當前電網短路故障形勢嚴峻的情況，在多種限流措施當中選擇具有諸多優(yōu)點的SICFCL作為研究重點，針對傳統(tǒng)SICFCL存在的缺點，提出對結構和工作原理的改進：基于傳統(tǒng)SICFCL，在直流超導繞組一側增加1個高速直流滅磁開關和1個磁能釋放回路，同時去除1個“口”字形鐵心；在發(fā)生短路故障時，高速直流滅磁開關的斷開使直流繞組中的能量迅速在磁能釋放回路中消耗，限流器迅速進入限流態(tài)。改進后的SICFCL增大了限流器限流阻抗與穩(wěn)態(tài)阻抗的比值，提升了限流器的限流能力，同時減小了SICFCL的體積、重量和損耗。利用ANSYS有限元仿真軟件進行限流器的建模和仿真，驗證了改進SICFCL的正確性和可行性，對SICFCL的實際生產和應用提供了新的思路。