李俊松

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭 515041）

柔性直流技術(shù)利用的IGBT 元件可關(guān)斷特性，對(duì)有功和無功功率進(jìn)行獨(dú)立控制，并執(zhí)行四象限變流器的運(yùn)動(dòng)。它在弱電、孤島供電、分布式電力和可再生電網(wǎng)接入、異步交流電網(wǎng)絡(luò)和城市供電等領(lǐng)域得到了廣泛地研究和應(yīng)用。此外，換流器產(chǎn)生的諧波水平非常小，因此不需要特殊的濾波器配置，在城市、島嶼和海上平臺(tái)方面具有巨大優(yōu)勢。目前，多電平大型直流輸電系統(tǒng)正朝著高壓、大容量和多端系統(tǒng)方向發(fā)展。

超導(dǎo)限流器基于超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，利用軟磁材料磁導(dǎo)率的非線性變化規(guī)律，它在正常系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)出超導(dǎo)特性，在系統(tǒng)無法限制短路電流時(shí)表現(xiàn)出高強(qiáng)度特性。超導(dǎo)直流限制器具有限流性能好、響應(yīng)速度快、可靠性高等獨(dú)特而優(yōu)越的性能，在柔性直流系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。由于我國電網(wǎng)規(guī)模的增大，電網(wǎng)級(jí)聯(lián)程度加深，我國擁有世界上最復(fù)雜的交直流電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此我國的高壓直流輸電亟需得到快速發(fā)展，也為超導(dǎo)直流限流器等一次設(shè)備的示范運(yùn)行提供了基礎(chǔ)。

目前，南方電網(wǎng)研制了160 kV 超導(dǎo)直流限流器樣機(jī)并應(yīng)用于南澳柔性直流輸電示范工程。作為首臺(tái)160 kV 超導(dǎo)直流限流器，建成后為了讓更多人認(rèn)識(shí)此項(xiàng)新技術(shù)，有必要設(shè)計(jì)一種簡單易懂、有趣味性的展示方法和裝置。

傳統(tǒng)的展覽只是讓觀眾用眼睛看，難以給觀眾留下深刻的印象，利用市場上成熟的VR 技術(shù)，通過聲音和體感可以讓觀眾沉浸在被展示的信息中，是一種較好的方法。

1 超導(dǎo)直流限流器互動(dòng)展示方法

超導(dǎo)直流限流器互動(dòng)展示方法分為S1、S2、S3和S4四個(gè)步驟。

1.1 建立直流超導(dǎo)限流器3D模型

步驟S1為建立具有動(dòng)畫效果的直流超導(dǎo)限流器3D 模型，對(duì)限流器關(guān)鍵部件限流單元、低溫容器、出線單元和制冷系統(tǒng)分項(xiàng)建模，模型緩存在儲(chǔ)存裝置中。

限流單元由液氮包裹放置于低溫容器，以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)裝置的正常運(yùn)行，為了實(shí)現(xiàn)低溫容器的展示效果，將低溫容器模型設(shè)置為開口或半透明形式。在限流單元處于限流狀態(tài)時(shí)，液氮由于短路大電流的熱效應(yīng)蒸發(fā)為氣態(tài)，之后氣態(tài)的氮被導(dǎo)入到制冷系統(tǒng)，利用制冷機(jī)和水冷系統(tǒng)重新液化進(jìn)入低溫容器。工作中液氮會(huì)逐漸蒸發(fā)為氣體，之后被導(dǎo)入到制冷系統(tǒng)中的換熱器，并在制冷機(jī)和水冷機(jī)組的作用下，重新液化充入低溫容器再次利用。

1.2 通過顯示屏或VR設(shè)備觀看模型

步驟S2為參觀訪問人員通過顯示屏或者頭戴式VR 設(shè)備觀看模型，系統(tǒng)識(shí)別參觀訪問人員的屏幕觸摸動(dòng)作或VR 設(shè)備的體感動(dòng)作實(shí)現(xiàn)觀察視角和對(duì)象的選擇。

對(duì)于被觀察對(duì)象，可以通過觸摸顯示屏和控制手柄點(diǎn)擊“放大”“縮小”按鈕或者在觸摸顯示屏兩指滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)縮放大小，在觸摸顯示屏上通過單指滑動(dòng)可以旋轉(zhuǎn)觀察對(duì)象的視角，如果參觀訪問人員使用頭戴顯示器，顯示器內(nèi)部的陀螺儀可以感知參觀訪問人員轉(zhuǎn)動(dòng)頭部的動(dòng)作，觀察對(duì)象在屏幕中旋轉(zhuǎn)同樣的角度。

參觀訪問人員通過頭戴式顯示器觀察時(shí)，將觀察對(duì)象固定于現(xiàn)實(shí)空間的某一位置，參觀訪問人員站立于某一起始位置，戴式顯示器內(nèi)置的陀螺儀和加速度感應(yīng)器感知參觀訪問人員的位置和角度作為輸入量，算法可以根據(jù)幾何關(guān)系將輸入量轉(zhuǎn)換為顯示輸出的觀察對(duì)象的大小和角度變化。

1.3 解說觀察對(duì)象

步驟S3為解說觀察對(duì)象情況，參觀訪問人員選定某一觀察對(duì)象后，停留時(shí)間超過5s，則自動(dòng)顯示解說文本，如果參觀訪問人員使用VR 設(shè)備，則自動(dòng)通過耳機(jī)播放語音解說。參觀訪問人員可以聽到柔性直流輸電技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景：靈活高效的直流技術(shù)尤其是柔性直流技術(shù)，被認(rèn)為是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的一次重要革命。直流電網(wǎng)將以直流形式互聯(lián)組成電能傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)新能源的平滑接入、有功和無功功率的獨(dú)立控制、全局功率的調(diào)節(jié)互濟(jì)等；直流電網(wǎng)在抵御故障方面面臨重大挑戰(zhàn)：直流系統(tǒng)故障阻尼小，發(fā)生故障時(shí)短路電流會(huì)在幾毫秒內(nèi)達(dá)到額定電流的數(shù)十倍的過流水平；直流保護(hù)和斷路器的動(dòng)作速度無法適應(yīng)直流系統(tǒng)故障隔離需求；超導(dǎo)故障限流器的研究價(jià)值和研究進(jìn)展，超導(dǎo)限流器分為電阻型超導(dǎo)限流器和電感型超導(dǎo)限流器；南澳超導(dǎo)限流器的亮點(diǎn)，這臺(tái)歷時(shí)三年研制的超導(dǎo)直流限流器實(shí)現(xiàn)了100%自主研發(fā)，形成了包括“高性能雙面封裝帶材”“高耐壓跨溫區(qū)高壓套管”等在內(nèi)的多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)亮點(diǎn)，申請(qǐng)了超過60個(gè)發(fā)明專利，搶占了超導(dǎo)電力裝備制造和應(yīng)用的全球制高點(diǎn)。

1.4 模擬故障發(fā)生

步驟S4為模擬短路故障發(fā)生情況，在參觀訪問人員完成步驟S1～S3后，在屏幕顯示“模擬故障發(fā)生按鈕”，提示參觀訪問人員通過觸摸或者體感動(dòng)作點(diǎn)擊該按鈕后，展示直流系統(tǒng)發(fā)生故障后限流器工作的動(dòng)態(tài)過程。發(fā)生短路故障后，液氮迅速液化放熱，超導(dǎo)線材失去超導(dǎo)態(tài)，等效電阻上升以限制短路電流上升速度和峰值。參觀訪問人員可以觀看到此時(shí)的短路電流峰值更小，上升速度更緩慢。

參觀訪問人員可以通過屏幕點(diǎn)擊和控制手柄點(diǎn)擊來控制模擬故障的發(fā)生，并可以選擇不同檔位的故障電流大小，故障電流低于超導(dǎo)體臨界值時(shí)超導(dǎo)體不會(huì)進(jìn)入非超導(dǎo)態(tài)，大于臨界值則進(jìn)入非超導(dǎo)態(tài)，3D 模型將對(duì)不同的故障電流大小呈現(xiàn)不同的動(dòng)畫效果，并通過限流單元的顏色來展示其超導(dǎo)態(tài)與非超導(dǎo)態(tài)，其中綠色表示超導(dǎo)態(tài)，用紅色表示非超導(dǎo)態(tài)；步驟S1所述限流單元有2個(gè)，參觀訪問人員可以切換其連接狀態(tài)為并聯(lián)或串聯(lián)，動(dòng)畫將會(huì)展示不同的工作狀態(tài)。

由于在實(shí)際中限流器的工作過程在100 ns 內(nèi)，肉眼來不及觀察，因此展示的是慢放的過程，用10 s 的時(shí)間來展示100 ns 的過程，參觀訪問人員“模擬故障發(fā)生按鈕”后顯示時(shí)間進(jìn)度，既能讓參觀訪問人員細(xì)致觀察整個(gè)過程，又可以體會(huì)過程的迅速。

2 超導(dǎo)直流限流器3D模型

圖1為限流器3D 模型的示意圖，主要包括超導(dǎo)限流單元、低溫容器、制冷系統(tǒng)、出線單元等部件。低溫容器為一圓柱體殼狀結(jié)構(gòu)，限流單元置于低溫容器內(nèi)部并浸沒在液氮中，通過將低溫容器模型設(shè)置開口或設(shè)置為半透明以展示內(nèi)部的限流單元。工作中液氮會(huì)逐漸蒸發(fā)為氣體，之后被導(dǎo)入到制冷系統(tǒng)中換熱器，并在制冷機(jī)和水冷機(jī)組的作用下，重新液化充入低溫容器，液氮的循環(huán)過程在展示中使用箭頭表示方向，顏色表示狀態(tài)，紅色為氣態(tài)，綠色為液態(tài)。

圖1 超導(dǎo)直流限流器3D模型

超導(dǎo)直流限流器在正常態(tài)的等效電阻極小，需要利用高溫超導(dǎo)材料在臨界溫度下的超導(dǎo)特性實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在常用釔鋇銅氧（YBCO）和鉍鍶鈣銅氧（BSCCO）作為超導(dǎo)帶材應(yīng)用于各種電壓等級(jí)場合，這兩種材料可以在價(jià)格較低的液氮環(huán)境中使用，提升了直流限流器的經(jīng)濟(jì)性。因此，制冷系統(tǒng)對(duì)超導(dǎo)直流限流器非常關(guān)鍵，制冷設(shè)備既能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)限流器正常態(tài)的零電阻，又能解決超導(dǎo)限流器通態(tài)損耗大的問題。

低溫容器為一圓柱體密封容器罐。限流單元為超導(dǎo)材料繞制的線圈，放置于所述的低溫容器內(nèi)部，通過將低溫容器模型設(shè)置開口或設(shè)置為半透明以展示內(nèi)部的限流單元。制冷系統(tǒng)包括換熱器、制冷機(jī)和水冷機(jī)組，通過顏色來展示冷熱交換過程，較冷一端為藍(lán)色，較熱一端為橙色。出線單元為固定于低溫容器外殼，與低溫容器內(nèi)部的限流單元連接的柱狀體。

3 超導(dǎo)直流限流器展示裝置

文章提出一套互動(dòng)展示裝置，由路由器、終端電腦、觸摸顯示器和VR 設(shè)備組成，VR 設(shè)備包含頭戴顯示器和控制手柄，如圖2所示。

圖2 超導(dǎo)直流限流器展示裝置

終端電腦由處理器、存儲(chǔ)器、顯示屏幕等硬件組成，包含存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)器中且被配置為由所述處理器執(zhí)行的計(jì)算機(jī)軟件，設(shè)計(jì)軟件能執(zhí)行如上述任一項(xiàng)所述的互動(dòng)展示方法。

存儲(chǔ)器主要包括程序存儲(chǔ)區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。其中，程序存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)操作系統(tǒng)、至少一個(gè)功能所需的應(yīng)用程序等，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)等。存儲(chǔ)器可以是高速隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，還可以是非易失性存儲(chǔ)器，如機(jī)械硬盤和固態(tài)硬盤等非易失性存儲(chǔ)器件。

上述終端電腦完成對(duì)3D 模型的圖形計(jì)算并通過有線連接輸出到觸摸顯示器。終端電腦通過網(wǎng)線連接到路由器，路由器支持無線局域網(wǎng)功能，頭戴式顯示器和控制手柄接入無線局域網(wǎng)后，終端電腦可以將畫面通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)筋^戴顯示器，也可以接收控制手柄的控制信號(hào)。

4 結(jié)論

提出的超導(dǎo)直流限流器的3D 模型包括限流器的限流單元、低溫容器、出線單元、制冷系統(tǒng)。互動(dòng)展示系統(tǒng)帶有講解功能，在參觀者選定觀察目標(biāo)后可以通過文字和語音加以介紹。超導(dǎo)直流限流器的互動(dòng)展示系統(tǒng)可以有效且具體地向參觀者展示超導(dǎo)限流器。