（高电压与绝缘技术专业论文）经济型故障限流器研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着我国电网规模的迅速扩张，电力负荷的迅速增长以及大容量机组的不 断投入运行，短路电流水平也日益增高。如何限制短路电流已成为当前电力系 统发展中的重要技术课题，故障限流器( f c l ，f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ) 也因此成 为国内外的研究热点。 本文介绍了各种不同类型的故障限流器，从技术上的可能性与经济性等各 方面考虑，超导型和电力电子型故障限流器在近期内尚难以在电网中付诸实用 基于常规电气设备或元件的非超导、非电力电子的经济型故障限流器，无疑是 解决故障限流问题的首选技术本文提出了一种基于z n o 避雷器的串联谐振型 限流拓扑结构，并研制了l o k v 等级实验室样机，通过模拟实验验证了其有效 性，为研制l l o k v 以上等级f c l 提供了参考依据 f c l 与电网的交互影响的研究是f c l 实现工程应用的前提条件，既包括 f c l 与系统整体性能的交互影响，也包括f c l 与电网中各种关键电气设备之间 的交互影响。本文深入研究了z n o 避雷器式f c l 对断路器开断特性的影响， 通过理论分析与推导，给出了描述断路器瞬态恢复电压上升率与限流比、杂散 电容以及近区故障距离之间关系的严格数学表达式。基于这些理论公式，研究 了各主要参数对瞬态恢复电压上升率的具体影响，并与文献中的有关仿真结果 进行了比较，验证了分析方法的有效性。本文的研究结果，为z n o 避雷器式 f c l 的参数优化和高压断路器开断特性的选型，提供了分析基础和理论依据。 本文还通过仿真分析了z n o 避雷器式f c l 对配电网电能质量的影响。在 配电网中安装f c l ，不仅能限制故障电流水平，还可有效抑制电压跌落与高次 谐波传递，显著提高电能质量。 关键词：z n o 避雷器，故障限流器，短路实验，断路器，电能质量 i i l 山东大学硕士学位论文 a l o n gw i t ht h es c a l eo f0 1 1 1 n a t i o n a le l - t r i cp o w e rn e te x p a n d i n gr a p i d l y , t h e e l e e t r i ep o w e rl o a d sr i s i n gs w i f t l y 锄db i gc a p a b i l i t yu n i t sg o i n gi n t of u n c t i o n , t l a e s h o r tc i r c u i tl e v e li si n c r e a s i n gd a ya f t e rd a y h o wt ol i m i tt h es h o r tc i r c u i tc u r r e n t b e c a m e 缸i m p o r t a n tt e e l m i e a lt a s ko ft h ed e v e l o p m e n ti ne l e c t r i cp o w e rn e t t h e r e f o r ef a u l tc m a 伽tl i m i t e r ( f c l ) b e c a m et h em o s tp o p u l a rr e s e a r c hs u b j e c t v a r i o u so f f c la 托p r e s e n ti nt h i sa r t i c l e c o n s i d e r i n gt h ef e a s i b i l i t ya n d e c o n o m y , s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( s f c l ) a n df l e x i b l es h o r tc u r r e n tl i m i t e r ( f s c l ) 勰d i t i i e u l tt oa p p l yi ne l e c t r i cp o w e rn e ti nt h en e 甜f u t u r e f e o n o m i e a l f c lb a s e d0 1 1g e n e r a le l e c t r i c e q u i p m e n t sw h i e l a 黜u n - s u p e r e o n d u e t i n go r t m - e l e e l r o n i ei 8u n d o u b t e d l yt h eb e s tc h o i c et os o l v et h eq u e s t i o n so fl i m i t i n gf a u l t c u r r e n t a no p t i m i z e dc o n f i g u r a t i o na b o u tt h es e r i e sl - e s o n a n tf c lb a s e d0 1 3z n o a r r e c t e ri sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e a l s o ，t h el o k v v o l t a g es a m p l e i nl a b o r a t o r y h a s b e e n d e v e l o p e d d e p e n d i n g 0 1 1 s i m u l a n t n m n i n ge x p e r i m e n t , t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ch a sb e e nc h e c k e da n dt h ef e a s i b i l i t yh a sb e e nv a l i d a t e d t h e s ea 坞t h e b a s e so fl l o k va n d h i g h e rv o l t a g er a n kf c l t oi n v e s t i g a t et h om u t u a li n f l u e n c e 8b e t w e e nf c la n dp o w e rn e ti st h e p r e c o n d i t i o no ff c lw h i c hw i l la c h i e v ep r o j e c ta p p f i e a t i o n , i n c l u d i n gt h em u t u a l i n f l u e n c eb e t w e e nf c la n dt h ew h o l es y s t e mi n v o l v i n gv a r i o u sp i v o t a le l e c t r i c e q u i p m e n t s t h i sa r t i c l et h o r o u g h l y8 i m u l a t e dt h ei n f l u e n c eo fz n oa l t e s t c rb a s e d f c l0 1 , 1c i r c u i tb r e a k e l s t r i c tm a t h e m a t i c a lf o r m u l a sw 骶p r e s e n t e d , b a s e do n t l a e o r e t i e a la n a l y s i sa n dd e d u e t i o l l , t op r o p e r l yd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr a t e o f r i s eo f r e c o v e r yv o l t a g e 偎删o f c i r c u i tb r e a k e r sa n dc t t r r c n tl i m i tf a c t o r , s t r a y c a p a c i t a n c ea sw e l l 鹪s h o r t - l i n ef a u l td i s t a n c e a c c o r d i n gt ot h e s ef o r m u l a s , d e t a i l e d c o m p u t a t i o n sw c l r ec a r r i e do u tt of u l l ya c c o u n tf o rt h ee o n e r c t oi m p a c t so nr r r v f r o me v e r yp r i n c i p a lp a r a m e t e r , a n dw e r ec o r r e l a t e dw i t ht h ee o n e l u s i o md r a w nb y s i m u l a t i o n si np r e v i o u sp u b f i e a t i o ma v a i l a b l e ，w h i c hv e r i f i e de f f e c t i v e l yo ft h e p r o p o s e da r l a l y z i n gm e t h o d o l o g y t h er e s e a r c hr e s u l t sp r e s e n ta n a l y t i c a lb a s i sa n d t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no fz n oa t t e s t e rb a s e df c la n d v 山东大学硕士学位论文 r e l i a b l es e l e c t i o no f t h eb r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c so f h vc i r c u i tb n k e 玛 t h i sa r t i c l ea l s os i m u l a t e dt h ei n f l u e n c eo fz n oa t t e s t e rb a s e df c lo np o w e r q u a l i t y i n s t a l l e di nt h ed i s l r i b u t i o nn e t w o r k , f c lc a l ln o to n l yl i m i tf a u l tc u r r e n t l e v e l ，b u ta l s or e s t r a i nv o l t a g es a g sa n dh o l db a c kh a r m o n i c sp a s s i n gt h ec i r c u i t , t h e r e b yc a nc l e a r l yi m p r o v ep o w e rq u a l i t y k e yw o r d s ：z n oa n e s t e r , f a u l tc u r r e n tl i m i t e r ；, a b o r tc i c u i te x p e r i m e n t ；c i r c u i t b r e a k e r ；, p o w e rq u a l i t y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 日期：掣 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：翟三兰壶导师签名 山东大学硕士学位论文 第一章引言 i i 故障限流技术研究的意义 随着我国电力系统负荷的迅速增长以及大容量机组的不断投入运行，短路电 流水平也日益增高。以广东地区电网发展规划的概算为例 1 , 2 1 对于5 2 5 k v 等级， 2 0 1 0 年最大短路电流达6 8 k a ，三相短路电流超过5 9 9 k a 的变电站达1 7 个，超过 4 7 5 k a 的变电站达9 4 个；2 0 1 5 年最大短路电流将达8 1 k a 。对于2 3 0 k v 等级，2 0 1 0 年最大三相短路电流达8 7 k a ，超过5 9 9 k a 的变电站达4 0 处；2 0 1 5 年最大短路电 流达1 0 5 k a ，三相短路电流超过5 9 9 k a 的变电站达6 8 处，超过4 7 5 k a 的变电站达 1 4 2 处。又如，计算表明三峡水电站可能的最大短路电流周期分量将会达到 3 0 0 k a 。这就要求电网内各种输变电设备，诸如高压断路器、变压器、互感器以 及变电站的母线、构架、导线、支撑绝缘子和接地网等，必须满足短路电流水平 提高所带来的更加苛刻的要求 特别是近几年来，我国电网的规模迅速扩张，导致目前电力系统各电压等级 电网中的短路电流( 短路容量) 不断增长。超高压电网的规模与容量逐渐扩大， 我国5 0 0 千伏交流电压等级已有2 5 年发展历史，2 0 0 4 年的电网规模已达到1 9 8 2 年 的6 倍以上；地区电网网际互联日趋紧密，全国六大电网( 东北，华北，西北， 华东，华中，南方) 已经进入实质性的电能互补阶段，有效促进了能源的优化配 置，增强了国家对电力的宏观调控能力；同时，中压电网变压器容量增大，小容 量电源也不断并入大电网，如众多新建电厂正不断接入1 1 0 k v 和2 2 0 k v 电网【3 】。 上述技术措施虽然有效提高了电网的输电能力，满足了人们日益增长的电力需 求，但也导致了短路容量的快速增长。 短路故障对电力系统的正常运行以及电气设备本身具有很大的危害性 4 1 发 生短路时，由于电源供电回路阻抗减小以及突然短路时的暂态过程，使得短路电 流可能超过额定电流许多倍。短路点距发电机的电气距离愈近( 即阻抗愈小) ， 短路电流愈大。 ( 1 ) 短路电流的动、热稳定效应可能会损坏电气设备。短路电流通过电气 设备中的导体时，其强烈热效应会引起导体或其绝缘的损坏另一方面，导体也 会受到很大的电动力冲击，致使导体变形，甚至损坏 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 短路故障还会引起电网中电压降低，特别是靠近短路点处的电压显著 下降，结果可能使部分用户的供电受到影响。电网电压降低可导致用电设备不能 正常工作，例如对于异步电动机，其电磁转矩与外施电压的平方成正比，电压下 降时电磁转矩将显著降低，使电动机转速减慢甚至完全停转 ( 3 ) 系统发生短路相当于改变了电网结构，必然引起系统中功率分布的变 化，则发电机的输出功率也相应发生变化。无论在哪一点发生短路，发电机输出 的有功功率都将下降，但发电机的输入功率由原动机或进水量决定，不可能立即 变化，这样，发电机输入和输出功率的不平衡必然引起转速变化，从而可能导致 并列运行的发电机失去同步，破坏系统稳定，甚至造成大面积停电 ( 4 ) 不对称接地短路引起的不平衡电流将产生严重的不平衡磁通，在邻近 通信线路内形成相当大的感应电动势，造成对通信系统的干扰，甚至危及通信设 备及人身安全。 为避免短路故障的严重后果，保证电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性、 必须采取行之有效的措施限制短路电流；否则，新建变电站的设备投资和现有变 电站的设备改造将付出巨额代价。目前，世界上大多数国家都采取一定措施对各 级电网的短路水平予以适当限制。 综上所述，随着我国电网的迅速发展，一些发达地区超高压( 2 2 0 k v 与5 0 0 k v ) 电网的短路电流水平日增，短路电流过大( 如达到8 蝴以上) ，不但使电网无 高压断路器可以选用，也造成热效应、电动力效应过大，影响电网的安全、可靠 和稳定运行。因此，限制短路电流已成为现代电网发展中一个不可回避的重大技 术和经济问题。 1 2 故障限流的基本措施 限制电力系统短路电流的一般措旌【3 棚，可从调整电网结构、改交系统运行 方式和加装限流设备等三方面予以考虑，具体方法包括： ( 1 ) 提升电网电压等级，下一级电网分层、分区运行将下一级网络分成 若干区，以辐射状接入更高一级电网，大容量电厂也直接接入更高一级电网中， 这样，原电压等级电网的短路电流将随之降低。例如，在发展5 0 0k v 电网的基础 上，h i 2 2 0 k v 电网实施分层、分区运行，是限制短路电流最直接有效的方法。 2 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 采用合理的电源接入方式当主网的短路电流达到一定水平后，不宜 再强调大机组一定接入最高一级电网，电厂并网点的选择应充分考虑对系统短路 电流水平的影响，并留有一定发展空间：大电厂之间应尽可能避免直接联络，大 力推广发电厂以单机、单变、单线方式接入系统，且根据系统实际情况分别连接 到不同的变电站，这在国外电力系统中已是成熟经验 ( 3 ) 变电站内采用母线分段运行方式。打开母线分段开关，使母线分列运 行，可以增大系统阻抗，从而有效降低短路电流水平该措施实施方便，但将削 弱系统的电气联系，降低系统安全裕度和运行灵活性，也可能引起母线负荷分配 不均衡。 ( 4 ) 加装变压器中性点小电抗。中性点小电抗对于减轻三相短路电流无效， 但对于限制不对称短路电流的零序分量具有明显效果。在变压器中性点加装小电 抗，施工便利且投资较小，故在单相短路电流过大而三相短路电流相对较小的场 合应用很有效不过，中性点小电抗仅对降低2 2 似v 电网局部区域单相短路电流 的作用较大。 ( 5 ) 采用高阻抗变压器和发电机。采用高阻抗发电机会增大正常情况下发 电机自身的相角差，对系统静态稳定不利；再者，漏磁增加，故障初期的过渡阻 抗增大，因转动惯量减小将进一步使系统动态稳定性下降。采用高阻抗变压器也 同样存在类似问题。因此，是否采用高阻抗变压器和发电机，需要综合考虑系统 的短路电流水平和稳定问题。 ( 6 ) 采用串联电抗器。加装串联电抗器可有效限制短路电流，但会造成正 常情况下的无功消耗，必须另加无功补偿设备。利用可控硅技术，可实现正常运 行时串联电抗器的零阻抗，但目前受单个半导体器件的容量所限，必须采用串并 联方案，有关技术和经济可行性问题尚待进一步研究。 ( 7 ) 采用直流背靠背技术。交流系统的短路电流含有无功分量，而直流系 统只输送有功功率。通过直流系统将已有的交流系统适当分片，即在同一地点装 设整流、逆变装置而不需架设直流输电线路，可以很好地限制短路电流水平。不 过，此方法的缺陷是换流装置的费用较高。 ( 8 ) 提高断路器的遮断容量。选择开断电流水平高的断路器，也不失为一 种解决办法，但开关设备造价昂贵，同时需要对相关输变电设备进行改造，总投 山东大学硕士学位论文 资较大。 ( 9 ) 装设故障电流限制器( f c l ) 。故障限流器作为一种有效的技术措施， 能够限制电网的短路容量，从而极大地减轻断路器等各种高压电气设备的动、热 稳定负担，提高其动作可靠性和使用寿命，保证电网的安全与稳定运行另一方 面，由于限制了短路容量，有可能显著降低对电网中各种电气设备( 如变压器、 断路器、互感器等) 以及电网结构的设计容量要求，大大节省投资。 总之，采用提升电网电压等级、下一级电网分层分区运行、改变电源接入方 式、母线分段运行、变压器中性点加装小电抗、高阻抗变压器和发电机、串联电 抗器、直流背靠背技术、提高断路器的遮断容量等常用技术措施，尽管可在某种 程度上解决电网短路电流的抑制问题，但无一例外地将对电网运行的灵活性与经 济性带来不同程度的负面影响；而研究性能优良、经济合理的新型故障限流器是 大势所趋，对我国电网建设具有重要的现实意义和应用价值。 山东大学硕士学位论文 第二章故障电流限制器技术的研究及应用现状 故障限流器( f ( 兄) 最早出现于2 0 世纪7 0 年代的研究文献中，作为限制 短路电流的有效方式，f c l 以其优异的技术和经济特性一直是国内外的研究热 点。在电力系统的适当位置安装一定结构形式的f c l 具有以下多种优点【3 l ： 1 ) 可解决因电网短路电流过大致使无断路器可选的问题； 2 ) 节省因短路电流增大引起的设备更换、改造和基建投资费用； 3 ) 解决某些联网、成环上的难点问题，提高供电可靠性； 4 ) 降低输电线路和串联型输变电设备的电动力与短时发热负担，提高电气 设备的运行可靠性； 5 ) 提高电网的暂态稳定性； 6 ) 对电网中安装的串联型超导电力设备，可避免因短路电流过大引起的失 超现象，降低超导设备的研制难度及造价； 7 ) 减小短路电流对通信线路的干扰，降低跨步电压； 8 ) f c l 工程造价明显低于直流背靠背系统。 2 1 故障限流器的种类 从近几十年的发展历程来看，研制的f c l 虽然结构形式不同，且种类繁多 【1 0 。2 1 ，但其最基本的工作原理相类似：在电网正常运行时表现为零阻抗或微小阻 抗，功耗接近于零，最大不超过输送功率的0 2 5 ；在电网发生短路故障时，迅 速呈现高阻抗以限制故障电流。对各种f c l 的共性要求包括：动作速度快，反应 时间小于2 0m s 甚至更小( 几个m s ) ；具有故障时自动触发功能，可将短路电流 限制到预期值的一半以下；故障切除后，具有快速自动复位功能，可在几秒之内 实现多次动作，以配合线路的重合闸操作；工作可靠性应高于同时运行的断路器 等设备。 由于实现限流的方式千差万别，故障限流技术属于多学科交叉研究领域，故 对其进行准确的分类十分困难，这里仅给出大致的分类方法。 从限流阻抗类型或作用方式可将f c 玢为阻抗型和非阻抗型。其中阻抗型又 可分为电阻型、电感型和整流型；非阻抗型可分为爆破型( a b b 公司的i s 1 i m i t e r 、 山东大学硕士学位论文 美国g & w 公司的c l i p 、法国f e r r a z 公司的p y r o - b r e a k e r 、西安铭金科技公司) 和自愈合熔丝型( r e h e a l i n gf u s e ) 等。 从限流材料与设备类型可将f c l 分为特殊材料型和常规材料型。特殊材料型 以超导型为主，美国阿贡实验室、日本东京电力和日新公司以及中科院电工所从 事该项研究较多；此外还有p t c ( p o s i f i v e t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ) 聚合材料型， 瑞典a b b 研究协会在这方面取得了较大进展。常规材料型可分为电力电子型、常 规设备型和混合型，或者也可分为串联谐振型、并联谐振型、整流型和电弧电流 转移型等 2 2 故障限流器研究的发展概况 近十年来，国内外的高等院校、科研单位以及高科技公司在f c l 的研制方面 投入了大量的人力和物力，取得了令人瞩目的成果，其中超导型、电力电子型和 基于常规设备的经济型故障限流器，成为人们关注和研究的热点。 2 2 1 超导型故障限流器 超导故障电流限流器( s u p e r c o n d u c t i n gf a u l tc u r r e n tl i m i t v r ，s f c l ) 早在1 9 1 0 年即被提出，到2 0 世纪8 0 年代已有不少基础研究和实际开发方面的报道【l o - 4 3 1 。 1 9 9 2 年，日本东芝公司和东京电力公司联合攻关，采用低温超导材料眦1 ，a l n i 和液氮低温冷却装置( 临界温度7 7 k ) 研制成功三相6 6 k v 1 5 k a 的s f c l ，经试 验表明该装置可将5 5 k a 的预期短路电流限制到1 8 k a ，该试品已接近实用规模 1 1 0 ，并已开始试运行。 1 9 8 6 年以来，临界温度达8 7 - 1 3 5 k 的若干陶瓷系列高温超导材料的问世，将 使超导电力设备的研制、运行与维护费用大幅度下降。从事该项技术研究的国家 遍及东西欧、北美、澳洲和东亚各国，研究单位并不局限于大学，也包括许多国 际著名的电气公司如a b b 、西门子、施耐德、东芝、g e c 、a l s t h o m 和c i s e 等。 国外一些重要的电力公司和研究所，如加拿大的q u e b e c 、日本的几大电力公司和 中央电力研究所等均积极参与了该项科研工作。我国超导电力设备的研究工作已 开展多年，具备了一定的研究基础中国科学院电工研究所、北京大学、华中理 工大学、清华大学、有色金属研究院和核物理研究院等单位都开展了超导型f c l 山东大学硕士学位论文 的研究工作我国首台高温超导限流器已于2 0 0 5 年8 月在湖南省娄底电业局高溪 变电站顺利通过短路试验，挂网试运行已近一年，其主要技术性能指标均已达到 国际先进水平，成为继瑞士、德国和美国之后全球第四台并入1 0 k v 电网试运行 的高温超导限流装置【u 】，极大地推进了高温超导技术在电力工业中的实用化研究 进程。 s f c 蜊用超导材料在超导态s 和正常态n 之间的转变特性及一些辅助部件， 在线路中产生一个适当的阻抗来实现故障限流。限流器具有自动复位功能，且可 在高电位下运行。正常运行时，线路传输电流在临界电流以下，s f c l 表现为零 阻抗或极小阻抗，几乎无损耗地通过额定电流；故障时，由于短路电流大于临界 电流，超导体迅速失超而呈现非线性高电阻，在几毫秒内作出反应，可把短路电 流限制在线路额定电流的2 倍左右 目前已研究过的s f c l 可分为电阻型1 1 。1 4 1 、变压器型【1 5 埘、混合型 1 1 - 1 2 、磁 屏蔽型【1 8 - 2 3 、无感电抗器型 2 ( - 2 7 1 、饱和铁心电抗器型 2 8 - 3 2 、三相电抗器型 1 1 。1 2 1 和桥路型 3 3 - 4 0 等八种。根据s f c l 对系统阻抗的影响，可将其分为电阻型和电感 型，电阻型主要增加系统阻抗的电阻分量，电感型主要增加系统阻抗的电抗分量。 根据限流期间s f c l 的超导线圈是否失超，又可将其分为失超型和非失超型下 面分别对它们的结构和原理作一介绍。 1 、电阻型 电阻型s f c l 是利用交流超导体从超导态向常态( 高阻) 的快速转变原理来 限制电力系统的故障电流。图2 1 为电阻型s f c l 结构图，它主要含有一个由低交 流损耗的极细丝超导电缆绕制而成的无感线圈，称为触发线圈；同时，为降低触 发线圈状态转变时产生的过电压，通常还要并联一个限制线圈或限制电阻。限制 线圈可以是常规的，也可以是失超电流比触发线圈高得多的超导线圈。 徽 0 0 0 0 鎏三三三 扭笾立屿 图2 1 电阻型s f c l 的结构原理 7 山东大学硕士学位论文 正常运行时，触发线圈处于超导态，由其交流损耗和漏感决定的阻抗很小， 线路电流全部通过触发线圈；发生故障时，短路电流很快超过触发线圈的临界电 流，触发线圈瞬间变为常态而呈现高阻，电流被转移到限制线圈或限制电阻中去， 从而抑制了故障电流。 电阻型s f c i 具有结构简单、响应速度快、电流过载系数低和正常运行压降 低等优点，低压等级样品在国外已接近实用化。但是，超导线圈在正常运行期间 流过线路全电流，需要由低交流损耗的大电流超导电缆绕制，而目前这种超导电 缆( 尤其4 _ 5 k a 以上) 在制造中尚存在难以解决的机械和传热等关键技术问题。 鉴于此，国外研制的电阻型s f c l 的额定电流尚未超过2 k a ，而且，这种s f c l 的 超导恢复时间长，难以配合快速重合闸操作。具备快速重合闸功能的电阻型s f c l 必须采用两套独立的超导线圈，结构复杂，造价昂贵。 2 、变压器型 变压器型s f c l 包括副边超导绕组短路的变压器型( d as c ) 和四绕组变压 器型二种。 d a s c 的概念是由法国学者于1 9 8 6 年提出的，其限流拓扑由通过线路电流的 原边常规绕组、短路的副边超导绕组和铁芯组成正常运行期间，变压器因副边 短路表现为低阻抗；故障发生时，变压器副边绕组因感应电流很快超过其临界值 而出现失超，使变压器阻抗增大，从而限制故障电流。 四绕组变压器型s f c l 实际上是一超导变压器，其原、副边皆由相并联的主 绕组和辅助绕组构成。原、副边主绕组问的间隙很小( 漏感很小) ，而辅助绕组 问的间隙很大( 漏感很大) ，主绕组的临界电流比辅助绕组低得多。正常运行时， 绝大部分电流在感抗小的原、副边主绕组中流动；发生故障时，原、副边主绕组 因电流过大而失超，强迫电流转移到辅助绕组中去，从而达到限流的作用。 d as c 型限流器的超导线圈不需电流引线，结构简化，降低了低温损耗；当 超导线圈整体失超时，限流装置没有过电压。四绕组变压器型s f c l 兼具变压器 和限流器功能，提高了变压器效率，总损耗仅为相同铁重的传统变压器的三分之 一不过，这两种s f c l 除需要大电流交流超导电缆外，还需要非金属杜瓦，目 前仍处于初期研究阶段 山东大学硕士学位论文 3 、混合型 混合型s f c l 的概念由法国学者于1 9 9 2 年提出。该种限流器由具有可变耦合 磁路的常规变压器和无感绕制的超导线圈组成，其原理结构见图2 - 2 。图2 ( a ) 中的 变压器原、副边绕组彼此反绕，副边绕组和超导线圈串联后与原边绕组并联；图 2 中的变压器副边绕组被超导线圈短路。混合型s f c l 的变压器副边绕组匝数远 多于原边，从而减小了通过超导线圈的电流 正常运行期间，由于原、副边绕组磁场相互抵消或副边绕组被超导线圈短路， 限流装置的阻抗非常小。故障时副边绕组电流迅速增大，超导线圈失超，s f c l 表现为高阻抗而限制故障电流。这时，变压器原边电压降很大，磁路便自动饱和， 原、副边绕组的耦合急剧减小，降低了副边电压和电流，从而减小了失超的超导 线圈的热损耗，缩短其恢复时间。 ( ) 图4 1 4m o a 两端的电压实测波形 图4 - 1 5 流过避雷器m o a 的电流仿真波形 ，卜；! l ： ： j li ( 纵坐标1 0 a ，格；横坐标5 0 m 潞) 图4 _ 1 6 流过避雷器m o a 的电流实测波形 图4 - 1 7 和图4 1 s 所示为线路总电流的仿真与实测波形。可清楚地看到， 由于避雷器的动作使线路电流得到有效的抑制。在第一个半波前，避雷器还没 来得及动作，电流峰值可达到6 0 a ；而第一个半波过后，避雷器发生动作使得 线路电流迅速下降到约1 0 a 。也就是说，加入这种故障限流器后可有效地限制 大电流的出现 图4 - 1 7 线路总电流仿真波形 山东大学硕士学位论文 4 1 3 小结 二 ? f 蛳姗 一 n ：?i 二二。j ( 纵坐标1 0 a 格横坐标5 0 m 始) 图4 - 1 8 线路总电流实测波形 针对z n o 避雷器式故障限流器的低压物理模拟实验和仿真结果表明，只要 选择参考电压合适的避雷器，就可以根据需要设计出相应的故障限流器，使故 障电流得到有效抑制。这些实验结果既验证了限流拓扑的有效性，也为研制更 高电压等级的实验样机提供了技术依据。 4 21 0 k v 等级故障限流器样机研制与模拟运行实验 经过前期的研究，z n o 避雷器式故障限流器具有巨大的经济效益和优异限 流效果，为了检验该种故障限流器应用于电力系统的可行性和运行的可靠性， 进行模拟运行实验是非常有必要的 4 2 1 样机设计 根据线路限流要求，首先确定电抗器的参数，然后根据f c l 中电抗器与电 容器在工频下谐振的原则确定电容器的参数，进而确定避雷器及并联间隙的参 数。样机中采用的电容器型号为m w f 5 1 9 0 的，其额定电容值为1 9 0 1 x f ，额定 电压为5 k v ，由于单个电容器耐受的最大电压达不到实验的要求，因此采用了 四并四串的方案，从而获得了符合要求的耐受电压，实物如图4 - 1 9 ( a ) 所示。f c l 中采用的电抗器的型号是c k d g - 4 0 1 0 ，额定电感值为5 0 m h ，额定容量为 4 0 k v a r ，额定电压为1 0 k v ，实物如图4 1 9 ( b ) 所示单个避雷器的参考电压为 3 l 【v ，残压为5 k v ，最大吸能为5 k j ，为提高避雷器的最大吸能，避免实验时避 雷器损坏，实验中采用的是2 0 个避雷器并联的方式，实物如图4 - 1 9 ( c ) 所示， 4 0 山东大学硕士学位论文 如图4 - 2 0 所示为避雷器的静态伏安特性曲线，图4 2 1 所示为避雷器工频电压 耐受时间特性曲线。并联间隙采用的是三电极式可控放电间隙，实物如 4 - 1 9 ( d ) 所示。 毫 莹 i 图4 - 1 9 设备实物图 图4 - 2 0m o a 静态伏安特性曲线 、 图4 2 im o a 工频电压耐受时间特性曲线 4 1 山东大学硕士学位论文 放电间隙原理如图4 - 2 2 所示，包括充电和放电过程。充电过程：交流2 2 0 v 经过整流桥b r i d g f 变成直流电压后给电容c 5 充电。这时r l 和r 3 为充电电阻， 防止充电电流太大。放电过程：充电完毕后，当二极管b t l 5 1 收到5 v 的触发 信号v j 后导通，使电容c 5 经放电电阻r 3 放电。其中d 卜c 4 和r 5 为抗干扰电 路。p 为一高压包，也就是脉冲变压器，它可以将r 3 上的电压升压到约两万伏 送到间隙的触发针上 4 2 2 模拟运行实验 图4 - 2 2 可控问隙原理图 模拟运行实验的目的为了验证安装f c l 对线路正常启动与运行是否有影 响，为研制更高电压等级的样机奠定基础。 如图4 - 2 3 所示为1 0 k v 故障限流器模拟运行实验电路。如图所示，三和c 在工频下串联谐振，正常运行时对线路没有影响；线路发生短路故障时，电流 迅速增大，m o a 两端的电压也随之升高，当m o a 两端电压超过参考电压时， 避雷器动作，将c 短路，从而利用三对线路进行限流；当m o a 两端电压达到 触发间隙的动作电压时，触发间隙将动作短路m o a ，从而避免m o a 吸能过多 而损坏。 图4 - 2 31 0 k v 故障限流器模拟运行实验电路 山东大学硕士学位论文 其他设备参数如表4 - 1 所示： 表4 1 实验设备表 设备名称型号及参数 变压器t 产品型号：8 9 一f - 6 3 0 6 ：额定容量：6 3 0 k v a 额定电压：4 0 0 ( 6 3 0 0 + 5 ) ；额定频率：5 0 h z ；短路阻抗：4 5 开关k 产品型号：d w l 5 1 6 0 0 万能式断路器；额定电流：1 6 0 0 a 额定工作电压：3 8 0 v ( a c ) ，5 0 h z ：瞬时通断能力：4 0 k a 内反馈串级调速三相异步电机及其起动柜；型号：n t j r l 4 8 - 4 ；额 ( 揣) 定功率：4 4 0 k w ；额定电压：6 k v ；额定转速：1 4 8 4 r m i 血；额定电 流：8 6 a ；额定频率：5 0 i - i z ：功率因数：0 9 自放电电阻：共计2 0 个，阻值5 0 k 【蚧，功率2 w 卟- ；放电棒；两 电容器8 1 警其监测 个，其中一个必须带电阻：静电灯：一个，显示电容器放电情况； 设备 高压试电笔：支，确认放电结束 测量设备 a l ：电流互感器配5 欧姆电阻( 1 m v 1 a ) ：a 2 、a 3 ：电流传感器 ( 1 m v 1 a ) ；v i ：差分探头( 1 1 0 0 ) 图形输出设备 s c o p e l ：t d s 2 0 2 4 ( 含g p m 卡) ； ( 如图4 - 2 4 ( b ) ) s c o p e 2 ：t d s 2 0 1 4 ( 含u s b 存储功能) ；p c ：笔记本电脑 测量保护设备隔离变压器：2 2 0 2 2 0 电容器餮电压v 泄 示波器t d s 2 0 1 4 ( 含u 存储功能) 及高压差分探头 线路电流测量设备a电流互感器，m 、电流传感器、示波器t d s 2 0 2 4 ( 舍g p i b 卡) 隔离开关c b 图4 - 2 4 设备实物图 山东大学硕士学位论文 图4 - 2 5 实验现场 如图4 2 5 所示为实验现场，模拟运行实验按照如下步骤进行： ( 1 ) 实验准备：确保保护柜开关k 和隔离开关c b 断开，按照电路图连接实验 设备，选择合适的示波器量程并且设置为自动记录状态，放电棒必须良好 接地。 ( 2 ) 检查三相异步电机控制柜的运行逻辑，确保异步电机起动过程操作正确。 ( 3 ) 闭合保护柜开关k ，起动电机，开始实验，测量设备自动记录实验数据及 波形。 ( 4 ) 打开开关k ，闭合隔离开关c b ，使用放电棒给电容器c 充分放电，直到 静电灯熄灭。 ( 5 ) 实验结束，使用高压试电笔检测确认安全后，提取数据及波形 4 2 3 结果分析 下面通过异步电动机起动实验和异步电动机稳态运行实验来验证z n o 避雷 器式f c l 可以达到避开电动机起动电流的目的，并同仿真结果相比较，看实验 结果与仿真结果是否一致 1 、异步电动机起动 图4 - 2 6 和图睨7 所示为异步电动机起动时a 相电流实测和仿真波形图， 实测波形和仿真波形基本一致，系统安装故障限流器后成功地躲开了异步电动 机的起动电流。图4 - 2 6 ( b ) 和图4 - 2 7 ( b ) 所示为异步电动机起动初始瞬间的起动电 流变化情况，起动电流很快达到1 0 0 a 以下，故障限流器对于异步电机的正常 起动电流没有影响。 山东大学硕士学位论文 _山址 一一- 。j 。j ； 啊 l 胃1, 日l l m 。删旷”7 ( 纵坐标5 0 a t 格；横坐标5 0 0 m 始) ( a ) f i j 滞帅af，f f l 、：| “ 11li l 矿矿。v ! | ( rvvvv ： ( 纵坐标5 0 j 潞；横坐标2 5 m s , 骼) c b ) 图4 - 2 6a 相起动电流实测波形 图4 - 2 7a 相起动电流仿真波形 线路b 相没有安装故障限流器，其起动电流不受故障限流器的影响，实验 过程中b 相起动电流的变化规律如图4 - 2 8 所示，图4 - 2 9 为仿真波形。可以看 出，实验与仿真结果基本一致。比较图4 - 2 6 ( a ) 和图4 _ 2 8 所示a 相与b 相实测 电流波形可以看出，线路安装限流器与否对于起动电流的变化没有影响。 幽“ _ 1 1 ll l h 狮胛 1 1 1 胛“”p 1 _ ( 纵坐标5 0 a 格横坐标5 0 0 m s 幡) 图4 - 2 8b 相起动电流实测波形 山东大学硕士学位论文 圈4 - 2 9b 相起动电流仿真波形 图禾3 0 ( a ) 所示为异步电动机起动电容器两端电压实测图，图4 - 3 0 c o ) 为初始 瞬问电容嚣两端电压实测图。由图可知，故障限流器中电容器两端电压除了开 始瞬间由于线路负荷的非线性变化导致的谐振而产生畸变外，变化基本正常。 c a ) ( 纵坐标5 0 0 v 格；横坐标5 0 嘶s ，格)( b ) ( 纵坐标5 0 0 v 格；横坐标2 5 r 蚺) 圈4 - 3 0 异步电动机起动电容器两端电压实测波形 2 、异步电动机稳态运行 圈”l 所示为异步电动机稳态运行时a 相和b 相电流实测波形，可以看 出，在异步电动机稳态运行的时候，电流以5 0 h z 周期性变化，加与不加f c l 相的电流波形基本一致。因此，故障限流器对于异步电动机的稳态运行没有影 响 ，叹，、，、， ca)a相电流(b)b相电流 ( 纵坐标5 0 a 格：横坐标2 5 m s ， 各- ) 图4 3 1 异步电动机稳态运行电流实测图 山东大学硕士学位论文 图4 - 3 2 所示为异步电动机稳态运行时电容器两端电压实测图。稳态运行时， 故障限流器中电容两端电压以5 0 h z 周期性变化，波形变化正常，电压峰值约 为4 4 0 v ，系统正常运行。 4 2 a 小结 雠蝴删a ( 纵坐标5 0 0 v 格；横坐标2 5 m s 格) 圈4 - 3 2 异步电动机稳态运行电容器两端电压实测图 在异步电动机起动过程中，起动电流虽然略有畸变，但其变化基本符合要 求，能够正常起动在异步电动机稳态运行的过程中，各相电流基本没有畸变， 电动机正常运行。实验结果表明故障限流器的安装不会影响系统的正常运行， 同时验证了研制更高等级的实验样机的可行性。 由于没有合适容量的电力变压器和实验场地，还未进行短路实验，但准备 工作已经开展，待完全具备实验条件之后即可进行。 山东大学硕士学位论文 第五章安装f c l 对断路器开断特性的影响研究 高压断路器作为电力系统中最重要的控制和保护设备，开断短路故障是其 最基本也是最困难的任务6 3 州。高压断路器在开断故障电路时总伴有电弧出现， 而触头断口间的瞬态恢复电压上升率( r 硒w ) 愈大，则电弧愈难熄灭( 发生 重燃) ，其工作条件也愈严酷。当断路器的额定电压一定时，断口的瞬态恢复电 压