感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的研究.pdf

1、高溫超導體有著廣闊的應用前景，感應屏蔽型高溫超導電流故障限制器可能是最先獲得應用的項目之一。它由外側(cè)的初級銅繞組、中間的高溫超導圓筒和內(nèi)側(cè)的鐵芯同心配置而成，被冷卻至液氮溫度，并作為一種非線性元件串聯(lián)在電網(wǎng)里。在額定工作狀態(tài)下，限流器的阻抗很小，對電網(wǎng)的影響很??；在故障狀態(tài)下，限流器的阻抗將會突然增加，將故障電流限制在允許值之下。感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的應用，能顯著提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性、改善電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)的建設成本和改

2、造費用并提高電網(wǎng)的輸送容量。 根據(jù)感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的工作原理，本文提出了感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的一整套設計方法。在限流器的設計過程中，提出了限流器的適用電網(wǎng)額定功率與限流器中超導圓筒性能參數(shù)的關系：感應屏蔽型超導限流器的適用電網(wǎng)額定功率隨著限流器的限流倍數(shù)、超導圓筒的臨界電流密度、磁通流動狀態(tài)的電阻率、超導圓筒的半徑、高度和厚度等參數(shù)的增加而增加。該關系式可以指導設計者首先對限流器的核心部件—超導圓筒進

3、行合理的設計，然后根據(jù)電網(wǎng)的額定運行狀態(tài)和限流要求，設計限流器的初級繞組和鐵芯，使限流器的性能滿足用戶的需求。 本文通過建立的故障電流限制器測試裝置，對研制出的感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器模型機的各項性能進行了測試。故障電流限制器模型的靜態(tài)測試實驗表明，在限流器的額定運行狀態(tài)下，限流器的阻抗很低；在故障狀態(tài)下，限流器的阻抗增加了近一個數(shù)量級；由限流器的靜態(tài)測試實驗還得到了限流器的開關電流Isw，給出了限流器正常運行時的額定電

4、流In范圍，即In應當小于Isw。限流器模型機的動態(tài)測試實驗表明，故障電流限制器模型機能夠在回路發(fā)生故障時將短路電流限制在額定電流的5～10倍左右。在故障發(fā)生的初期，超導圓筒處于磁通流動狀態(tài)，隨著故障時間的延長，超導圓筒的溫度和電阻率上升，限流器的阻抗不斷增加。研究表明，感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的恢復時間是升溫后的超導圓筒的溫度恢復到額定狀態(tài)時所需要的時間，處于液氮冷池之中的限流器恢復時間大約為3秒左右。在超導圓筒電磁特性測量的

5、實驗中，利用Rogowski線圈和霍爾傳感器對超導圓筒的臨界電磁性能進行測試，得到了超導圓筒的臨界電流，并用線性磁擴散理論解釋了超導圓筒中心軸向磁場的相位隨外加交變磁場的幅值變化而變化的現(xiàn)象。超導圓筒的熱學測試結(jié)果表明，處于液氮冷池之中的有銀皮包套的超導圓筒在電流加載階段沒有明顯的溫升，而沒有銀皮包套的超導圓筒則有明顯的溫升現(xiàn)象。 加載電流撤去后，超導圓筒的溫度恢復大約需要4秒鐘，與限流器模型機動態(tài)測試實驗中限流器的恢復時間相近

6、似。 為了降低感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器的重量，首次將閉環(huán)鐵芯和開環(huán)鐵芯限流器模型的限流效果進行了比較。結(jié)果表明：對于N=150匝的1＃開環(huán)鐵芯限流器模型，故障電流的首個周波峰值為35A，限流倍數(shù)為5.8倍；而對于N=150匝的2＃閉環(huán)鐵芯故障電流限制器模型，故障電流的首個周波峰值為30A，限流倍數(shù)為5倍。2＃閉合鐵芯故障電流限制器的第一峰值的阻抗也比1＃開環(huán)鐵芯故障電流限制器的要大，分別為1Ω和0.86Ω，閉合鐵芯故障電

7、流限制器對故障電流的限制能力比開環(huán)鐵芯故障電流限制器稍強。由于在閉合鐵芯故障電流限制器中使用了閉合的鐵芯，整個限流器的重量將是開環(huán)鐵芯故障電流限制器的3倍，限流器的體積也增加了很多，這不僅提高了整個限流器的低溫冷卻要求和冷卻運行費用，而且增加了限流器的安裝難度。在相同的條件下，閉環(huán)鐵芯限流器和開環(huán)鐵芯限流器的限流效果相近，所以，在滿足電網(wǎng)限流要求的基礎之上，感應屏蔽型故障電流限制器采用開環(huán)鐵芯將會獲得更優(yōu)的經(jīng)濟性能。 通過建立鐵

8、芯材料的數(shù)學模型和感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器故障期間在電網(wǎng)中的電壓方程，采用Matlab等工具軟件對閉環(huán)鐵芯的限流器進行了仿真計算，計算的結(jié)果與限流器動態(tài)測試的結(jié)果符合很好。計算結(jié)果明確指出，限流期間故障電流峰值的不斷下降是由于超導圓筒的電阻率的升高而引起的，而電阻率的升高源于超導圓筒內(nèi)部焦耳熱的產(chǎn)生和超導圓筒溫度的提高。 本文利用有限元分析的方法，使用ANSYS分析軟件，分析了感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器在故障期間的

9、熱學和電磁學特性，分析結(jié)果與實驗測試結(jié)果相近。使用有限元分析的方法，還可以模擬出感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器在故障期間的限流過程，為全面地研究感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器提供了一個新的分析手段。分析結(jié)果也表明，感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器故障后的恢復時間就是超導圓筒的溫度恢復到額定工作狀態(tài)時所需的時間。 從提高故障狀態(tài)下限流器阻抗的角度出發(fā)，本文分析了開環(huán)鐵芯限流器模型機的初級銅繞組和鐵芯的幾何尺寸對限流器性能的影響

10、。分析結(jié)果表明：在不明顯改變中心磁場強度的情況下，初級銅繞組形狀小范圍內(nèi)的變化主要是改變了導線的展開長度，從而影響了限流器的額定阻抗和故障阻抗。當開環(huán)鐵芯的長度很小時，限流器模型的阻抗很小，隨著鐵芯長度的增加，限流器模型的阻抗很快增加；但當開環(huán)鐵芯的長度超過0.2m后，繼續(xù)增加開環(huán)鐵芯的長度，限流器模型的阻抗沒有明顯的增加，故障電流基本穩(wěn)定，減小幅度很小。對于開環(huán)鐵芯感應屏蔽型高溫超導故障電流限制器，在滿足限流效果的基礎之上，可以通過選