面向高壓電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)型故障限流器的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、隨著我國電網(wǎng)負(fù)荷密度的增大和總體容量的增長，短路電流超過斷路器遮斷水平已成為亟待解決的問題。研究性能優(yōu)良，經(jīng)濟(jì)性好的新型故障電流限制器(Fault Current Limiter)對(duì)我國電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。而基于常規(guī)電氣設(shè)備的串聯(lián)諧振經(jīng)濟(jì)型故障限流器，不僅可把短路電流限制到較低水平，而且具有運(yùn)行可靠性高、無需外加控制而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能好等明顯優(yōu)點(diǎn)，可望在高壓電網(wǎng)中獲得推廣應(yīng)用。
　　 為推進(jìn)基于常規(guī)電氣設(shè)備的非

2、超導(dǎo)、非電力電子的經(jīng)濟(jì)型故障限流器的工程應(yīng)用，本文對(duì)其在高壓電網(wǎng)應(yīng)用時(shí)面臨的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題開展系統(tǒng)的研究。研究內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面:基于金屬氧化物限壓器(Metal Oxide Varistor)和快速開關(guān)的串聯(lián)諧振型故障限流器的研究，涉及到新型故障限流器的動(dòng)態(tài)限流特性分析、實(shí)用拓?fù)涓倪M(jìn)和組件參數(shù)優(yōu)化等;故障限流器對(duì)斷路器瞬態(tài)恢復(fù)電壓特性的影響與分析;大容量金屬氧化物限壓器MOV通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析，涉及到MOV的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的

3、優(yōu)化和溫度特性分析等;金屬氧化物限壓器流場(chǎng)與溫度場(chǎng)直接耦合數(shù)值計(jì)算研究;基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的高壓快速開關(guān)的仿真分析與研究，涉及到電磁斥力機(jī)構(gòu)的有限元仿真分析和快速開關(guān)的測(cè)試試驗(yàn);以及故障限流器工程應(yīng)用計(jì)算和參數(shù)設(shè)計(jì)等。
　　 在綜合分析現(xiàn)有各種串聯(lián)諧振型故障限流器拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出一種基于MOV和快速開關(guān)的新型故障限流拓?fù)?，通過計(jì)算比較加裝FCL前后短路故障電流的大小，表明該故障限流器拓?fù)湎蘖餍Ч@著。以裝設(shè)于10kV系統(tǒng)為例，通

4、過電磁暫態(tài)分析程序仿真分析了其動(dòng)態(tài)限流特性，并對(duì)各種影響故障限流器性能的因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了故障限流器的實(shí)用拓?fù)涓倪M(jìn)和組件參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，為10kV經(jīng)濟(jì)型故障限流器的工程應(yīng)用和掛網(wǎng)運(yùn)行提供理論依據(jù)。
　　 對(duì)基于MOV和快速開關(guān)的新型故障限流器進(jìn)行拓?fù)浣M合，提出了一種復(fù)合型故障限流器，建立其等效分析模型。針對(duì)復(fù)合型故障限流器的不同運(yùn)行模式、不同的安裝位置，給出了斷路器恢復(fù)電壓上升率與限流模式下的限流比、串補(bǔ)模式下

5、的串補(bǔ)度以及近區(qū)故障距離之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。系統(tǒng)研究了運(yùn)行模式、安裝位置以及故障類型等因素對(duì)斷路器恢復(fù)電壓上升率的影響。研究結(jié)果為復(fù)合型故障限流器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和斷路器開斷特性的選型，提供了分析基礎(chǔ)和理論依據(jù)。
　　 大容量金屬氧化物限壓器(MOV)作為故障限流器的關(guān)鍵組件，在系統(tǒng)短路故障時(shí)吸收短路能量而導(dǎo)致本體溫度瞬間升高，MOV的運(yùn)行可靠性依賴于其通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)的散熱能力，因此，合理優(yōu)化MOV通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)具有重要的工程實(shí)際意義。

6、在前期大容量MOV結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和大量實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，提出兩種通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理并應(yīng)用有限體積法，對(duì)初設(shè)方案以及兩種優(yōu)化方案的MOV流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算分析。結(jié)果表明，相對(duì)于初設(shè)方案，方案一及方案二的經(jīng)過優(yōu)化的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)能使流體帶走更多的MOV內(nèi)產(chǎn)生的熱量，其最熱點(diǎn)溫度分別下降了約35℃和約40℃，MOV芯柱的散熱效果有了顯著的提高。方案二在方案一的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了徑向冷卻通風(fēng)孔，其散熱效果明顯改善。在此

7、基礎(chǔ)上，對(duì)確定的優(yōu)化結(jié)構(gòu)作了進(jìn)一步的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明了所提出的MOV優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可行性以及所采用的溫度場(chǎng)計(jì)算方法的可靠性。
　　 在上述提出的金屬氧化物限壓器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二的基礎(chǔ)上，利用有限體積法，建立了用于MOV本體冷卻結(jié)構(gòu)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)直接耦合計(jì)算的三維模型，并建立簡化的驗(yàn)證模型，得到了較為準(zhǔn)確的MOV流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，解決了由于散熱系數(shù)等耦合參量不能準(zhǔn)確確定而導(dǎo)致的計(jì)算結(jié)果不精確的問題，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。在此基礎(chǔ)

8、上，對(duì)影響MOV溫度特性的主要因素進(jìn)行了研究，分別就軸向通風(fēng)道入口風(fēng)速、徑向冷卻通道半徑、散熱金屬導(dǎo)電環(huán)材料以及導(dǎo)電環(huán)厚度對(duì)MOV溫度特性的影響進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果表明，在t＜300s時(shí)段內(nèi)，影響MOV冷卻的首要因素是金屬導(dǎo)電環(huán)的傳導(dǎo)散熱，加大入口風(fēng)速對(duì)影響MOV的散熱效果并不明顯，增大冷卻通道半徑，反而消弱導(dǎo)電環(huán)的傳導(dǎo)散熱。在MOV芯柱高度和重量約束條件滿足的前提下加大導(dǎo)電環(huán)的厚度和選用熱導(dǎo)率大的金屬材質(zhì)，可以得到更好的散熱效果;

9、在t＞300s時(shí)段后，MOV冷卻結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用的是對(duì)流換熱，加大入口風(fēng)速和增大冷卻通道半徑，可明顯增強(qiáng)MOV的冷卻效果。進(jìn)而得出了一般性的MOV設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則，為MOV本體冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　 高壓快速開關(guān)是決定經(jīng)濟(jì)型故障限流器的限流性能和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一，其快速分、合閘時(shí)間等性能參數(shù)直接影響到整個(gè)故障限流器的限流效果和運(yùn)行安全。本文建立了用于電磁斥力機(jī)構(gòu)瞬態(tài)分析的二維有限元模型和耦合電路模型，通過對(duì)改變電磁

10、斥力機(jī)構(gòu)參數(shù)得到的不同仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得到了線圈匝數(shù)、銅盤厚度及半徑、電容的容量和電壓等參數(shù)對(duì)電磁斥力影響的規(guī)律，得出了針對(duì)電磁斥力機(jī)構(gòu)一般性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。研制了基于電磁斥力機(jī)構(gòu)的10kV高壓快速開關(guān)樣機(jī)，實(shí)測(cè)表明其分閘時(shí)間為4.8ms，合閘時(shí)間為16.2ms，滿足經(jīng)濟(jì)型故障限流器對(duì)快速開關(guān)的分、合閘速度要求。
　　 論文最后結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，開展了經(jīng)濟(jì)型故障限流器工程應(yīng)用計(jì)算和參數(shù)設(shè)計(jì)研究，給出了具體的設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行了參數(shù)