超導(dǎo)故障限流器應(yīng)用分析

1、華北電力大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要電力系統(tǒng)容量增加的同時(shí)，電氣連接也變得更加緊密，不斷增大的電網(wǎng)短路電流，將可能超過斷路器的額定開斷容量，使得斷路器不能正常動(dòng)作。傳統(tǒng)限制短路電流的方法是加裝限流電抗器，但這將給正常運(yùn)行的系統(tǒng)帶來電壓降和功率損耗，且限流容量不足的問題也亟待解決。基于這些問題，我們提出了超導(dǎo)故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)這一新型設(shè)備，將其接入電力系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，它處于超導(dǎo)態(tài)，電能損耗小，對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行無影響；一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，SFCL失超，能夠在線路中產(chǎn)生大阻抗，快速有效地限制故障電流，是一種非常理想的限

2、流裝置。本文以電力系統(tǒng)的短路故障為切入點(diǎn)，簡(jiǎn)要闡述了短路故障的成因、形式、危害及保護(hù)，基于此引出研究背景和意義，繼而提出限制短路電流的一種新型有效手段裝設(shè)超導(dǎo)故障限流器（SFCL），詳細(xì)闡明各類SFCL的結(jié)構(gòu)、原理、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用，尤其通過Matlab的Simulink平臺(tái)模擬橋路式SFCL,得出穩(wěn)態(tài)與故障態(tài)波形；并在故障態(tài)的條件下與傳統(tǒng)限流器進(jìn)行仿真比較，分析了橋路式SFCL與傳統(tǒng)限流器在正常與故障情況下線路、超導(dǎo)線圈與二極管流過的電流波形，歸納了經(jīng)典橋路式SFCL的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)工作特性。相信隨著柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)

3、與電力電子技術(shù)相結(jié)合，SFCL在輸配電網(wǎng)的應(yīng)用研究必將成為21世紀(jì)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的前沿課題之一。關(guān)鍵詞：超導(dǎo)故障限流器（SFCL），橋路型，短路電流，建模仿真ABSTRACTAs electric power systems grow and become much more interconnected, the constantly rising fault current levels of power grid may exceed the available circuit breaker interruption ratings which makes the breaker eas

4、ily get fault. Traditionally, to alleviate the cost of replacements of switchgears and buses, large resistors or series reactors have been used to limit the short circuit currents, so that the underrated switchgears can be operated safely. Unfortunately, resistors or reactors can cause power losses

5、and voltage drop under normal operating conditions,as well as its unaffordable capacity,which are eager to be worked out. Based on these problems, we put forward the Superconducting Fault Current Limiter, a new device, the access in the power system, when the system is running normally, it is in the

6、 superconducting state, small power loss, which influence the normal operation of power system tinily; Once the power grid failure, SFCL quenches, in a circuit can produce large impedance, quickly and efficiently to limit fault current, it is a kind of ideal current limiting device.Begin with the sh

7、ort circuit fault,this paper introduces its causes,types,harms,and its protections briefly,the background and significance which based on these.Then proposes a new measure which used to limit the fault current-add Superconducting fault current limiter(SFCL),and illustrates structures ,principles,adv

8、antages and disadvantages as well as the application of different types of SFCL,especially simulates the normal and fault state of the SFCL with a diode bridge by Simulink in the software Matlab.With basic supposes and equivalents, simulink simulated the current waves of load ,superconducting coil a

9、nd diode in SFCL system and traditional limiter system under the same system structure during normal and fault states， concluded the normal and fault characteristics of classic SFCL with a diode bridge. I believe following the Flexible AC Transmissiontechnology, superconducting technology and the co

10、mbination of power electronic technology, the application research of SFCL in distribution power grid will become the 21st century one of the frontier for the development of grid technology.KEY WORDS: SFCL,Bridge, Short Current，SimulationII目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒論31.1研究背景與意義31.2 電力系統(tǒng)故障綜述41.2.1 電力系統(tǒng)故障

11、類型及危害41.2.2 保護(hù)實(shí)現(xiàn)61.3 限制短路電流61.3.1 改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)71.3.2 選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式71.3.3采用高阻抗設(shè)備71.3.4 裝設(shè)電抗器71.3.5 采用其他設(shè)備限制短路電流81.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀81.5 本論文工作概要10第2章 高溫超導(dǎo)故障限流器工作原理122.1超導(dǎo)體的基本電磁特性122.1.1 零電阻效應(yīng)122.1.2 完全抗磁性效應(yīng)（Meissner效應(yīng)）122.2 各類超導(dǎo)故障限流器的工作原理132.2.1電阻型 SFCL132.2.2混合型 SFCL142.2.3變壓器型（感應(yīng)型） SFCL152.2.4磁屏蔽型 SFCL152.2.5橋路型 SFCL

12、162.2.6飽和鐵芯電抗器型SFCL162.2.7 三相電抗器型 SFCL172.3各種超導(dǎo)故障限流器的特點(diǎn)比較17第3章 橋路式SFCL仿真研究193.1 研究背景和意義193.2 橋路型SFCL拓?fù)浼胺抡娣治?93.2.1 拓?fù)浞治觯?93.2.2模型的假設(shè)與等效條件：203.2.3模型的建立：213.2.4穩(wěn)態(tài)仿真：223.2.5 故障態(tài)仿真：233.2.6 波形分析：253.3 限流效果分析253.4 結(jié)論26第4章 結(jié)論與展望284.1 結(jié)論284.2 展望28參考文獻(xiàn)30致 謝31第1章 緒論1.1研究背景與意義經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的不斷發(fā)展，使電力系統(tǒng)通過自身的擴(kuò)容和網(wǎng)際的互聯(lián)逐漸擴(kuò)大規(guī)

13、模：從而輸、配電系統(tǒng)的短路功率和短路電流隨之增大，這將對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定及其安全造成威脅。為提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全性與可靠性，通常考慮從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式和設(shè)備三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。但是，通過改造電網(wǎng)結(jié)構(gòu)限制短路電流水平的費(fèi)用十分昂貴；改變系統(tǒng)運(yùn)行方式，如:斷開電磁環(huán)網(wǎng)、斷開母聯(lián)開關(guān)、兩段母線獨(dú)立運(yùn)行等，能有效地降低短路電流水平，卻在一定程度上犧牲了電網(wǎng)的可靠性；在設(shè)備端口裝設(shè)常規(guī)限流電抗器、高阻變壓器等，則會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)損增加，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且其容量日漸不足的問題亟待解決5。基于此，我們提出超導(dǎo)故障限流器(Superconducting Fault Current Limiter)這一新型設(shè)備，把它接入

14、線路，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，它處于超導(dǎo)態(tài)，損耗小，對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行無影響；一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，SFCL失超，可以瞬間產(chǎn)生大阻抗串入線路，有效地限制故障電流，是一種理想的限流裝置，其：1)能在高壓下運(yùn)行；2)響應(yīng)時(shí)間快、可靠性高，從國(guó)外研制的樣機(jī)測(cè)試和運(yùn)行情況的報(bào)導(dǎo)來看，若發(fā)生短路故障，它能在100微秒內(nèi)起作用，并在3個(gè)周波內(nèi)：將短路電流從額定電流的7倍限制到4倍；而沒有安裝SCFCL時(shí)的短路電流一般都在10倍以上；(3)集檢測(cè)、觸發(fā)和限流于一體；(4)在正常運(yùn)行時(shí)可通過大電流而只呈現(xiàn)很小的阻抗甚至零阻抗，只在短路故障時(shí)呈現(xiàn)大阻抗，因而其限流效果非常明顯。這些優(yōu)點(diǎn)都是利用了超導(dǎo)材料的固有性質(zhì)，無需額外

15、的輔助裝置，而限流程度可通過SFCL的結(jié)構(gòu)參數(shù)來調(diào)整6。20世紀(jì)80年代后期高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展,出現(xiàn)了高溫超導(dǎo)故障限流器(HTSFCLHigh Temperature Superconducting Fault Current Limiter)，使得高溫超導(dǎo)設(shè)備(運(yùn)行在液氮溫區(qū))與低溫超導(dǎo)設(shè)備(運(yùn)行在液氦溫區(qū))比較，大大降低了運(yùn)行成本，同時(shí)，磁熱穩(wěn)定性也得到很大的提高。HTSFCL具有損耗低、能自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)復(fù)位、可多次動(dòng)作等特點(diǎn)，以其自身獨(dú)特的優(yōu)越性成為限流技術(shù)領(lǐng)域中相當(dāng)活躍的組成部分7。目前，HTSFCL已經(jīng)有許多類型，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為電阻型、混合型、變壓器型、磁屏蔽型、橋路型、飽和鐵心

16、型、三相電抗器型等；按照限流方式，可分為電阻型、電感型以及電阻一電感型；此外，根據(jù)是否利用超導(dǎo)體的失超特性限流，又可分為失超型和非失超型。隨著柔性交流輸電(Flexible AC Transmission System)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，使得HTSFCL在輸配電網(wǎng)的應(yīng)用研究成為21世紀(jì)電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的前沿課題之一，因此分析和研究高溫超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)及暫態(tài)運(yùn)行特性具有實(shí)際意義8。1.2 電力系統(tǒng)故障綜述1.2.1 電力系統(tǒng)故障類型及危害電力系統(tǒng)故障類型： 對(duì)稱故障：三相短路 單相短路 兩相短路 兩相接地短路 簡(jiǎn)單故障（單重故障） 不對(duì)稱故障 單相斷線 兩相斷線復(fù)雜故障（多重

17、故障）其中，在電力系統(tǒng)中最常發(fā)生，且發(fā)生后危害及影響最嚴(yán)重的就是短路故障。短路是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況之外的一切相與相或相與地之間的短接，導(dǎo)致短路發(fā)生的原因是絕緣受到破壞。電氣設(shè)備絕緣材料的自然老化、污穢或機(jī)械損傷，雷擊引起過電壓，自然災(zāi)害導(dǎo)致桿塔倒地或斷線，鳥獸跨接導(dǎo)線以及人為誤操作等原因都會(huì)導(dǎo)致絕緣破壞引發(fā)短路故障。電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，各類短路發(fā)生幾率不同，根據(jù)某些系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)資料我們可以做出如下扇形圖：圖1.1.1 電力系統(tǒng)斷路故障類型從圖中我們可以看到最常發(fā)生的是單相接地短路，三相短路發(fā)生概率最小，但其造成的后果危害最嚴(yán)重。電力系統(tǒng)一旦發(fā)生短路故障，常常會(huì)引起很嚴(yán)重的后果，其中主要有

18、：1、電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和電氣設(shè)備受到很大威脅。短路時(shí)，因短路回路的阻抗驟減，根據(jù)暫態(tài)過程的分析，短路電流將驟然增大，可能超過該回路額定電流的許多倍。短路點(diǎn)距電源電氣距離愈近，短路電流愈大。短路電流流過電氣設(shè)備時(shí)，其熱效應(yīng)引起導(dǎo)體或其絕緣的損壞，另一方面，導(dǎo)體會(huì)受到很大電動(dòng)力的沖擊，可能是導(dǎo)體變形，甚至損壞。2、短路引發(fā)電網(wǎng)電壓降低，短路點(diǎn)距電源電氣距離愈近，短路電壓下降的愈嚴(yán)重，這可能使部分用戶供電遭到破壞。3、短路相當(dāng)于改變了電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，必然引起系統(tǒng)功率分布的變化，發(fā)電機(jī)輸出功率也相應(yīng)變化。但發(fā)電機(jī)輸入功率由于是由原動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量或進(jìn)水量決定，故不可能立即發(fā)生相應(yīng)變化，從而造成發(fā)電機(jī)輸入輸出功率

19、不平衡，使轉(zhuǎn)速變化，這可能引起發(fā)電機(jī)失步，破化系統(tǒng)穩(wěn)定，造成大面積停電。4、不對(duì)稱接地短路產(chǎn)生的不平衡磁通，會(huì)在臨近通信線路感生電動(dòng)勢(shì)，造成對(duì)通信系統(tǒng)的干擾，甚至危及設(shè)備和人生安全。1.2.2 保護(hù)實(shí)現(xiàn)如果電力系統(tǒng)出現(xiàn)了短路問題，就要快速的去切斷出現(xiàn)故障的地方，讓其他沒有出現(xiàn)短路問題的地方能夠很好的運(yùn)作，這個(gè)是要依靠電力裝備和斷路器去實(shí)現(xiàn)的。只有讓短路問題造成的損害降到最低點(diǎn)，才會(huì)讓整個(gè)電力體系得到正常的運(yùn)作，那么要經(jīng)歷做到下面的幾點(diǎn)：1、仔細(xì)的對(duì)短路電流做出計(jì)算，依據(jù)算出的結(jié)果去安裝合適的設(shè)備，要求電氣設(shè)備的額定電壓和線路中的額定電壓是相吻合的。2、使用合適的繼電保護(hù)裝備，在出現(xiàn)短路狀況的時(shí)

20、候能夠很好的迅速的弄斷電路中的電流，盡可能的去縮短電路中的電流持續(xù)時(shí)間，最大限度的去減少損失。3、在變電所安裝一些設(shè)施，變壓器的周圍和線路中裝備一些裝備，盡量的去避免一些自然損傷，比方說避雷針等。4、對(duì)所有的安裝線路都要嚴(yán)格的把關(guān)，對(duì)所有的線路都要進(jìn)行定時(shí)的檢查，特別是線路的形狀要按著有關(guān)的規(guī)定。5、電力操作人員在作業(yè)的時(shí)候要注意自己的操作步驟，不能出現(xiàn)一些失誤和錯(cuò)誤。在操作的時(shí)候要對(duì)自己的人身安全做到很好的保護(hù)措施。6、對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的管制，不能隨便讓事物靠近，導(dǎo)致電氣設(shè)備出現(xiàn)損壞。7、對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行定時(shí)的清潔，防止一些導(dǎo)電的顆粒進(jìn)去電氣設(shè)備。8、在有電纜的地方要進(jìn)行標(biāo)注，提醒人們這里有

21、電纜設(shè)備，引起百姓的注意。9、在對(duì)整個(gè)電力體系進(jìn)行維護(hù)的時(shí)候，要不斷的學(xué)習(xí)它的相關(guān)知識(shí)，在操作的時(shí)候要對(duì)自己和他人嚴(yán)格的要求，對(duì)有可能造成電力短路的物件和器材要進(jìn)行處理，操作結(jié)束后要對(duì)地線進(jìn)行去除。在日常的維護(hù)中要仔細(xì)的排查，如果出現(xiàn)問題要迅速的搶修2。1.3 限制短路電流現(xiàn)在我們國(guó)家電力體系中主要是依據(jù)電力網(wǎng)構(gòu)造、系統(tǒng)的運(yùn)作方法還有系統(tǒng)設(shè)備的選取上等等這一些方面去對(duì)短路問題進(jìn)行預(yù)防，基本的措施有下面幾樣：1.3.1 改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、把系統(tǒng)的電壓進(jìn)行升高，在下面的電網(wǎng)采用分層分區(qū)的管理模式：預(yù)防短路現(xiàn)象的最好的辦法就是對(duì)上一級(jí)的電壓電網(wǎng)進(jìn)行提升，這樣做的話不單能夠讓輸出電容量和整個(gè)電力體系得到

22、提升，并且如果上一級(jí)的電網(wǎng)里的電壓上升到一定的高度時(shí)就會(huì)減少下一級(jí)電網(wǎng)中出現(xiàn)短路問題時(shí)線路的電流流量；2、直流輸電：使用直接輸電的方式能夠很好的去對(duì)短路電流進(jìn)行控制，切斷交流問題的傳播，還能對(duì)電網(wǎng)的容量有所提高，這個(gè)辦法是現(xiàn)在控制短路電流的最好的辦法之一3；3、使用單元接線：使用單元接線能夠很好的預(yù)防因?yàn)槟妇€中容量的太過于聚集，出現(xiàn)的損害，使用單元接線能夠很好的讓電廠母線里的電流量減少。1.3.2 選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式1、電網(wǎng)分成分區(qū)操作：通過這樣的方式去管理電流有很多優(yōu)勢(shì)：比方說具有很清楚的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以很好的去進(jìn)行管理和處理問題，在供電上也有了很好的保障等；2、使用分裂運(yùn)行的方法：很多個(gè)母線

23、分裂操作或者是母線分段操作，這樣就讓電流里的阻抗變大了，就能實(shí)現(xiàn)阻礙短路電流的目的。3、對(duì)環(huán)形供電網(wǎng)解列操作：電網(wǎng)的解列一般分成經(jīng)常與事故自發(fā)的解列這兩個(gè)類型，他們兩個(gè)都能很有效的去減少電路中的短路電流4。1.3.3采用高阻抗設(shè)備 可以采用分裂低壓繞組變壓器和高阻抗主變等等設(shè)備。1.3.4 裝設(shè)電抗器 電抗器主要分成下面的四種類型： 分裂電抗器 母線分段電抗器 旁路電抗器 出線電抗器1.3.5 采用其他設(shè)備限制短路電流 主要使用短路故障限流器（FCL），熔斷器微機(jī)保護(hù)和綜合自動(dòng)化裝置等方法去進(jìn)行保護(hù)電路。1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，美國(guó)、德國(guó)、口本、法國(guó)、瑞士、澳大利亞、加拿大和中國(guó)等國(guó)都相繼

24、開展了SFCL的研究工作。超導(dǎo)故障限流器這一概念最早是由美國(guó)人提出的，早在1982年，美國(guó)的洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)超導(dǎo)體公司以及洛克希德·馬丁公司就已經(jīng)開始了橋路型SFCL的研究工作；后來在美國(guó)能源部的支持下成功實(shí)驗(yàn)了一臺(tái)2.4KV/100A的樣機(jī)。在美國(guó)通用原子能公司和IGC公司加入第二階段研究工作后，在1999年研制出了故障電流縮減率達(dá)80%的橋路型高溫超導(dǎo)故障限流器11。在日本，成蹊大學(xué)和中央電力試驗(yàn)研究所于1998年用NbTi研制出了600V/6A的三相電抗器型SFCL，并且進(jìn)行了入網(wǎng)試驗(yàn)。三菱電力公司和東京電力公司合作開發(fā)了利用高溫超導(dǎo)薄膜的500KV/8KA超導(dǎo)故障

25、限流器12。法國(guó)電力公司, GEC Alsthom公司和阿爾卡特·阿爾斯通公司于1992年研制了63KVrms/1.25KArms/5.3KApeak的混合型SFCL13。瑞士ABB公司利用Bi-2212研制成功三相1. 2MW的磁屏蔽型超導(dǎo)故障限流器，并準(zhǔn)備安裝在Lontsch變電站投入試運(yùn)行14。德國(guó)西門子公司和加拿大魁北克電力公司利用YBCO薄膜研制100KVA電阻型SFCL，并準(zhǔn)備進(jìn)一步研制lOMVA電阻型SFCL。997年開始至今，德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心(FZK)的技術(shù)物理所,卡爾斯魯厄大學(xué)電機(jī)系、以色列特拉維夫大學(xué)電機(jī)系及Hoechst AG公司一直在合作開展感應(yīng)型SFC

26、L的研制及試驗(yàn)15。英國(guó)于1982年提出了飽和鐵芯型超導(dǎo)故障限流器構(gòu)想并使用了3KV/556A樣機(jī)。澳大利亞臥龍崗大學(xué)超導(dǎo)和電子材料中心在竇士學(xué)教授的領(lǐng)導(dǎo)下于1997年研制出套銀陶瓷HTC線材，在77K液氮溫度及零外場(chǎng)的條件下，臨界電流密度Jc達(dá)到6. 9KSA/cm 2，利用其制備的HTCSFCL在6. 9KV電網(wǎng)上試驗(yàn)結(jié)果證明其能有效地抑制故障電流17。中國(guó)科學(xué)院電工所于1997年在國(guó)家超導(dǎo)中心支持下，開始研制1KV/100A橋路型SFCL，并于1999年成功進(jìn)行了樣機(jī)的短路試驗(yàn)，短路時(shí)故障電流縮減率40%。2004年底，中國(guó)科學(xué)院電工研究所、中國(guó)科學(xué)院理化所、北京藍(lán)天高科技公司共同研制出

27、10. 5千伏/1. 5千安三相高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了各項(xiàng)并網(wǎng)前的檢驗(yàn)和模擬試驗(yàn)。2005年5月，中國(guó)科學(xué)院電工研究所、湖南省電力試驗(yàn)研究院與婁底電業(yè)局共同合作，在婁底市高溪110千伏變電站進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)地改造、設(shè)備系統(tǒng)安裝、系統(tǒng)集成和并網(wǎng)前測(cè)試工作。8月13日高溫超導(dǎo)限流器樣機(jī)經(jīng)過三次10. 5千伏充壓試驗(yàn)，投入高溪至百畝一線進(jìn)行24小時(shí)空載試驗(yàn)。8月14日，高溫超導(dǎo)限流器開始進(jìn)行三相接地短路試驗(yàn)，并成功將3500安短路電流限制到635安，短路電流縮減率達(dá)到0. 82，隨后進(jìn)入試驗(yàn)運(yùn)行11-19。若高溫超導(dǎo)材料的研究，生產(chǎn)工藝和性能取得新突破，低交流損耗的大電流超導(dǎo)電纜、高電壓高溫超

28、導(dǎo)交流電纜及高溫超導(dǎo)線保護(hù)等問題能解決，那么就高溫超導(dǎo)強(qiáng)電應(yīng)用而言，最先得到實(shí)際應(yīng)用的將是超導(dǎo)故障限流器，因此SFCL在電力系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景，到2010年，我國(guó)對(duì)高溫超導(dǎo)限流器的市場(chǎng)需求已達(dá)到4萬臺(tái)，因此，對(duì)于超導(dǎo)故障限流器的研究有著良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。圖1.4.1 220kV/800A飽和鐵芯高溫超導(dǎo)限流器在國(guó)家電網(wǎng)石各莊變電站良好運(yùn)行將近年來超導(dǎo)限流器（SFCL）的應(yīng)用概況歸納如表1和表2所示：表1 電阻型超導(dǎo)限流器研發(fā)現(xiàn)狀企業(yè)（國(guó)別）限流器類型超導(dǎo)材料容量/MVAABB（瑞士）電阻型Bi-2212 bulk1.6ACCEL（德）電阻型Bi-2212 bulk13.6EA（英

29、）電阻型Bi-2212 bulk0.9Schneide（法）電阻型YBCO bulk0.4Siemens（德）電阻型YBCO film1.2表2 其他類型超導(dǎo)限流器研究現(xiàn)狀研究單位限流器類型開發(fā)現(xiàn)狀A(yù)BB（瑞士）三相磁屏蔽型完成研制法國(guó)電力公司等混合型實(shí)驗(yàn)完畢GA（美）三相橋路型試驗(yàn)運(yùn)行日本東京電力三相電抗器型試驗(yàn)運(yùn)行中國(guó)電科院改進(jìn)橋路型試驗(yàn)運(yùn)行國(guó)家電網(wǎng)飽和鐵芯型試驗(yàn)運(yùn)行1.5 本論文工作概要本論文共三章，逐步闡述了超導(dǎo)故障限流器技術(shù)的理論與應(yīng)用，方便讀者參閱，將各章分別總結(jié)如下：第一章，闡述電力系統(tǒng)最常見故障短路故障，是由設(shè)備絕緣損壞導(dǎo)致的接地現(xiàn)象，分為單相接地、兩相接地、相間短路及三相接地

30、四類，其成因主要有主觀和客觀兩個(gè)方面。裝設(shè)故障限流器是解決短路故障的重要手段，但傳統(tǒng)的限流器其容量日漸不能滿足需求、損耗大、反應(yīng)較慢等問題亟待解決，為此，超導(dǎo)故障限流器（SFCL）就是新興的限流技術(shù)，相比傳統(tǒng)限流器，不僅很好解決了以上問題，甚至逐漸得到了實(shí)際應(yīng)用，對(duì)于SFCL，目前國(guó)內(nèi)外正積極進(jìn)行研究，已取得了一些成果。第二章，闡述為了解SFCL，需要對(duì)超導(dǎo)體最基本的兩大特性進(jìn)行研究，其一是零電阻特性，其二是抗磁效應(yīng)，也即邁斯納效應(yīng)，其中零電阻特性是超導(dǎo)體的必要條件。高溫超導(dǎo)故障限流器（HTSFCL）正是利用了這些特性工作在超導(dǎo)與失超兩種狀態(tài)，具有損耗低、能自動(dòng)觸發(fā)、自動(dòng)復(fù)位、可多次動(dòng)作等特點(diǎn)

31、,對(duì)于HTSFCL，由結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為電阻型、橋路型、磁屏蔽型、變壓器型、飽和鐵心型、三相電抗器型，它們具有不同的結(jié)構(gòu)、工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中，往往根據(jù)需要來選擇。第三章，闡述一種非失超型超導(dǎo)故障限流器橋路式SFCL，這是一種與現(xiàn)代電力電子技術(shù)結(jié)合緊密的限流器，可以預(yù)見其應(yīng)用前景將十分光明。由此，我們通過Matlab的Simulink平臺(tái)對(duì)一種橋式SFCL模型進(jìn)行仿真研究，在若干假設(shè)和等效條件下，通過系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)時(shí)各處電流的仿真，以及在故障態(tài)時(shí)與傳統(tǒng)故障限流器的比較，驗(yàn)證了這種限流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。第2章 高溫超導(dǎo)故障限流器工作原理2.1超導(dǎo)體的基本電磁特性2.1.1 零電阻效

32、應(yīng)圖2.1.1 金屬電阻與溫度關(guān)系曲線 超導(dǎo)體具有零電阻這個(gè)最本質(zhì)的特點(diǎn)。左圖顯示的是金屬電阻和溫度之間的曲線，當(dāng)T>Tc時(shí)，R與T是線性關(guān)系。當(dāng)溫度下降的時(shí)候，就不會(huì)呈現(xiàn)線性關(guān)系了。當(dāng)T=Tc時(shí)，電阻R=0。金屬原子最外層電子十分的不穩(wěn)定，特別容易失去電子，變成穩(wěn)定的正電離子，這些正離子很有規(guī)則的進(jìn)行排序，形成晶格。里面的正離子在不停的做著熱振動(dòng)。自由電子受電場(chǎng)的影響一邊做著熱運(yùn)動(dòng)一邊做著定向運(yùn)動(dòng)，這兩種運(yùn)動(dòng)合在一起就叫定向漂移。當(dāng)這兩種粒子相互碰撞，就會(huì)形成兩種后果：一是自由電子把能量傳遞給正離子，就會(huì)讓正離子的熱振動(dòng)加快；還有一個(gè)就是自由電子改變了原來的運(yùn)動(dòng)方向，就叫做散射。2.1

33、.2 完全抗磁性效應(yīng)（Meissner效應(yīng)）Meissner（邁斯納）和Ochsenfeld（奧奇森菲爾德）發(fā)現(xiàn)，在磁場(chǎng)里的錫進(jìn)行冷卻的時(shí)候變成超導(dǎo)體，他的體內(nèi)是沒有磁場(chǎng)的，這個(gè)現(xiàn)象就叫做完全抗磁性效應(yīng)或Meissner效應(yīng)。Meissner效應(yīng)是超導(dǎo)體最基本的特點(diǎn)。最開始的時(shí)候人們覺得超導(dǎo)體就是導(dǎo)電率趨向于無限大。但是其實(shí)這是不正確的。電學(xué)里的歐姆定律U=IR。對(duì)這個(gè)公式進(jìn)行微積分表達(dá)就是： （2-1）其中，j代表的是電流密度矢量，是電導(dǎo)率，E是電場(chǎng)強(qiáng)度。還有，利用麥克斯韋方程式 （2-2）可以得到，如果把超導(dǎo)當(dāng)作是，那么超導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)B就應(yīng)該符合下面的方程式 （2-3）上面的公式可以看出，

34、超導(dǎo)體內(nèi)的磁場(chǎng)B不受時(shí)間t的影響。用超導(dǎo)體內(nèi)沒有電阻和邁斯納效應(yīng)，我們把超導(dǎo)體劃分為兩個(gè)大類，就是第I類超導(dǎo)體和第II類超導(dǎo)體。我們把同時(shí)具有上面兩種情況的，只有一個(gè)臨街磁場(chǎng)的叫做第I類超導(dǎo)體，如左圖；擁有兩個(gè)臨界磁場(chǎng)的超導(dǎo)體，就叫做第II類超導(dǎo)體，如右圖。圖2.1.3 第II類超導(dǎo)體 圖2.1.2 第I類超導(dǎo)體2.2 各類超導(dǎo)故障限流器的工作原理2.2.1電阻型 SFCL 圖2.2.1 電阻型SFCL原理圖電阻型SFCL的工作原理簡(jiǎn)單的說就是超導(dǎo)體變成失導(dǎo)體的狀態(tài)。圖2.2.1展示的就是把超導(dǎo)體繞成觸發(fā)線圈，在正常的運(yùn)作時(shí)候，線圈是超導(dǎo)狀態(tài)，電流都要通過這個(gè)線圈；一旦出現(xiàn)問題的時(shí)候，短路電流

35、就會(huì)比線圈的最大限制電流大，就會(huì)讓線圈失靈，這樣大部分的電流就會(huì)流入限制線圈和限制電阻里，這就實(shí)現(xiàn)了他的作用。2.2.2混合型 SFCL圖2.2.2 混合型 SFCL原理圖混合型SFCL(圖2.2.2)于1992年被人提出的，它的組成部分是超導(dǎo)線圈與變壓器構(gòu)成的。內(nèi)部的連接方法主要是由(串聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2.2.2（a），并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖2.2.2(b)這兩個(gè)方法進(jìn)行連接的。這種類型的變壓器，他的副邊比原邊進(jìn)行繞組的多很多，這就導(dǎo)致了超導(dǎo)線圈的電流變小。在電路正常工作的時(shí)候，磁路沒有達(dá)到飽和狀態(tài)，原副邊的耦合狀況非常好，(并聯(lián)時(shí)，超導(dǎo)線圈讓副邊繞組出現(xiàn)短路；串聯(lián)時(shí)，原副邊繞組相互反向繞制)，因此整個(gè)系統(tǒng)的阻

36、抗就變小。如果出現(xiàn)問題的時(shí)候，副邊的電流就會(huì)變大，那么超導(dǎo)線圈就會(huì)失效，在串聯(lián)時(shí)，副邊就會(huì)自動(dòng)的加入一個(gè)大電阻，那么很多的電流就會(huì)流入原邊，被原邊的電抗阻礙著；并聯(lián)的時(shí)候，超導(dǎo)線圈突然變成大電阻，那么變壓器的阻抗就會(huì)加大，對(duì)出現(xiàn)問題的電流就會(huì)起到阻礙的作用。這個(gè)時(shí)候，變壓器原邊上的電壓降非常的大，磁路就會(huì)自動(dòng)的出現(xiàn)飽和，原副邊的耦合也會(huì)很快的下降，這樣就使兩邊的電流和電壓的有效值減小，就達(dá)到了很少的時(shí)間里就讓電流和電壓回到最初狀態(tài)的目的。2.2.3變壓器型（感應(yīng)型） SFCL圖2.2.3 變壓器型SFCL原理圖上圖所描繪的機(jī)器是變壓器型超導(dǎo)阻礙控制電流器，其中主要是將改變交流電壓的裝置副邊繞組

37、跟電阻型超導(dǎo)阻礙限制電流器進(jìn)行組合，而同時(shí)改變交流電壓的裝置的原邊繞組非并聯(lián)在輸電線路中。變壓器原、副邊超導(dǎo)繞組在正常操作的過程之中會(huì)相互依賴，彼此作用，從而發(fā)生較低的阻抗；控制阻礙電流成功是因?yàn)樵陔娏鞑煌ㄟ^電器直接接通的情況之下，改變交流電壓裝置非主邊繞組閉合回路在原磁場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)阻礙原磁場(chǎng)磁通量發(fā)生變化的電流相較于超導(dǎo)繞組的臨界電流更大而失去超導(dǎo)性，這時(shí)阻抗就會(huì)瞬間增大，從而使得改變交流電壓的裝置阻抗上升。2.2.4磁屏蔽型 SFCL圖2.2.4 磁屏蔽型SFCL原理圖磁屏蔽型 SFCL的三大組成部分分別就是最外圈的銅線、中層的超導(dǎo)圓柱以及最內(nèi)層的鐵芯同軸，上圖所示的是磁屏蔽型 SFCL

38、正常操作的情況，超導(dǎo)圓柱為零阻礙，外圈的銅線以及零阻礙屏蔽筒間的氣隙漏磁可以用來確定裝置的阻抗，發(fā)生短路情況時(shí)，零阻礙環(huán)的電流值迅速的增加到臨界值，從而產(chǎn)生了較大的電流阻力，使得銅線圈的磁通可以運(yùn)行，帶動(dòng)磁屏蔽型 SFCL裝置的阻抗值增大，最終使得控制故障電流得到成功。2.2.5橋路型 SFCL圖2.2.5 橋路型SFCL原理圖上圖所示的是橋路型 SFCL技術(shù)，首次提出此項(xiàng)技術(shù)的公司為西屋電力企業(yè)以及美國(guó)的LANL。它的操作原理是利用超導(dǎo)素材在直流電下不具有阻載流特征，而不是將超導(dǎo)素材由超導(dǎo)到無超導(dǎo)的轉(zhuǎn)變。它會(huì)屬于失去超導(dǎo)類的超導(dǎo)阻礙限制電流器是因?yàn)椴僮髟砼c上文中的阻礙限制電流器相似。一般尋

39、常情況之下，功率在線圈L無損失的基礎(chǔ)是直流偏流源DC，因?yàn)樵谄浠A(chǔ)之下，流過線圈L的值是非常小的。在非尋常情況之下，故障電流會(huì)被大電感L控制是因?yàn)閕ac的值增加到了I0，與此同時(shí)iac正負(fù)半周內(nèi)的二極管都是非導(dǎo)通的，所以超導(dǎo)線圈就非被動(dòng)的串接到了線路之中。2.2.6飽和鐵芯電抗器型SFCL圖2.2.6 飽和鐵芯型SFCL原理圖上圖所描繪的是飽和電抗器型超導(dǎo)阻礙限制電流器，它是由兩個(gè)鐵芯電抗器組合形成，而且兩個(gè)鐵芯之中分別有一個(gè)非交流的零阻礙繞組以及非直流的控制繞組，而其中直流零阻礙繞組只能與直流偏壓源相組合，而且兩個(gè)不是屬于直流的控制繞組將會(huì)非并聯(lián)在線路之中。一般尋常情況之下，兩個(gè)鐵芯達(dá)到飽和

40、，裝置的阻抗為最低值的狀態(tài)可以通過對(duì)于直流偏壓源的改善來實(shí)現(xiàn)，非尋常情況之下，短路電流使得一個(gè)周期內(nèi)的鐵芯之間交換飽和，使得裝置獲得較大的阻抗，最終使得控制故障電流得到成功解決。2.2.7 三相電抗器型 SFCL圖2.2.7 三相電抗器型SFCL原理圖上圖所示的是三相電抗器型零阻礙阻礙限制流器是由三個(gè)圈數(shù)相同的零阻礙繞組元素組成，尋常情況之下，均衡的三相電流之間的和為0，磁通變化在鐵芯之間不具備，而且裝置具有較低的阻抗；當(dāng)具有單相接地電流不通過電流直接接通情況發(fā)生時(shí)，非均衡的三相電流，會(huì)使得裝置的阻抗瞬間增大，也就為SFCL 的大的零序阻抗控制阻礙電流提供了條件。當(dāng)兩相或三相短路發(fā)生阻礙的情況

41、之下，裝置的阻抗失不會(huì)瞬間變化，當(dāng)故障電流的值與臨界電流的值相等時(shí)，零阻礙繞組會(huì)出現(xiàn)失去超導(dǎo)性的狀況，從而使得大的常態(tài)阻抗可以限制故障電流。2.3各種超導(dǎo)故障限流器的特點(diǎn)比較1、結(jié)構(gòu)容易、反應(yīng)速度迅速、尋常狀況之下壓降比較低以及逐漸指導(dǎo)實(shí)際操作等是電阻型 SFCL的優(yōu)勢(shì)。不容易解決的機(jī)械以及熱問題是發(fā)展大電流交流超導(dǎo)電纜所遇見的難題。所以這也就導(dǎo)致開發(fā)的電阻型 SFCL的限定電流沒有達(dá)到2KArms。2、混合型 SFCL 是使用遠(yuǎn)低于線圈中電流的非直流性超導(dǎo)電纜，它的制作過程方面快捷，而且重量不高，有效的減少低溫狀況下的損耗，而且在故障限制階段磁路充滿使得電壓與電流的有效值出現(xiàn)減少的情況，繼而

42、超導(dǎo)線圈發(fā)熱的程度得到有效降低，這能夠幫助超導(dǎo)態(tài)盡快的復(fù)原。不過一般變壓器的使用讓SFCL 的損耗變得較大而且十分費(fèi)力，而且在故障發(fā)生時(shí)過路電壓隨之較高，故障發(fā)生后磁通量充滿會(huì)導(dǎo)致電流電壓發(fā)生不正常變化。以上兩種 SFCL 的超導(dǎo)使用過后回復(fù)時(shí)間都比較長(zhǎng)，無法適應(yīng)及時(shí)的重合閘。能夠進(jìn)行及時(shí)的重合閘工作的 SFCL 需要使用到兩類超導(dǎo)性線圈。 3、感應(yīng)類的SFCL 超導(dǎo)線圈是不要電流進(jìn)行引導(dǎo)的的，熱量流失很低，這類線圈有著改變電壓和限制電流的雙重作用。不過還是要借助重量較輕的低溫容器以及高電流交流超導(dǎo)電纜。 4、磁屏蔽型類的SFCL 使用超導(dǎo)體數(shù)量一直非常少，由于這類方法帶來的交流損失不大，而且

43、也不用電流引導(dǎo)，能夠利用 G-M 制冷機(jī)進(jìn)行降溫；設(shè)備外面的泄漏磁場(chǎng)不多，不過其質(zhì)量較重,而且故障排除較為困難，需要兩類裝置配合才可以進(jìn)行快速重合閘，而且還要變動(dòng)開關(guān)，限制階段存在瞬時(shí)過電壓。 5、橋路型 SFCL 有著很大的優(yōu)勢(shì)：既可以在半秒的時(shí)間中從故障里恢復(fù)且不用其他系統(tǒng)的幫助，可以用以及時(shí)重合閘；這個(gè)時(shí)候線圈里面的電流為直流，所以不需要面對(duì)高交流型電流超導(dǎo)電纜等問題；因?yàn)榫€圈中沒有金屬類的部件，所以重量較低而且成本不高；在運(yùn)行的過程中，裝置電壓降低時(shí)不會(huì)影響波動(dòng)情況的改變；能夠有效調(diào)整故障電流的縮減程度。不過在日常的運(yùn)行過程中，超導(dǎo)線圈中會(huì)有著高出線路電流有效值的直流，所以此時(shí)的低溫?fù)p

44、耗比較高。而且還要借助于電力二極管橋路和偏壓電源。 6、飽和鐵芯電抗器型 SFCL 的優(yōu)勢(shì)較為明顯：故障限制階段超導(dǎo)線圈沒有失去功能，依舊有著自我起動(dòng)功能，可以用于多次的重合閘工作；超導(dǎo)線圈中的電流為直流，這種電纜生產(chǎn)十分廣泛，能夠利用真空裝置等形式來進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽活動(dòng)；一般情況下在故障階段時(shí)發(fā)生的概念是逐漸進(jìn)行的，經(jīng)過電壓很低。不過，鐵芯與繞組數(shù)量需要依據(jù)雙倍的故障電流電壓大小進(jìn)行組裝，這就導(dǎo)致了其十分費(fèi)力；日常工作中鐵芯中的磁通量是飽和的，會(huì)出現(xiàn)明顯的泄漏磁場(chǎng)；而在故障期間鐵芯由于不斷地出現(xiàn)飽和與恢復(fù)的情況會(huì)導(dǎo)致明顯的電壓波動(dòng)情況。 7、三相電抗器型 SFCL中十分出眾一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是在出現(xiàn)故障

45、過程中，超導(dǎo)繞組仍能正常發(fā)揮作用。由于系統(tǒng)里面超過九成的故障是單相對(duì)性，因此這類 SFCL 具有特點(diǎn)可以處理大部分故障情況。在運(yùn)行時(shí)，三相電流何在一起時(shí)是0，即磁通量沒有出現(xiàn)改變，能夠使用金屬杜瓦。不過這類SFCL還是要借助線路中所有的交流超導(dǎo)電纜；而這類電纜是有著金屬部件的，質(zhì)量很重而且成本高，損失程度也比較高。第3章 橋路式SFCL仿真研究3.1 研究背景和意義超導(dǎo)故障限流器(SFCL)是國(guó)內(nèi)新興交叉學(xué)科超導(dǎo)電力技術(shù)中十分重要的一類研究領(lǐng)域，它是目前電力系統(tǒng)中不可或缺的組件，可以將其分類到靈活交流輸電技術(shù)FACTS(Flexible AC Transmission System)的研究方向

46、中，依據(jù)有沒有使用超導(dǎo)體的失超特征限流，可以把它分成失超與不失超這兩種類型。這里面后者是超導(dǎo)故障限流器和目前具有的電子技術(shù)構(gòu)成，西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corporation)與美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LANL)在上世紀(jì)八十年代第一次發(fā)表了橋路型SFCL的理念，并推出了世界上首個(gè)橋路型SFCL，它就是不失超型超導(dǎo)故障限流器其中一類。橋路型SFCL即時(shí)間最早的SFCL拓?fù)洌兄铝袔讉€(gè)特點(diǎn)：1、可以進(jìn)行多次的重合閘工作；2、重量不高而且成本少；3、在一般的運(yùn)行狀況中電壓減少不會(huì)導(dǎo)致波動(dòng)的出現(xiàn)；4、能夠降低故障電流減少程度，因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)它被大量的推廣使用，所以

47、對(duì)它的研究可以幫助我們有效的認(rèn)知和借鑒不失超型SFCL的技術(shù)和日常使用情況。3.2 橋路型SFCL拓?fù)浼胺抡娣治?.2.1 拓?fù)浞治觯簶蚵沸蚐FCL屬于不失超型超導(dǎo)故障限流器，不同于失超型超導(dǎo)故障限流器所利用的超導(dǎo)體特有的電阻特性，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)充分利用了超導(dǎo)材料在直流狀態(tài)下無阻載流的特性。主要是由二極管橋路D1D4、超導(dǎo)線圈L(超導(dǎo)電感)和直流偏壓電源DC組成，與之相串聯(lián)的斷路器CB用于開斷被降低的故障電流，DC用于向超導(dǎo)線圈提供偏流iL。正常運(yùn)行時(shí)調(diào)節(jié)DC使iL=I0(I0是偏壓源DC提供給超導(dǎo)線圈的偏流初始值)，使I0大于線路電流iac的峰值，于是二極管橋路（即二極管D1D4）始終導(dǎo)通，除橋

48、路上有較小的正向電壓外，SFCL對(duì)iac不表現(xiàn)任何阻抗，此即相當(dāng)于線圈處于超導(dǎo)態(tài)。故障狀態(tài)下，iac的幅值增大到I0時(shí)，在iac正半周內(nèi)二極管D3和D4不導(dǎo)通，而在負(fù)半周內(nèi)D1和D2不導(dǎo)通，超導(dǎo)線圈就被自動(dòng)地串接入線路，故障電流就會(huì)被“失超”大電感L所限制。圖3.2.1 橋路型SFCL拓?fù)?.2.2模型的假設(shè)與等效條件：在Matlab的Simulink平臺(tái)下進(jìn)行建模，模型的基本原理圖如圖3.2.2示，該模型在穩(wěn)態(tài)時(shí)僅由電源、橋式SFCL和RLC負(fù)載組成，假設(shè)三相故障將RLC負(fù)載短路。圖3.2.2. Simulink平臺(tái)下橋路式SFCL基本模型的原理圖為了便于仿真，對(duì)該模型做一些假設(shè)和等效：用開

49、關(guān)Breaker模擬發(fā)生在0.4s的故障態(tài)故障（三相短路），此時(shí)開關(guān)Breaker閉合；并假設(shè)在0.8s時(shí)瞬時(shí)故障消除，系統(tǒng)重合閘成功，此時(shí)開關(guān)Breaker斷開；2、用開關(guān)Breaker2近似模擬穩(wěn)態(tài)下的“超導(dǎo)”限流線圈（開關(guān)閉合）和“失超”狀態(tài)下的限流線圈L（開關(guān)斷開），即忽略超導(dǎo)電阻特性兩種狀態(tài)間的過渡過程。從而在00.4s時(shí)間內(nèi)，由于系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，受直流偏壓源DC作用，SFCL支路流過極小電流（認(rèn)為無電流流過），即等效為超導(dǎo)線圈L處于超導(dǎo)狀態(tài)，亦即Breaker2閉合；在0.41.0s時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)生故障態(tài)故障（三相短路），Breaker閉合，SFCL支路電流平衡被打破，即等效認(rèn)為SF

50、CL迅速失超，“失超”大電感L起限流作用，限制故障電流。3、假設(shè)穩(wěn)態(tài)時(shí)橋路式SFCL系統(tǒng)與傳統(tǒng)限流器系統(tǒng)的線路電流相同，據(jù)此得到發(fā)生故障時(shí)裝設(shè)有橋路式SFCL的系統(tǒng)，其因“失超”串入的電抗應(yīng)為2L，其中L為傳統(tǒng)限流器的電抗；4、假設(shè)故障瞬間SFCL即失超，即忽略在0.4s故障時(shí)橋式線圈串入系統(tǒng)的延時(shí)。3.2.3模型的建立：基于此，選取交流電源（ AC Voltage Source）10kV供電，直流偏流電源(DC Voltage Source）遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電壓，串聯(lián)RLC支路(Series RLC Branch1)作為負(fù)載，其中電阻20kOhms，電感50H，電容10F，限流器電感(L Bra

51、nch)為300H。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和故障態(tài)模型分別在下圖示出：圖3.2.3. Simulink平臺(tái)下橋路式SFCL的穩(wěn)態(tài)模型圖圖3.2.4. Simulink平臺(tái)下橋路式SFCL的故障態(tài)模型圖3.2.4穩(wěn)態(tài)仿真：通過仿真給出1s內(nèi)橋式超導(dǎo)故障限流器的線路、超導(dǎo)線圈及D2（作為代表）二極管的穩(wěn)態(tài)電流曲線如圖所示：圖3.2.5. 加裝SFCL時(shí)流過線路的電流（穩(wěn)態(tài)）圖3.2.6. 加裝SFCL時(shí)流過超導(dǎo)線圈的電流（穩(wěn)態(tài)）圖3.2.7. 加裝SFCL時(shí)流過二極管D2的電流（穩(wěn)態(tài)）3.2.5 故障態(tài)仿真：根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，如果出現(xiàn)了短路的情況，那么超導(dǎo)線圈就會(huì)發(fā)揮其作用，是其傳入到線路當(dāng)中，那么對(duì)于短路以后的

52、電流就會(huì)被失超大電感L產(chǎn)生一定的流量控制，具體的計(jì)算可以根據(jù)基爾霍夫的定律來進(jìn)行計(jì)算：為了說明超導(dǎo)故障限流器的限流效果，將加裝SFCL系統(tǒng)與加裝傳統(tǒng)限流器系統(tǒng)的故障態(tài)模型分別進(jìn)行仿真，并比較結(jié)果如下：圖3.2.8. 故障后流過線路的電流對(duì)比圖3.2.9. 故障后流過線圈的電流對(duì)比圖3.2.10. 故障后流過二極管D2的電流對(duì)比3.2.6 波形分析：對(duì)比線路電流曲線，在已發(fā)生故障的0.5s這一瞬間，加裝超導(dǎo)故障限流器的線路電流被限制在約2kA，此電流僅約系統(tǒng)正常時(shí)線路電流幅值的1倍左右，而加裝傳統(tǒng)限流器的線路此時(shí)的電流約4kA，此電流約是系統(tǒng)正常時(shí)線路電流幅值的2倍以上！并且在故障尚未切除情況下

53、，前者的線路電流包絡(luò)直線的斜率也小于后者，這說明前者的故障電流增加速率小于后者。以上對(duì)比了在同種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下加裝超導(dǎo)故障限流器和傳統(tǒng)限流器在系統(tǒng)故障態(tài)故障時(shí)各處的電流，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生其他類型（不對(duì)稱）的短路故障時(shí)，對(duì)于每一相，SFCL總能起到明顯的限流作用，在此不再一一說明。3.3 限流效果分析在電力系統(tǒng)中采用超導(dǎo)故障限流器（SFCL）的主要目的之一就是限制故障電流，使之不超過斷路器的瞬時(shí)開斷能力。故障電流縮減率D%是表征橋式超導(dǎo)故障限流器限流效果的重要參數(shù)，其中D的取值范圍是0<D<1,其表達(dá)式為： (3-5)ip為無SFCL時(shí)發(fā)生三相短路的沖擊電流,它與系統(tǒng)的等值短路比X/R有關(guān)，計(jì)

54、算式為： ip=1+exp(-0.01/Ta)Ip=KimIp。 (3-6)其中：Kim=1+exp(-0.01/Ta)稱為沖擊系數(shù)，表示沖擊電流對(duì)短路電流周期分量幅值的倍數(shù)。Ta為時(shí)間常數(shù)，Ta=X/R。短路沖擊電流與短路比X/R有關(guān),當(dāng)時(shí)間常數(shù)Ta的數(shù)值由零變化到無窮大時(shí)，沖擊系數(shù)的變化范圍為1Kim2。ilim為裝設(shè)SFCL后，被限制短路電流的峰值，由式： (3-7)來確定。因?yàn)楣收想娏魇窃诙搪钒l(fā)生后的半個(gè)周波達(dá)到最大值，因此，在分析問題時(shí)取t=0.01s，又因偏壓源Vb的數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)電壓,可以忽略不計(jì)。所以， (3-8)I0是橋式SFCL正常運(yùn)行期間偏壓源DC輸出的直流偏流，其值要

55、大于線路電流的峰值。短路發(fā)生后約半個(gè)周波時(shí)，SFCL的故障電流縮減率D%表達(dá)式為： (3-9)其中:Ip為短路電流周期分量的幅值。根據(jù)橋路式SFCL模型提供的參數(shù)計(jì)算得橋式SFCL短路故障電流縮減率約為90%左右。由此可見,此橋路式SFCL的限流效果是非常好的。3.4 結(jié)論通過仿真分析，得出橋式超導(dǎo)故障限流器可以不失超地限制短路故障電流，且限流效果較傳統(tǒng)限流器更優(yōu)。在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由于直流偏壓源的作用，既沒有故障態(tài)過程，也使得橋路電感不產(chǎn)生無功壓降和無功功率損耗；在系統(tǒng)故障時(shí)橋路限流電感的突然加入（相當(dāng)于超導(dǎo)線圈的失超），可以有效地延遲故障電流到達(dá)峰值的時(shí)間，使斷路器在故障電流在還比較小時(shí)就將線路切斷，不用更換現(xiàn)有的開關(guān)