超导故障限流器应用分析毕业设计论文(编辑修改稿)

超导故障限流器应用分析毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

20 年底，中国科学院电工研究所、中国科学院理化所、北京蓝天高科技公司共同研制出 10. 5 千伏 //1. 5 千安三相高温超导限流器样机，并对样机进行了各项并网前的检验和模拟试验。 2020 年 5 月，中国科学院电工研究所、湖南省电力试验研究院与娄底电业局共同合作，在娄底市高溪 110 千伏变电站进行试验场地改造、设备系统安装、系统集成和并网前测试工作。 8 月 13 日 高温超导限流器样机经过三次 10. 5 千伏充压试验，投入高溪至百亩一线进行 24 小时空载试验。 8 月 14 日 ，高温超导限流器开始进行三相接地短路试验，并成功将 3500安短路电流限制到 635 安，短路电流缩减率达到 0. 82，随后进入试验运行 [1119]。 若高温超导材料的研究，生产工艺和性能取得新突破，低交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线保护等问题能解决，那么就高温超导强电应用而言，最先得到实际应用的将是超导故障限流器，因此 SFCL 在电力系统中具有广泛的应用前景，到 2020 年，我国对高温超导限流器的市场需求 已 达到 4 万台，因此， 对于超导故障限流器的研究有着良好的经济效益和社会效益。 图 220kV/800A 饱和铁芯高温超导限流器在国家电网石各庄变电站良好运行 华北电力大学本科毕业设计（论文） 10 将近年来超导限流器（ SFCL）的 应用概况归纳如表 1 和表 2 所示： 表 1 电阻型超导限流器研发现状 企业（国别） 限流器类型 超导材料 容量 /MVA ABB（瑞士） 电阻型 Bi2212 bulk ACCEL（德） 电阻型 Bi2212 bulk EA（英） 电阻型 Bi2212 bulk Schneide（法） 电阻型 YBCO bulk Siemens（德） 电阻型 YBCO film 表 2 其他类型超导限流器研究现状 研究单位 限流器类型 开发现状 ABB（瑞士） 三相磁屏蔽型 完成研制 法国电力公司等 混合型 实验完毕 GA（美） 三相桥路型 试验运行 日本东京电力 三相电抗器型 试验运行 中国电科院 改进桥路型 试验运行 国家电网 饱和铁芯型 试验运行 本论文工作概要 本论文共三章，逐步阐述了超导故障限流器技术的理论与应用，方便读者参阅，将各章分别总结如下： 第一章，阐述电力系统最常见故障 —— 短路故障，是由设备绝缘损坏导致的接地现象，分为单相接地、两相接地、相间短路及三相接地四类，其成因主要有主观和客观两个方面。 装设故障限流器是解决短路故障的重要手段，但传统的限流器其容量日渐不能满足需求、损耗大、反应较慢等问题亟待解决，为此，超导故障限流器（ SFCL）就是新兴的限流技术，相比传统限流器，不仅很好解决了以上问题，甚至逐渐得到了实际应用，对于 SFCL，目前国内外正积极进行研究，已取得了一些成果。 第二章，阐述为了解 SFCL，需要对超导体最基本的两大特性进行研究，其一是零电阻特性，其二是抗磁效应，也即 迈斯纳效应，其中零电阻特性是超导体的必要条件。 高温超导故障限流器（ HTSFCL）正是利用了这些特性工作在超导与失超两种状态，具有损耗低、能自动触发、自动复位、可多次动作等特点 ,对于 HTSFCL，由结构特点可分为电阻型、桥路型、磁屏蔽型、变压器型、饱和铁华北电力大学本科毕业设计（论文） 11 心型、三相电抗器型，它们具有不同的结构、工作原理以及优缺点，因此在实际应用中，往往根据需要来选择。 第三章，阐述一种非失超型超导故障限流器 —— 桥路式 SFCL，这是一种与现代电力电子技术结合紧密的限流器，可以预见其应用前景将十分光明。 由此，我们通过 Matlab 的 Simulink 平台对一种桥式 SFCL 模型进行仿真研究，在若干假设和等效条件下，通过系统在稳态和故障态时各处电流的仿真，以及在故障态时与传统故障限流器的比较，验证了这种限流拓扑结构的优点。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 12 第 2 章 高温超导故障限流器工作原理 超导体的基本电磁特性 零电阻效应 超导体具有零电阻这个最本质的特点。 左图显示的是金属电阻和温度之间的曲线，当 TTc 时， R 与 T 是线性关系。 当温度下降的时候，就不会呈现线性关系了。 当 T=Tc 时，电阻 R=0。 金属原子最外层电子十分的不稳定，特别容易失去电子，变成稳定的正电离子，这些正离子很有规则的进行排序，形成晶格。 里面的正离子在不停的做着热振动。 自由电子受电场的影响一边做着热运动一边做着定向运动，这两种运动合在一起就叫定向漂移。 当这两种粒子相互碰撞，就会形成两种后果：一是自由电子把能量传递给正离子，就会让正离子的热振动加快；还有一个就是自由电子改变了原来的运动方向，就叫做散射。 完全抗磁性效应（ Meissner 效应） Meissner（迈斯纳）和 Ochsenfeld（奥奇森菲尔德）发现，在磁场里的锡进行冷却的时候变成超导体，他的体内是没有磁场的，这个现象就叫做完全抗磁性效应或 Meissner 效应。 Meissner 效应是超导体最基本的特点。 最开始的时候人们觉得超导体就是导电率  趋向于无限大。 但是其实这是不正确的。 电学里的欧姆图 金属电阻与温度关系曲线 华北电力大学本科毕业设计（论文） 13 定律 U=IR。 对这个公式进行微积分表达就是： Ej  （ 21） 其中， j 代表的是电流密度矢量，  是电导率， E 是电场强度。 还有，利用麦克斯韦方程式 （ 22） 可以得到，如果把超导当作是  ，那么超导体内的磁场 B 就应该符合下面的方程式 （ 23） 上面的公式可以看出，超导体内的磁场 B 不受时间 t 的影响。 用超导体内没有电阻和迈斯纳效应，我们把超导体划分为两个大类，就是第I 类超导体和第 II 类超导体。 我们把同时具有上面两种情况的，只有一个临街磁场的叫做第 I 类超导体，如左图；拥有两个临界磁场的超导体， 就叫做第 II 类超导体，如右图。 图 第 I类超导体 图 第 II类超导体 华北电力大学本科毕业设计（论文） 14 各类超导故障限流器的工作原理 电阻型 SFCL 图 电阻型 SFCL原理图 电阻型 SFCL 的工作原理简单的说就是超导体变成失导体的状态。 图 展示的就是把超导体绕成触发线圈，在正常的运作时候，线圈是超导状态，电流都要通过这个线圈；一旦出现问题的时候，短路电流就会比线圈的最大限制电流大，就会让线圈失灵，这样大部分的电流就会流入限制线圈和限制电阻里，这就实现了他的作用。 混合型 SFCL 图 混合型 SFCL原理图 混合型 SFCL(图 )于 1992 年被人提出的，它的组成部分是超导线圈与变华北电力大学本科毕业设计（论文） 15 压器构成的。 内部的连接方法主要是由 (串联结构 —— 图 （ a），并联结构 ——图 (b))这两个方法进行连接的。 这种类型的变压器，他的副边比原边进行绕组的多很多，这就导致了超导线圈的电流变小。 在电路正常工作的时候，磁路没有达到饱和状态，原副边的耦合状况非常好，(并联时，超导线圈让副边绕组出现短路；串联时，原副边绕组相互反向绕制 )，因此整个系统的阻抗就变小。 如果出现问题的时候，副边的电流就会变大，那么超导线圈就会失效，在串联时，副边就会自动的加入一个大电阻，那么很多的电流就会流入原边，被原边的电抗阻碍着；并联的时候，超导线圈突然变成大电阻，那么变压器的阻抗就会加大，对出现问题的电流就会起到阻碍的 作用。 这个时候，变压器原边上的电压降非常的大，磁路就会自动的出现饱和，原副边的耦合也会很快的下降，这样就使两边的电流和电压的有效值减小，就达到了很少的时间里就让电流和电压回到最初状态的目的。 变压器型（感应型） SFCL 图 变压器型 SFCL原理图 上图所描绘的机器是变压器型超导阻碍控制电流器，其中主要是将改变交流电压的装置副边绕组跟电阻型超导阻碍限制电流器进行组合，而同时改变交流电压的装置的原边绕组非并联在输电线路中。 变压器原、副边超导绕组在正常操作的过程之中会相互依赖，彼此作用，从而发生较低的阻抗；控制阻碍电流成功是因为在电流不通过电器直接接通的情况之下，改变交流电压装置非主边绕组 闭合回路在原磁场内产生的磁场阻碍原磁场磁通量发生变化的电流 相较于超导绕组的临界电流更大而失去超导性，这时阻抗就会瞬间增大，从而使得改变交流电压的装置阻抗上升。 华北电力大学本科毕业设计（论文） 16 磁屏蔽型 SFCL 图 磁屏蔽型 SFCL原理图 磁屏蔽型 SFCL 的三大组成部分分别就是最外圈的铜线、中层的超导圆柱以及最内层的铁芯同轴，上图所示的是磁屏蔽型 SFCL 正常操作的情况，超导圆柱为零阻碍，外圈的铜线以及零阻碍屏蔽筒间的气隙漏磁可以用来确定装置的阻抗，发生短路情况时，零阻碍环的电流值迅速的增加到临界值，从而产生了较大的电流阻力，使得铜线圈的磁通可以运行，带动磁屏蔽型 SFCL 装置的阻抗值增大，最终使得控制故障电流得到成功。 桥路型 SFCL 图 桥路型 SFCL原理图 上图所示的是桥路型 SFCL 技术，首次提出此项技术的公司为西屋电力企业以及美国的 LANL。 它的操作原理是利用超导素材在直流电下不具有阻载流特征，而不是将超导素材由超导到无超导的转变。 它会属于失去超导类的超导阻碍限制电流器是因为操作原理与上文中的阻碍限制电流器相似。 一般寻常情况之下，功率在线圈 L 无损失的基础是直流偏流源 DC，因为在其基础之下，流过线圈 L 的值是非常小的。 在非寻常情况之下，故障电流会被华北电力大学本科毕业设计（论文） 17 大电感 L 控制是因为 iac 的值增加到了 I0，与此同时 iac 正负半周内的二极管都是非导通的，所以超导 线圈就非被动的串接到了线路之中。 饱和铁芯电抗器型 SFCL 图 饱和铁芯型 SFCL原理图 上图所描绘的是饱和电抗器型超导阻碍限制电流器，它是由两个铁芯电抗器组合形成，而且两个铁芯之中分别有一个非交流的零阻碍绕组以及非直流的控制绕组，而其中直流零阻碍绕组只能与直流偏压源相组合，而且两个不是属于直流的控制绕组将会非并联在线路之中。 一般寻常情况之下，两个铁芯达到饱和，装置的阻抗为最低值的状态可以通过对于直流偏压源的改善来实现，非寻常情况之下，短路电流使得一个周期内的铁芯之间交换饱和，使得装置获得较大的阻抗，最终使得控制故障电流得到成功解决。 三相电抗器型 SFCL 图 三相电抗器型 SFCL原理图 华北电力大学本科毕业设计（论文） 18 上图所示的是三相电抗器型零阻碍阻碍限制流器是由三个圈数相同的零阻碍绕组元素组成，寻常情况之下，均衡的三相电流之间的和为 0，磁通变化在铁芯之间不具备，而且装置具有较低的阻抗；当具有单相接地电流不通过电流直接接通情况发生 时，非均衡的三相电流，会使得装置的阻抗瞬间增大，也就为 SFCL 的大的零序阻抗控制阻碍电流提供了条件。 当两相或三相短路发生阻碍的情况之下，装置的阻抗失不会瞬间变化，当故障电流的值与临界电流的值相等时，零阻碍绕组会出现失去超导性的状况，从而使得大的常态阻抗可以限制故障电流。 各种超导故障限流器的特点比较 结构容易、反应速度迅速、寻常状况之下压降比较低以及逐渐指导实际操作等是电阻型 SFCL 的优势。 不容易解决的机械以及热问题是发展大电流交流超导电缆所遇见的难题。 所以这也就导致开发的电阻型 SFCL 的限定电流没有达到 2KArms。