第27卷第5期2011年5月
电力科学与工程E lectric Power Science and E ngi n eer i ng
Vo l 127,N o 15M ay .,2011
5
电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响
杨智龙1
,李爱华
2
(1河北邯郸供电公司,河北邯郸056035;2石家庄军械工程学院,河北石家庄050003)
摘要:针对两机系统,提出了在输电线路不同位置发生三相短路故障时,超导故障限流器(SFCL )投入电抗后对暂态稳定性影响的分析方法。基于功角特性曲线分别详细分析了在三相短路故障下电抗型SFCL 对暂态稳定的影响情况。通过对接入电抗型SFCL 的电力系统进行故障下的暂态稳定时域仿真研究,验证了分析结论。
关键词:超导故障限流器SFCL;暂态稳定;功角;电力系统中图分类号:TP 273 文献标识码:A
收稿日期:
2011-02-23。
作者简介:杨智龙(1982),男,工程师,研究方向为电力系统分析、运行与控制,E -m ai:l yy zll ong @https://www.doczj.com/doc/db9475408.html, 。
0 引 言
电网容量的逐年增加,短路电流水平不断变化,给电力系统中的电气设备带来越来越大的危害。为了有效地抑制短路故障给电力系统及其用户带来的危害,保证电网安全运行,在输电网上采取有效限流措施很有必要。
近年来,随着高压大电流电力电子技术、以及FACTS 技术在电力系统中的研究与应用,给新
型故障限流器在电网中的应用带来了可靠物质基础和理论支撑
[1,2]
。随着20世纪80年代后期高温
超导材料的发展,用高温超导体做成超导限流器具有其特有的优越性,能够集检测、触发和限流于一身,是电力系统的理想限流装置
[1]
。应用超
导故障限流器(SFCL)的系统在正常运行时,超导体不表现任何阻抗,还具有完全的抗磁性,装置对电网的影响几乎为零;当电力系统发生短路故障时,由于短路电流超过超导体的临界电流,使超导体迅速失超而表现一个很大的阻抗,从而将短路电流限制在一个很低的水平。SFCL 按照不同的原理、结构和特性,可进行多种分类
[3,4]
,但按
其失超后表现出的阻抗特性可分为电阻型和电抗型两大类。当这两类超导限流器应用于输电线路时,对电力系统的暂态稳定性会有不同的影响。
目前,超导故障限流器在电力系统中应用的研究大都集中在限制短路电流效果上,在输电网
应用中对暂态稳定影响方面的研究还比较少。文
献[5]和[6]仅从故障限流器对系统功角曲线的影响方面做了一些基本分析。文献[7]分析了输电线路一端装有晶闸管控制的限流器时,在三相故障情况下限流器对暂态稳定性影响的规律。文献[8]分析了固态限流器对暂态稳定性的影响情况。文献[9]仿真研究了氧化锌避雷器式故障限流器对暂态稳定性的影响,给出了非对称故障情况下的仿真波形。文献[10]分析了在输电线
路的不同位置发生三相短路故障时,SFCL 对暂态稳定性的影响情况。以往对限流器影响的分析基本上是基于单机对无穷大系统发生短路故障情况,而在多机系统发生故障情况下,SFCL 对暂态稳定的影响尚待深入研究。本文详细分析了两机系统的输电线路不同位置发生三相接地短路故障时,电抗型SFCL 投入不同电抗时对暂态稳定性的影响情况,并用暂态稳定的时域仿真结果对分析结论进行了验证。
1 系统模型
以一个两机系统为例,分析SFCL 安装在输电线路时对电力系统的暂态稳定影响情况。其中一发电机经升压变压器和双回线路向负荷送电,并在其中
一回线上加装超导故障限流器。系统正常运行时,SFCL 不投入电抗;安装SFCL 的线路发生故障时,三相SFCL 立刻投入电抗,在一定时间后保护动作,切
6 电力科学与工程2011年
除故障线路。系统结构如图1
所示。图1 具有SFCL 的两机系统F i g .1 Two m ach i ne syste m w ith SFCL
其中发电机1的正序电抗为x G1(1),负序电抗为x G1(2);发电机2的正序电抗为x G2(1),负序电抗为x G 2(2);变压器电抗分别为x T1,x T2,x T3;输电线路阻抗为z l =r l +j x l ,线路长度为L,加装超导
故障限流器的输电线路在距离A 母线kL 处发生短路故障(其中0[k [1)。计算时,忽略线路电容及变压器的励磁导纳,负荷用恒定阻抗代替,其等效阻抗设为z L =r L +j x L 。
本文采用的系统参数为:图中发电机采用E
恒定的经典二阶模型。所SFCL 投入的电抗值按标么值进行计算。相关参数为:发电机G 1:300MW,1015kV,
cos W 1=0185
,x d 1=118,x G1(2)=0123,x c d 1=0
13,T j 1=8s ;发电机G 2:1200MW,1015kV,cos W 2=0
18,x d 2=117,x G2(2)=0122,x c d 2=0
128,T j 2=9s ;变压器T 1:360MVA,1015/242kV ,U k1(%)=14;变压器T 2:360MVA,220/121kV,U k2(%)=14;变压器T 3:1500MVA,121/1015kV,U k3(%)=1215;线路L:x l =01418/k m,r l =01058/km,L =250km;
负荷D:P 0=250MW,
cos W 0=0198
。取S B =250MVA,U B =209kV 求得负荷阻抗:Z Z L =011505+j010931,S L =418-j 21976;其他等值阻抗参数如表1所示。
表1 各元件标么值参数
Tab .1 Per -un it val u e of every co m ponents
发电机G 1
发电机G 2
变压器线路L x G1(1)x G1(2)T j 1x G2(1)x G2(2)T j 2x T1x T2x T3015(r l +j x l )01287
0122
1113s
010517
010406
54s
011305
01108
010231
0105+j 01293
从而两机系统正常运行时,其系统参数为:
S 1=1-j012,S 2=318-j 2178;E 1=1147,E 2=1124,D 10=3413b ,D 20=1312b
,P 10=11052,P 20=318,D 120=D 10-D 20=2111b
。2 带有SFCL 的两机系统暂态稳定分析
方法
分析两机系统的暂态稳定可通过两发电机的相对加速度曲线特性进行分析[11]
。故障时三相SFCL 同时投入电抗,投入的电抗值为x 。
根据图1可知,故障时的两机系统等效电路图如图2
所示。
图2 SFCL 投入电抗后等效电路图
Fig .2 Equ i valen t circu it w ith reactance type SFCL
其中:x 1=j x G 1(1)+j x T 1;x 2=j x G 2(1)+j x T 3;
x 3=j x T 2;x 4=r l +j x l ;x 5=r L +j x L ;x 6=j x +kx 4;x 7=j x +(1-k)x 4;
两机系统故障时的等值电路如图3所示。从
而可以计算出发电机1,2间的等效阻抗:Z 11,Z 22,Z 12,相应可求出故障时两发电机的输出功率
:
图3 故障时系统等值电路F ig .3 E qu ivalent c i rcu it of fau lt syste m
P 1=E 2
1Z 11si n B 11+
E 1E 2Z 12sin (D 12-B 12)(1)P 2=
E 2
2
Z 22si n B 22-E 1E 2
Z 12
sin (D 12+B 12)
(2)
短路时的过剩功率为:
$P 1=P 10-P 1(3)
$P 2=P 20-P 2
(4)
第5期杨智龙,等电抗型超导故障限流器对两机系统暂态稳定影响7
短路时每个发电机转子的绝对加速度为:
A 1=18000$P 1T j 1(5)
A 1=18000
$P 2
T j 2
(6)
从而可求出短路时两发电机转子的相对加速度为:
A 12=A 1-A 2
(7)
同理可求出故障线路切除后的两发电机转子
的相对加速度。本文切除故障线路后相对加速度表达式为:
A 12=11505-2131sin D 12-01284cos D 12
(8)根据相对加速度特性曲线可以分析两机系统的暂态稳定情况,如图4所示。故障时相对加速度曲线为正值,只有加速面积。故障线路切除后,工作点迅速由a 点移动到b 点,这时相对角受到制动而开始减速,曲线b D c D 12k 所包的面积为最大可能的减速面积。根据等面积定则,当这一面积大于加速面积时,系统能够维持暂态稳定;如果小于加速面积,
电力系统就失去稳定。
图4 两机系统的相对加速度特性曲线
Fig .4 R e l ative accelerat i on p erfor m ance curve of t w o
m ach i n es
由图4可知,分析加入超导故障限流器后对电力系统暂态稳定性的影响情况,只需求出故障时加入超导限流器后两发电机转子相对加速度的最小值,与未加入时的最小值进行比较即可。若最小值向下移动,则加速面积减小会导致极限切除角增大而有利于电力系统的暂态稳定;反之,则不利于电力系统的暂态稳定。
通过求两发电机转子的相对加速度A 12的导数,让其等于零即可找到相对加速度最小值所对应的转子运行角度,从而可以求出相对加速度最
小值A 12m in 。然后把相对加速度最小值A 12m in 看作是
以SFCL 投入的电抗值x 为自变量的函数,通过分析这个函数,就可以了解故障时加入超导限流器
对两机电力系统暂态稳定性的影响情况。
3 电抗型S FCL 对两机系统暂态稳定的影
响情况
311 不同情况下的相对加速度最小值
在线路不同位置发生三相短路故障和SFCL 投入不同电抗值x 时,两机系统相对加速度的最小值A 12m in 的变化曲线如图5所示。
图5 投入电抗后的相对加速度最小值曲线F ig .5 R elati ve acce l eration m in i m um value
curve w ith reactance
由图5(a)可知,不管在线路的何处发生故障,只要SFCL 投入电抗,都能使两机系统相对加速度的最小值A 12m in 向下移动,且随着投入电抗值的逐渐增大,A 12m in 逐渐减小。还可以看出,当电
抗值增大到某一值后,A 12m in 会小于零。由图5(b)可知,当投入电抗值很小时,随着故障位置向后移动,A 12m in 会先减小再增大;当投入电抗值大过某一值时,随着故障位置向后移动,A 12m in 会逐渐减小,最小值出现在线路末端。
在线路四分之一处发生三相短路时限流器投
8 电力科学与工程2011年
入电抗后的相对加速度特性曲线如图6所示。其中:?为故障时相对加速度曲线,ò为投入小的电抗值时相对加速度曲线,ó为故障线路切除后的相对加速度曲线,?为投入大的电抗值时相对
加速度曲线。
图6 投入电抗后的相对加速度特性曲线Fig .6 R elative acceleration curve w ith reactan ce
由图6(a)可知,SFCL 投入电抗时,减小了加速面积S ,可以延长极限切除时间,有利于电力系统的暂态稳定。由图6(b)可知,SFCL 投入大的电抗值时会出现制动面积,当投入电抗值足够大时,不切除故障也能满足电力系统的暂态稳定。312 时域仿真摇摆曲线
仿真参数设置:k =015处发生故障,阻尼系数为2,011s 切除故障。功角摇摆曲线如图7所示。当切除时间一定时,对投入SFCL 的摇摆曲线的第一摇摆幅值明显小于无SFCL 的情况。从而可以看出加入电抗器型超导故障限流器有利于系统的暂态稳定,且投入的电抗值越大,越有利于暂态稳定。
4 结 论
本文以两机系统为例,详细分析了装有电抗
型SFCL 的电力系统,在发生短路故障时SFCL 对
图7 投入电抗后的功角摇摆曲线Fig .7 Fun ctional rock i ng cu rve w ith reactan ce
暂态稳定性的影响规律。
当输电线故障的位置不同和SFCL 的电抗值变化时,SFCL 投入电抗都能对电力系统的暂态稳定产生有利影响。当输电线路的故障位置一定,SF -CL 投入的电抗值越大,越有利于两机系统的暂态稳定。当SFCL 投入的电抗值一定,电抗值很小时,随着故障位置向后移动,对两机系统暂态稳定的有利程度会先减小再增大;电抗值大过某一值时,随着故障位置的向后移动,会越来越有利于系统稳定,且最稳定点出现在线路末端。
本文只分析了两机系统在线路不同位置上发
生三相短路故障时电抗型SFCL 对电力系统暂态稳定性的影响情况,而对于不对称故障时SFCL 的应
用情况,以及SFCL 在多机系统中的应用情况有待进一步研究。
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K ey words:superconducting fau lt current li m iter;transi ent stability;pow er ang l e;pow er syste m s
DOI :10.7500/AEPS201301074 基于M g B 2的新型电阻型超导故障限流器的研制和性能分析 姚一磊,郑建勇,梅一军,王佳成,徐一友 (东南大学电气工程学院,江苏省南京市210096) 摘要:超导故障限流器对限制短路电流和短路容量具有重要的研究意义三文中基于M g B 2的特 性,采用先变形后退火的方法,并利用特制高温玻璃纤维进行绝缘,在退火处理后再通过环氧树脂胶黏剂固化,研制了一台小体积电阻型超导故障限流器样机三同时通过液氦和氦气冷却,对其性能进行测试;通过建立电阻型超导故障限流器的一维热传导模型和电路方程,对其动作特性进行仿真三测试和仿真结果表明该样机限流效果明显,限流百分比可达44%以上,然而限流器的失超长度二超导线材温度和失超电阻随着时间呈非线性变化且限流器的线材并未全部失超三失超恢复时间约为1.5s , 可通过交替连接方式满足重合闸需求三最后针对10kV 电力系统,提出了M g B 2的小体积电阻型超导故障限流器工程设计原理,并分析了其在工程应用中的可行性三关键词:超导故障限流器;二硼化镁;短路电流;超导设备 收稿日期:2013-01-10;修回日期:2014-05-05三江苏省科技支撑计划资助项目(BE2009053) ;江苏省产学研联合创新资金资助项目(BY201115) 三0一引言 随着电网规模和电力系统容量的增大,短路电流水平和短路容量也随之增大,这将给电网和电力系统设备的安全运行带来很大的风险;并且未来智能电网对电力系统坚固性和可靠性要求也越来越高,因此限制线路短路电流水平成为目前亟须解决的问题三 常规的限制短路电流的方法是在线路中加装限流电抗器,但是在正常工作状态下会产生电压降落 和能量损耗[1] 三随着超导材料的发展,出现了一种 新型的限流装置 超导故障限流器(su p erconductin g fault current limiter ,SFCL ) 三在众多SFCL 中,电阻型SFCL 因具有反应速度快二损耗低二能自动触发二自动复位二可多次动作等优点,并且集检测二转换和限流于一体[2] ,在正常工作时呈现零阻抗,故障时可迅速转化为高阻抗状态,瞬间限制 了短路电流,而且结构简单,故成为了一种理想的电 力系统故障限流装置[ 3-7] 三2001年, 日本科学家Akimitsu 发现了M g B 2超导体[8],M g B 2超导体因具有较高的转变温度二 良好的结构特性二较强的机械性能二快速的失超过程二 较高的热传导率二相对低廉的制造成本[9-10] 二较好的 临界电流密度和较高的电阻率[11] 二简单的制造工艺 等优点,成为了制备超导故障限流器较理想的材料三 然而,M g B 2线材通过粉末套管法(PIT ) 工艺形成后难以变形,因而传统的基于M g B 2超导线材的 设备具有较大的形变半径,体积较大[ 12] 三而实验室所具备的杜瓦口径仅35mm ,无法将大直径限流元件装入杜瓦中,因此如何通过改变工艺制作一种小体积SFCL ,具有一定的必要性三并且在工程应用中,减小了限流元件的体积就可以大大减小杜瓦的体积二减少漏热,从而具有较好的应用前景三为此,本文研制了一台小体积电阻型SFCL 样机,并进行了分析三针对10kV 电力系统,提出了 电阻型SFCL 的工程设计原理和分析方法,为基于 M g B 2的小体积电阻型SFCL 进一步工程设计提供了理论依据三 1一工作原理 超导材料需要在一定的外部环境下才呈现超导状态三外部环境主要为温度二磁场和流通电流3个影响因素,对应的边界条件称为临界温度二临界磁场和临界电流三电阻型SFCL 就是利用在超导材料中流通的电流超过临界电流而触发形成较大的电阻,并产生大量的焦耳热来提高超导体的温度,使输出 电阻进一步增大三 在正常运行时,电网上流通的电流较小,而当发生短路故障时,电网电流迅速增大十几倍甚至几十倍三选择一定的超导材料串接在电网中,当电网正常运行时流通的最大电流小于超导材料的临界电流,超导体仍然呈现超导状态,不产生任何阻值,因而不影响电网的正常运行;而在电网发生短路故障 601 第38卷一第14期2014年7月25 日Vol.38一No.14Jul y 25,2014
电网短路电流超标治理措施的研究技术 报告 2015-10-20 电网短路电流超标治理措施的研究 技术报告 2015年10月20日
批准: 审核: 编写:
目录 1 任务来源及研究项目背景 (4) 1.1任务来源 (4) 1.2研究项目背景 (5) 2 研究内容 (6) 2.1典型主变限流指标 (6) 2.2 限流方案的研究 (7) 2.3 研究方向、研究意义 (10) 2.4 技术方案、结构原理、功能策划 (10) 2.5 快速开关并联电抗器构成原理 (18) 2.6 功能策划 (19) 2.7 结构安装 (20) 3 项目的科学性和先进性 (21) 3.1 快速真空断路器的技术先进性 (21) 3.2 快速识别与过零开断技术的技术水平 (22) 4存在的问题及改进措施 (24) 5研究成果 (24)
1 任务来源及研究项目背景 1.1任务来源 随着电网规模的扩大，作为宁夏电网能源大区石嘴山，随着750千伏沙湖变及其220千伏配出工程的投运有效改善了石嘴山电网的网架结构，负荷接纳能力大大提升，但电网局部仍存在一定薄弱环节，尤其是未来2~3年内，上海庙、平罗电厂、大武口热电厂扩建等规划项目的陆续实施以及新能源的陆续接入，造成短路电流水平超标等诸多问题，电网安全稳定运行将面临新的考验。需要寻找一种最优的限制短路电流方法。 根据2015年石嘴山电网短路水平专项分析，针对未来2~3年内电网局部短路电流接近开关额定遮断容量甚至超标问题，应加强滚动校核，制定运行控制策略，确保电网的安全稳定运行。对于部分变电站未来几年内短路电流增幅明显，超过开关额定遮断容量，除建议区调及时调整运行方式，确保短路电流水平在合格范围内；同时考虑高压或低压侧配置限流电抗器；
超导板块： 超导电力技术作为21世纪具有重要战略意义的高新技术，受到各国高度重视。世界上第一条输电-电压超导电缆系统已于2008年4月在纽约长岛投入运行。 就我国的超导技术发展情况来看，2011年2月，国内第一个超导变电站——中科院白银超导变电站在甘肃白银建成，不久将实现并网运行。该变电站包括高温超导限流器、高温超导储能系统、高温超导变压器和高温超导电缆等多种超导电力装置。它由白银市国资委、中科院电工研究所和甘肃万通电缆集团共同建设。 超导限流器可安装于发电厂、输电网、变电站等场所，预计国内首先应用于220KV及以上的变电站，按照220KV的4000万元/台，35KV的2000万元/台计算，超导限流器国内市场规模约1700亿-2800亿元。国内超导限流器市场空间约1700亿-2300亿元。由于超导技术进入壁垒较高，因此最先进入者有望成为未来市场的领导者。 随着产业结构升级和产业转型，我国不少电力设备行业的公司也纷纷进军超导领域。其中，沪、深两市涉及超导概念的主要有汉缆股份、宝胜股份、百利电气、永鼎股份和综艺股份等5家上市公司。 百利电气认为，超导限流器是智能电网建设的关键设备，智能电网的稳定性是智能电网建设的重中之重，超导限流器可以有效提高智能电网的暂态稳定性。提高暂态稳定性需要控制电网的短路
电流，现有方法的费用均非常高，且容易导致电力系统运行的不稳定；而超导限流器作为近年来发展起来的限制短路电流的新技术装备，具有明显优势。百利电气制造的35KV超导限流器在云南普吉电站挂网运行2年多来，在3次人为故障中达到了预期的效果。而市场对公司参与的天津220KV超导限流器项目更是预期较高。该项目即将挂网运行。 另外，上市公司永鼎股份于去年12月22日发布公告，投资7200万元成立苏州力鼎新材料有限公司，从事超导线材和超导设备的研发。据知情人士介绍，永鼎股份很可能进军第二代高温超导线材，其技术团队可能主要来自美国橡树岭国家实验室（ORNL），该实验室是美国从事第二代高温超导材料研发的主力军。 另一家涉足超导的上市公司是汉缆股份。汉缆股份控股英纳超导51%的股权。英纳超导成立于2000年9月，是中国第一家实现第一代高温超导线材产业化的公司，其生产的高温超导线材已装备在我国第一台超导电机和第一台35kv高温超导限流器上。2008年，由公司提供超导线材的35kV/90MVA饱和铁心型超导限流器在昆明220kv普吉变电站成功挂网运行。 其中，去年11月份刚刚登陆深圳中小板的汉缆股份成为国内超导行业的生力军，持有英纳超导51%股权。同时，百利电气和永鼎股份去年也相继披露拟投资超导项目，其中百利电气去年7月非公开发行股票募资不超过10亿元，其中投资约3亿元用于超导限流器项目；永鼎股份去年12月现金出资人民币7200万元设
一、基本概念 理想的限流器应具备如下特征: (1)在电网正常输电时低阻抗或零阻抗; (2)在电网发生短路故障时迅速转为高阻抗和有效限制短路电流; (3)限流后能够自动、及时恢复到低阻抗或零阻抗状态; (4)能够与电网的保护系统匹配。 超导限流器是多年以来人们在超导电力技术领域的研究焦点之一，也是被认为最有可能率先实现工业化应用的超导电力设备。现在很多电网的短路故障电流水平已经超出或即将超出现有线路断路器能够应对的范围，电网运行安全存在着很大隐患。短路故障电流过大已经成为目前世界上很多国家输、配电网面临的迫切需要解决的问题。另外，高压直流输电，尤其是多端高压直流输电近些年发展迅速。与交流线路断路器相比，直流线路断路器的遮断容量与实际需要的差距更大，无法满足直流电网建设的需要。因此，无论是交流电网还是直流电网，目前都需求能够有效抑制故障短路电流水平的装置。 超导限流器有若干不同的分类方法，若以通流 /限流元件的阻抗特性划分，可以分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器。 电阻型超导限流器最直接地利用了超导材料在超导态时电阻为零，而在失超后具有一定电阻的特性。将一个超导元件(一般为绕组
形式或多个模块组合形式) 串联在输电线路中就构成了一个最简单的限流器。在电路正常输电时，超导元件处于超导态，电阻为零，这时限流器的整体阻抗主要来源于非超导接头电阻和元件的交流损耗(直流输电不存在)量值很小。当线路发生短路故障时，超过超导元件临界电流的故障电流会使其失超，产生一定的电阻，起到抑制短路电流的作用。（主要通过在故障电流的激励下，超导材料瞬间从超导态转变为非超导态，产生大电阻串入故障线路，从而对故障电流起到限制作用） 二、优、缺点 电阻型超导限流器原理简单，所以其限流单元的设计和制作也比较简单，设备重量比较小。但由于限流功能要通过超导元件的失超来实现，限流后超导元件完全恢复到超导状态需要较长的时间，难以满足大多数电网保护系统自动重合闸的时间要求。另外由于在限流状态下超导元件的失超要产生大量的热，需要有一个可靠的在短时间内移除热量的机制和较大容量的冷却系统。也因为超导元件失超的原因，为了避免损坏，电阻型超导限流器不适宜较长的持续限流时间。一般地讲，电网电压越高，所需的限流阻抗越大。对于电阻型超导限流器，增加限流阻抗就要增加超导导体的长度，这就需要更大的绝热恒温器和冷却系统。当超导元件的体积很大时，很难实现其整体的温度和电磁条件的均匀性，其结果就是超导元件失超的时间和空间分布的不均匀性，导致限流能力的降低和损坏风险的增加。所以目前电阻
电工电气 (2010 No.5) 作者简介：姚成(1985- )，男，硕士研究生，研究方向为超导故障限流器。 桥式故障限流器的研究 摘 要：针对现有断路器开断容量不能满足超高压系统故障短路电流要求的现状，介绍了两类桥式故障限流器的结构和基本工作原理；提出了两类桥式故障限流器结构的改进方案。分析了限流器的参数变化对限流特性的影响。仿真结果表明该类型限流器具有良好的限流作用。 关键词：桥式故障限流器；超导；仿真中图分类号：TM501 文献标识码：A 文章编号：1007-3175(2010)05-0013-04 姚成，梅军，姚磊，朱吉吉华 (东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096) Abstract: In allusion to the actuality that the breaking capacity of existing circuit-breakers can not satisfy the requirements of fault short circuit current in ultra-high voltage power transmission system. The schematic diagram and basic theory of two kinds of bridge-type fault current limiters were introduced. Two improved bridge-type fault current limiters were presented. The impact of parameters variation of the fault current limiter on current limiting characteristic was analyzed. The good effect of fault current limiter is verified by simulation. Key words: bridge-type fault current limiter; superconducting; simulation YAO Cheng, MEI Jun, YAO Lei, ZHU Zhe-hua （School of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China ） Study on Bridge-Type Fault Current Limiter 0 引言 近几年，随着我国经济的飞速发展，社会对电力的需求不断增加，带动了电网的装机容量快速增长。此外，为了安全可靠地输送电能，使电网向超大规模发展，电网容量逐渐扩大，最终导致其短路电流水平急剧增加，因此电网的安全稳定问题越来越重要。根据国网公司的规划，2010年以后，三峡机组全部投运时，预计的最大短路电流周期分量将达300kA，如对此不加以限制，电网内的各种电气设备就必须更新以满足更苛刻的高短路电流水平要求，不但会使变电所的设备投资大幅增加，而且会对系统原有通信线路等产生严重的干扰危害。因此限制电网剧增的短路电流已成为电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。 1982年美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)和西屋电力公司(Westinghouse Electric Corpor - ation)首先提出了桥式超导限流器(Superconducting Fault Current Limiter，SFCL)的概念[1-2]。近几年来，有关桥式限流器的性能以及结构的改进成为限流器研究的热点。一方面，研究者用常规限流电感代替桥式超导限流器中超导材料，从而不需要复杂的超导技术，可靠性高、经济性好。另一方面，研究者以可控开关器件代替整流桥中的二极管，使限流器具有限流和断流的功能。就以上两方面，本文介绍了几种桥路型超导及非超导限流器，并对其限流原理、仿真分析及结构改进做了部分说明。 1 桥式超导故障限流器 1.1 桥式超导故障限流器的结构和工作原理 图1为桥式SFCL的单相电路图，它由4个二极管D 1到D 4、直流偏压源V b 、超导线圈L 组成，断路器CB 与限流器串联，用以切断被限制了的故障电流，偏压源V b 给L 提供偏流i L ，其电压调到足以克服二极管对(D 1和D 4或D 2和D 3)的正向电压降，并使偏流调至 桥式故障限流器的研究
高温超导技术在中国的应用前景1 最近一些年来中国经济有较快发展，因此对能源和电力的需求逐年增加。例如到2008年底，中国的发电能力将达到800GW,仅今年增加的发电能力就有100GW。然而中国平均每人耗能量水平还远远低于发达国家的水平。因此可以预期、对能源和电力的巨大需求将会给中国带来越来越大的压力，而且这样大的需求只能依靠国家能源政策的改革，很难想象能够主要依靠国外的供给。另外，中国目前能源结构也不合理，例如近年来所发的电70%以上来自烧煤，这造成的对环境的严重影响必将越来越引起中国决策层的重视。提高能源利用的效率、开发绿色能源是中国经济可持续发展的必然途径。从另一方面来讲，中国超大城市发展的速度近年来也很高，而且这些超大城市的快速发展在很多情况下并没有得到良好的规划。因此这种超大城市的供电、交通、住房和环境问题将会日益显著。高温超导技术以在节能、环保等各方面的优势可为解决以上问题提供可能，因此高温超导技术在中国有很好的应用前景。以下是高温超导技术在能源、电力和交通方面有可能得到大规模应用的一些例子。 高温超导电缆 高温超导电缆在近期应用的一个可能是向超大城市中心送电。目前中国城市居民用电主要在照明，电视、计算机、电冰箱和洗衣机方面。不过、在夏天人们已逐渐开始使用空调，在冬天已有小部分使用电暖器，电动自行车已成为代步工具之一。如果空调、电暖器和电动自行车得到普及，城市的用电量还有可能成倍地增加。一些研究认为、中国将来混合动力汽车有可能不会成为主流，而电动汽车将有可能在中国大城市内得到广泛使用。如果这成为事实、大城市对电力的需求还会有明显的增加。以北京为例、现在的用电功率为10GW左右，北京目前常住人口已超过1600万，另外还有数百万的流动人员，如果平均每人耗电功率为1kW的话，将来北京对电力的需求很容易会翻一番、达到20GW的水平。然而北京市区现在的建筑密度很高，市政规划和建设不完善，要大幅度扩大送电规模，用常规手段必将耗费大量的基建资金并对社会和环境带来很大的影响。高温超导电缆由于其电能密度高，可以用常规电缆相同的截面输送3-5倍的电能，这样可利用现有的地下输电通道、用超导电缆代替铜电缆来达到增容的目的。 另外，高温超导电缆可以比相同截面的常规电缆输送大得多的电流，这样超导电缆能用较低的电压来送相同的电能，也就是说可用配电线路的电压送输电线路的电能。高温超导电缆的这一特点在超大城市送电方面也有很大的优势。例如在城市中心地带很难建造变电站，即使是地下变电站，除了造价昂贵外、也难能找到足够的建造变电站地方。另外要把变电站的大型设备，尤其是大型变压器运入市中心有可能也是一个无法解决的实际问题。在这种情况下、可以将变电站建在市中心以外的地方，从变压器的次级用高温超导电缆以较低的电压向市中心送电，以解决在市中心建造变电站所遇到的困难。实际上目前中国的超大城市已经有这样的需求，使用高温超导电缆的综合经济效益也是可接受的。高温超导电缆至今未能在城市中得到应用的主要原因是其可靠性和安全性还未能使决策者信服，可以预计国外成功的经验和数据将有助于高温超导电缆在中国得到广泛的应
《电工技术杂志》2002年第7期?产品介绍? 超 导 限 流 器 李建基(西安高压电器研究所 710077) 摘 要 用超导限流器限制短路电流,是国际上大力研究的课题。超导限流器利用导体由超导态向正常态的转变,因此它的作用像非线性电阻。由于这种独特的物理特性。超导限流器成为一种比较理想的限流装置。 关键词 故障电流 超导体 限流器 1 前言 电网的短路会引起高达百倍于额定电流I N的短路电流I SC。电网中的元件设计必须使之在短路期间(典型时间为30～300ms)能承受由短路电流I SC引起的很高的机械负荷和热负荷。 在世界范围内,由于电力需求的增加,现有电网增加了新的馈电点,由此而使联网数量增加。由于短路电流的增加,短路裕度逐渐被用尽。 如果预期短路电流I pt超过电网元件的设计极限,或完全更新变电站设备,或采取措施减小短路电流。为此一般使用限流电抗器或使用具有高电抗的变压器,可以通过这些措施提高电网的阻抗;或者相应地减小预期短路电流I pt。这样做必须以增加运行损失特别是以加大电压降为代价。减小I pt 的另一种可能方法是将电网分成许多支网。所有这些措施都与提高电网稳定性的要求相矛盾。 理想的限流器应对电网的正常运行无影响,而在故障情况下能够限制短路电流使其接近额定电流值,这样就可以解决既要求电网阻抗小又要求短路电流小的矛盾。实现这种功能的电气装置基于快速开断电路(开断时间t<1ms,如用爆炸式熔断器或电力电子器件)、谐振频率失调的L R振荡回路和具有极大非线性电流2电压特性的元件,如半导体、带铁心的线圈和超导体等。 超导体的特点是从无阻态即超导态向电阻态的转变。超导限流器可分为电阻型和电感型。在电阻型超导限流器中,被保护电网的电流直接流过超导体,而在电感型超导限流器中,超导体被电感接入电路。 2 超导技术的优势 超导技术被公认的优势是它的零电阻特性。用它可减少输电损失,同时超导材料的电流密度大,已知的超导材料的电流密度约为100A/mm2,至少为普通铝和铜导体的十倍。由于超导体的零电阻特性,使之输电损失小且电流密度大,故超导技术可用于电缆、变压器、磁储能等方面。超导技术另一个被公认的优势是超导2正常态转换特性,如图1所示。这种转换在临界电流I C处进行。可利用这一特性制成超导限流器 。 图1 超导2正常态转换特性 3 超导限流器的作用原理 图2所示为超导体的相位图,可将其划分为三个区域:真正的超导区(ρ=0)、电阻与电流的特别关系区(ρ=ρ(I))、正常导通区(ρ=ρ(t)) 。 图2 高温超导体的简化相位图 实现超导限流器的捷径是采用电阻型器件。在电阻型原理中,超导体直接串联于被保护电路。在 — 4 5 —
故障电流限制器调研报告 1 概述与国内外研究现状 电力系统的迅速发展，单机和发电厂容量、变电站容量、城市和工业中心的负荷和负荷密度的增加，以及电力系统之间的互联，导致现代大电力系统各级电网中的短路电流水平不断增加，系统中部分地区的短路电流已经达到甚至超过断路器的遮断容量，而且上升趋势越来越明显，已经严重威胁到系统的安全运行。一旦发生短路故障，可能会造成故障线路中相关设备烧毁，后果难以想象。除改变电网结构外，故障电流限制器（fault current limiter，FCL）成为解决短路电流超标问题的新途径。 目前比较成熟的故障电流限制器有：限流电抗器、高压限流熔断器、谐振型故障电流限制器。串联谐振型故障电流限制器在超高压系统中的应用，关键在于旁通电路替代型式的研究，随着容量和电压等级的提高，饱和电抗器成本和制造难度迅速增加。而电力电子和快速开关等技术的快速发展，为新型电容器保护用旁通技术的探索提供了新的思路。 可控串补装置可以动态调节电容的阻抗，使其工作在感性模式和容性模式。在短路电流发生时刻，调节晶闸管阀的触发角使其工作在感性模式，相当于线路串入一个大电抗，以达到限流目的。这是利用可控串补装置的一个附加功能。 随着新材料、新工艺的出现，涌现了许多基于新型器件和原理的故障电流限制器，例如基于超导技术，基于半导体变流技术，以及采用PTC
（positive temperature coefficient）热敏电阻材料等。这些新技术给电力系统的发展带来了新的机遇。 1.1 国内情况 随着FCL受到重视的程度日益提高，国内很多机构单位投入其研究与应用。中国科学院电工研究所联合国内多家单位共同研发了我国首台三相高温超导限流器，成功将3500A（有效值）限制到635A（有效值），且短路瞬间波形无突变。由天津机电工业控股集团公司和北京云电英纳超导电缆有限公司联合研制的35kV超导磁饱和型FCL，于2007年成功投入实际运行，是目前世界上挂网试运行的电压等级最高、容量最大的超导限流器。华中科技大学研究的基于串联补偿的FCL使用了真空触发间隙或高速斥力机构操作的合闸开关，具有动作速度快、成本较低的优点。上海交通大学提出了一种适用于中高压电网的磁控开关型故障限流器结构，并研制了一台220kV/50A限流器模型机。华东冶金学院提出一种由普通电感和IGBT桥路构成的无损耗电阻器式限流器拓扑并取得国家专利。浙江大学研制的10kV/500A/2500A带交流旁路限制电感采用耦合变压器的新型固态限流器样机于2006年12月在绍兴电力试验站通过试验，取得了令人满意的试验结果。 1.2 国外情况 自20世纪90年代初，EPRI推出固态FCL方案后，国外在固态限流器方面的研究取得巨大进展。1993年初，在美国新泽西州Mort Monmouth的
故障限流器技术的研究概况 1引言 近年来，电力系统容量逐年增加，电网短路电流也随之增大，目前已成为制约电网运行和发展的重要因素。因此，限制电力系统短路电流已成为一个有待解决的问题。传统的是使用机械型断路器，而这种断路器速度慢，维修量大，是形成暂态稳定问题的重要条件。 故障限流器的开发和研制，开辟了提高交流输电线和输电网运行整体控制能力和水平的技术渠道，为高压和超高压输电性能的革新改造指出了方向。 2国外故障限流器研究的动态 故障限流器(FCL)早在70年代就出现在国内外的文献中，但真正受到重视和快速发展是在柔性交流输电技术提出以后，从近十年的发展来看可以将故障限流器分为两大类：第一类就是采用功率电子器件控制线路阻抗的限流器；第二类就是采用具有特殊性质的材料作为限流器的基本组成部分，例如：超导材料和具有正温度系数(PTC)的聚合材料等。 2.1采用功率电力器件控制线路阻抗的故障限流器 这种故障限流器保护电路的基本思想就是：在正常负载情况下FCL所呈现的是低阻抗，但是在故障发生时，FCL动作保护就会呈现出大的阻抗值以限制故障电流，将故障电流限制在断路器正常工作范围内，图1为FCL的实验室装置图。 在线路正常工作情况下，晶闸管处于闭锁状态，L2R2未被串入，电路为L1C串联工作。而在故障发生时(SF闭合)，控制电路触发导通晶闸管，L2R2接入电容器两端，与电容器并联运行，增大线路阻抗值以限制故障电流。在这个电路中，晶闸管控制电抗器并联接在电容器两端，在正常运行条件下，晶闸管并不导通，仅在短路发生情况下，晶闸管触发导通，L2接入电路起到分流作用，因此在正常工作情况下不会有谐波产生，同时由于相对比较短的保护过程，所以发热情况并不严重，不需要冷却装置。 2.2固态故障限流器 在1993年日本提出了固态故障限流器的设计方案，原因为：传统过流保护系统由断路器和过流延时装置(OCR)组成，从短路发生到断路器动作，一般有0.2s到0.5s的延时，这样在延迟时间内线路的电压就会降低或是功率输送间断，影响输送
超导板块: 超导电力技术作为21世纪具有重要战略意义的高新技术，受到 各国高度重 视。世界上第一条输电-电压超导电缆系统已于 2008 年4月在纽约长岛投入运行。 就我国的超导技术发展情况来看， 2011年2月，国内第一个超 现并网运行。该变电站包括高温超导限流器、 高温超导储能系统、 高温超导变压器和高温超导电缆等多种超导电力装置。 它由白银 超导限流器可安装于发电厂、输电网、变电站等场所，预计国内 首先应用于 220KV 及以上的变电站，按照 220KV 的4000万元/ 台，35KV 的2000万元/台计算，超导限流器国内市场规模约 1700 的领导者。 百利电气认为，超导限流器是智能电网建设的关键设备， 智能电 网的稳定性是智能电网建设的重中之重， 超导限流器可以有效提 高智 能电网的暂态稳定性。 提高暂态稳定性需要控制电网的短路 导变电站一一中科院白银超导变电站在甘肃白银建成， 不久将实 市国资委、 中科院电工研究所和甘肃万通电缆集团共同建设。 亿-2800亿元。国内超导限流器市场空间约 1700 亿-2300 亿元。 由于超导技术进入壁垒较高， 因此最先进入者有望成为未来市场 随着产业结构升级和产业转型， 我国不少电力设备行业的公司也 纷纷进军超导领域。其中，沪、 深两市涉及超导概念的主要有 汉缆股份、宝胜股份、 和综艺股份等5家上市公司。 百利电气、永鼎股份
电流，现有方法的费用均非常高，且容易导致电力系统运行的不稳定；而超导限流器作为近年来发展起来的限制短路电流的新技 术装备，具有明显优势。百利电气制造的35KV超导限流器在云 南普吉电站挂网运行2年多来，在3次人为故障中达到了预期的 效果。而市场对公司参与的天津220KV超导限流器项目更是预期 较高。该项目即将挂网运行。 另外，上市公司永鼎股份于去年12月22日发布公告，投资7200 万元成立苏州力鼎新材料有限公司，从事超导线材和超导设备的研发。据知情人士介绍，永鼎股份很可能进军第二代高温超导线 材，其技术团队可能主要来自美国橡树岭国家实验室（ORNL， 该实验室是美国从事第二代高温超导材料研发的主力军。 另一家涉足超导的上市公司是汉缆股份。汉缆股份控股英纳超导 51%的股权。英纳超导成立于2000年9月，是中国第一家实现 第一代高温超导线材产业化的公司，其生产的高温超导线材已装 备在我国第一台超导电机和第一台35kv高温超导限流器上。 2008年，由公司提供超导线材的35kV/90MVA饱和铁心型超导限 流器在昆明220kv普吉变电站成功挂网运行。 其中，去年11月份刚刚登陆深圳中小板的汉缆股份成为国内超导行业的生力军，持有英纳超导51%股权。同时，百利电气和永 鼎股份去年也相继披露拟投资超导项目，其中百利电气去年7月非公开发行股票募资不超过10亿元，其中投资约3亿元用于超 导限流器项目；永鼎股份去年12月现金出资人民币7200万元设
SFCL（超导故障限流器）在直流输电系统中对换相失败的影响摘要：本文主要阐述了在直流输电系统中，超导故障限流器（SFCL）对换相失败的影响。在以晶闸管作为基本换流单元的HVDC中，换相失败是不可避免的，大部分的换向失败是由于逆变侧电压畸变引起的，当交流系统恢复正常状态时，换相失败就会消除。然而连续的换向失败会导致换流站停止运行。影响换相过程的主要因素有熄弧角欲量，换相电抗和故障电流水平。SFCL 能够限制流过换流器的故障电流继而使直流输电系统快速恢复正常运行状态。本文基于一个实际的直流系统，建立较详细的仿真模型证明SDCL 应用在HVDC系统中，能够减小发生换相失败的几率。 定相换向失败,电流电源转换器(CSC),高压直流(HVDC)、超导故障电流限制器(拓扑),传输系统。 I.介绍 高压直流(HVDC)输电被广泛公认为便于长距离大容量电力输送、异步互连,长久的海底电缆。直流输电在全球范围内致力于或正在考虑的项目数量虑近年有所增加,反映出在这个成熟的技术有新的兴趣[1]。然而,换相失败在直流输电系统是很常见的动态事件。换相失败是一个不利的动态事件,一个转换器阀,应该关掉继续进行不转移其电流到下一个阀在序列。失败的换相过程在直流转换器是一种严重的故障,主要是由于交流侧故障最终导致电压迅速下降[2]。换相失败导致在一个临时中断传输功率和还增大了转炉设备的压力。它还可以偶尔会引发严重的瞬态如系统共振,会导致长时间停电[3]. 这个换相过程是受换向电抗,直流电流水平,普通的换相触发角,临界变换角度、在故障状态的电流变化率。换相电抗是影响换向失败最主要因素。第二个因素是,在故障状态的电流变化率。减少换相失败对直流输电系统影响的一个解决方案是使用超导故障电流限制器(SFCL)。这个解决方案不是放大整流电抗在稳定状态。它减少了故障电流到一个较低的水平通过转换器的动态状态。 一个电阻性的SFCL影响在换相失败了一个案例研究进行直流模型,包括一个80千伏电流来源转换器(交流电源)在韩国济州岛的直流输电系统。换相失败是一个短期的瞬变现象,电磁暂态仿真程序是适合这个研究。本文使用了电力系统计算机辅助设计/电磁瞬态包括直流(PSCAD / EMTDC软件。 II. SFCL建模和直流输电系统 A. SFCL建模 由于 SFCL的快速限流能力阻止了短路电流的增加。结构简单的电阻(无感绕组)性质的 SFCL在图1表示出来。 包含稳定器阻力的第n个单元的区域,Rns,超导体电阻的第n个单元,它和Rns 平行连接,线圈电感Rns的第n个单元,Ln。下标n表示数量的系列连接模块 [4]-[6]。在稳定状态的 Rns 和 Rnc的值为零。然而,他们由于其独特的特点在