并聯(lián)電感限流斷路器的限流特性

并聯(lián)電感限流斷路器的限流特性論文導(dǎo)讀：：并聯(lián)電感限流斷路器是一種新型短路故障保護(hù)器件，它由無(wú)感耦合并聯(lián)線圈、保護(hù)電阻、與線圈串聯(lián)的輔助斷路器和主斷路器以及控制回路組成。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)超導(dǎo)線圈有電感耦合特性，呈現(xiàn)的等效電阻很小，整個(gè)裝置處于低損耗狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，輔助斷路器打開(kāi)，并聯(lián)電感解耦，阻抗增加，提高主斷路器的開(kāi)斷能力，主斷路器斷開(kāi)，有效切斷故障電流。為檢驗(yàn)該限流器的有效性和可行性，進(jìn)行MATLAB/Simulink仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果與理論分析是一致的，這對(duì)下一步開(kāi)展并聯(lián)電感限流器在實(shí)際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。論文關(guān)鍵詞：1引言隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力需求的日益增大，電力系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)大，使得電力系統(tǒng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，電網(wǎng)之間的電氣聯(lián)系程度日益緊密，電網(wǎng)短路功率及短路電流也相應(yīng)增大。為了保證穩(wěn)定、安全的輸送大容量和高質(zhì)量的電能，斷路器和其他開(kāi)關(guān)等設(shè)備必須滿足高短路電流帶來(lái)的更嚴(yán)格的要求。通常限制短路的電流的措施可從電力網(wǎng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行方式和設(shè)備三方面考慮。雖然更換斷路器以及相關(guān)電氣設(shè)備是一種方案［1］，但有以下問(wèn)題：①更換設(shè)備投資巨大；②在更換設(shè)備器期間，電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性大大降低；③目前合乎容量要求的設(shè)備，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，設(shè)備容量就可能不能滿足短路電流水平了。因此，快速限制故障大電流已經(jīng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)極其緊迫的問(wèn)題。目前開(kāi)發(fā)的各種故障電流限制器中，利用電力電子開(kāi)關(guān)的“固態(tài)限流器”和利用超導(dǎo)技術(shù)⑵超導(dǎo)限流器”是2條發(fā)展主線，二者均有多種形式的研究成果?；趯?duì)限流器的探索工作，并結(jié)合前期對(duì)限流斷路器的研究［3-10］，華中科技大學(xué)超導(dǎo)電力科學(xué)研究與發(fā)展中心提出了一種并聯(lián)電感超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)方案，該型限流器融合了電力電子器件、現(xiàn)代控制技術(shù)及超導(dǎo)材料，能夠靈活快速地動(dòng)作進(jìn)行限流，且具有故障電流水平可控及動(dòng)作過(guò)程中超導(dǎo)體不失超的特點(diǎn)。本文介紹了并聯(lián)電感超導(dǎo)限流斷路器的結(jié)構(gòu)及原理，并進(jìn)行了MATLAB/Simulink仿真，仿真結(jié)果與理論分析相符，這對(duì)下一步開(kāi)展該型限流器在實(shí)際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。2主電路及原理2.1結(jié)構(gòu)和原理圖1并聯(lián)電感故障限流器原理圖并聯(lián)電感限流斷路器的原理圖如圖1所示，它包括異名端相連的兩個(gè)超導(dǎo)線圈，與線圈并聯(lián)的保護(hù)電阻R和R，輔助斷路器S和主斷路器，組合而成。L與L分別為線圈W與W的1 2 1 2 1 2 1 2自感，M是它們之間的互感，Z是線路阻抗，Sload是電路負(fù)載。在正常狀態(tài)下，斷路器Sju.處于閉合狀態(tài)，兩線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)，耦合系數(shù)為1。線圈W和W共同承擔(dān)線路電流（I=I+I），并聯(lián)電感限流斷路器的等效結(jié)構(gòu)如圖2所示。無(wú)感耦2 s1 2合的并聯(lián)電感的等效阻抗為：電二加位』項(xiàng)（看+鳥(niǎo)+禽）⑴電感處于無(wú)感耦合狀態(tài)，因此呈現(xiàn)的等效阻抗很小，幾乎為電二加位』項(xiàng)（看+鳥(niǎo)+禽）⑴電感處于無(wú)感耦合狀態(tài)，因此呈現(xiàn)的等效阻抗很小，幾乎為0（Zcoii^0），電感上的電壓降落也很小，整個(gè)裝置處于低損耗待命狀態(tài)。圖2并聯(lián)電感故障限流器的等效電路假設(shè)并聯(lián)電感的耦合系數(shù)和變比分別定義為I皿爭(zhēng)E和八而上,阻抗可表示為z_抑頃*護(hù)函L擇+2切+1。當(dāng)k無(wú)限接近1時(shí)，Zcoi］幾乎為0,此時(shí)兩保護(hù)電阻被視為“短路”。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，系統(tǒng)電流Is陡增，在輔助斷路器，動(dòng)作之前，無(wú)感耦合的第一線圈W與第二線圈W仍然共同承擔(dān)故障電流，但并聯(lián)電感的分流減小了輔助斷路器S的開(kāi)斷TOC\o"1-5"\h\z1 2 1容量，提高了其開(kāi)斷能力，在輔助斷路器S1動(dòng)作，并聯(lián)電感的第一線圈W被開(kāi)斷后，并聯(lián)電感解耦，阻抗大大增加，減小了主斷路器.的開(kāi)斷容量，提高了開(kāi)斷能力，從而保證有效地切斷故障電流。并聯(lián)電感限流斷路器的限流阻抗觸發(fā)來(lái)限制故障電流，可表示為：& & （2）4和孟分別表示第一線圈和第二線圈各自的靜止故障電流，它們之間的相互關(guān)系可表示為：￡ 件M廣聲M⑶由等式（2）（3）知，限流阻抗可寫成電阻R和日的作用是保護(hù)第一線圈和第二線圈。當(dāng)S斷開(kāi)后，感應(yīng)電流突然中斷，會(huì)引起12 1過(guò)電壓損壞兩個(gè)線圈，*投入后，如果兩端的電壓一旦超過(guò)其閾值時(shí)，*將轉(zhuǎn)換為低阻抗。然后，L和R組成持續(xù)回路，開(kāi)關(guān)過(guò)電壓將會(huì)消失。隨著過(guò)電壓的消失，R會(huì)轉(zhuǎn)換成高阻抗12 1狀態(tài)。當(dāng)S2斷開(kāi)后，故障消除，R2將發(fā)揮著同樣的作用。2.2參數(shù)設(shè)計(jì)從故障發(fā)生到輔助斷路器S］斷開(kāi)，第一線圈和第二線圈共同承擔(dān)著故障電流。S］的開(kāi)斷電流Ib和故障電流If的關(guān)系可表示為：W山函餌f驀州⑷由k和n的表達(dá)式知Icb與If的比例關(guān)系可以改寫為項(xiàng)七二牌+1）"+2隊(duì)V）。因此，

調(diào)整k和n的值可改變I,且S的開(kāi)斷容量就能靈活的設(shè)計(jì)。改變n和k的值對(duì)I與I的cb 1 cb sf比值的影響如圖3所示。從圖中得知隨著n的增加比值將逐漸減小。當(dāng)n=1時(shí)，比值為0.5且保持不變，即改變k值對(duì)它沒(méi)有影響。假設(shè)n>1,隨著k值的增大比值將會(huì)增大。Mj *Mj * 1 1 ■BJi—V■-> :■- -■-iM 1 1 1 1 fl I 2 5 』 ￡圖3改變變比n和耦合系數(shù)k的值對(duì)Ib與If的比值的影響如圖4所示，改變k和n的值對(duì)耦合線圈阻抗的影響也做了研究?？梢钥吹诫S著n值的增大阻抗Zsfcl將會(huì)增大。假設(shè)k=0.98，盡管阻抗的增加趨勢(shì)不如另外兩條曲線明顯，但是增加n對(duì)無(wú)感耦合特性的影響仍然需要考慮。Q.5Jg『監(jiān)D.I圖4改變變比n和耦合系數(shù)k的值對(duì)耦合線圈阻抗Zsfcl的影響這種新型無(wú)感耦合并聯(lián)電感限流斷路器的并聯(lián)耦合線圈所用的材料均為超導(dǎo)材料，它的主斷路器或輔助斷路器為電力電子開(kāi)關(guān)或PWM變流器。它具有三個(gè)主要特點(diǎn)：（1）具有無(wú)感耦合特性；（2）具有靈活的開(kāi)關(guān)開(kāi)斷容量控制設(shè)計(jì)；（3）具有對(duì)主電路斷路器和故障電流限制器的組合。在限流阻抗觸發(fā)前，通過(guò)主電路斷路器的電流比故障電流要小的多，在n=1的情況下改變k值比值保持在0.5左右。因此，比較其他僅僅具有主斷路器系列的超導(dǎo)故障限流器，這種新型無(wú)感耦合并聯(lián)電感故障限流斷路器在故障發(fā)生的初始時(shí)間內(nèi)能減小主斷路器的負(fù)擔(dān)，此外，由于兩條路徑的故障電流通過(guò)，減少了超導(dǎo)元件發(fā)生損壞的可能性。在這種限流器的限流操作下，故障電流將會(huì)被抑制在某一確定的電流下由主電路斷路器斷開(kāi)回路。在短路電流比現(xiàn)有可用的中斷斷路器容量大的電力系統(tǒng)中是很重要的。3仿真分析具有FCL的系統(tǒng)仿真是采用矩陣實(shí)驗(yàn)室（MATLAB/Simulink）完成的。仿真系統(tǒng)如圖5所示，系統(tǒng)電源為一單機(jī)無(wú)窮大電源，110KV等級(jí)。系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：①理想電源：耳=11邙/的sin芯/，工頻了=5Q店；②并聯(lián)線圈七和W「二上二沁海，沮=7&汕，擊二。.98；③保護(hù)電阻％和r?：氏=&T5C；④輸電線路：R遍二芝6Q知二1&愈；⑤負(fù)載：％=75岫+削小過(guò)。圖5并聯(lián)電感限流斷路器仿真模型為了更好的觀察分流和限流效果，輔助斷路器si與主斷路器S2的開(kāi)斷時(shí)間與實(shí)際相比均有一定的延時(shí)。故障前系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，t=0.026s時(shí)，系統(tǒng)在負(fù)載端發(fā)生接地短路故障，t=0.076s時(shí)，輔助斷路器S］開(kāi)斷，t=0.116s時(shí)，主斷路器S?開(kāi)斷。如圖6所示為并聯(lián)電感的第一線圈W與第二線圈W兩端的電壓降落U與U，由圖可知，在1 2 w1 w2輔助斷路器S開(kāi)端之前，由于并聯(lián)電感處于無(wú)感耦合狀態(tài)，其兩端的電壓降落幾乎為0，故系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)裝置的損耗很低。輔助斷路器，］開(kāi)斷之后，并聯(lián)電感解耦，阻抗增大，第二線圈W成為系統(tǒng)的主要阻抗，故電感上的電壓降落接近于系統(tǒng)電抗。圖中U與U反向是2 w1 w2因?yàn)椴⒙?lián)電感的異名端相連。如圖7所示，細(xì)實(shí)線表示系統(tǒng)電流Is，粗虛線表示輔助斷路器電流孔。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流峰值為1.6KA，短路期間，故障電流的瞬時(shí)峰值最大達(dá)到13.9KA（r9In，J為線路的額定電流），若只使用一個(gè)斷路器來(lái)開(kāi)斷短路電流，則該斷路器的開(kāi)端容量至少需要14KA，而由圖可知，由于并聯(lián)電感的分流作用，流過(guò)輔助斷路器S/勺電流只有系統(tǒng)短路電流的一半，故障斷路器的開(kāi)斷容量可以減少一半，其開(kāi)斷能力得到顯著提高。TOC\o"1-5"\h\z如圖8所示，細(xì)實(shí)線表示系統(tǒng)電流I，粗虛線表示主斷路器電流I。在輔助斷路器S開(kāi)斷、s 2 1并聯(lián)電感解耦之前，并聯(lián)電感起分流作用（i=i+i），在輔助斷路器S開(kāi)斷，并聯(lián)電感解s12 1耦后（t>0.08s），系統(tǒng)的故障電流全部由主斷路器S來(lái)承擔(dān)（1=1），但由于并聯(lián)電感的2 s2解耦，裝置阻抗大大增加，進(jìn)入限流狀態(tài)，故障電流得到有效降低，峰值最大只有3.6KA

從而可(^2.3In)，故主斷路器S2的開(kāi)斷容量可以大大降低，其開(kāi)斷能力得到顯著提高，以有效地完全切斷故障電流，達(dá)到顯著的限流效果。從而可圖6并聯(lián)電感線圈兩端的電壓q圖6并聯(lián)電感線圈兩端的電壓q1和氣0 0.05 0.1 0.15 0.2Time(s)圖7并聯(lián)電感限流斷路器的輔助斷路器電流I和系統(tǒng)電流I-201-201 1 1 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2Timefs)圖8并聯(lián)電感限流斷路器的主斷路器電流I2和系統(tǒng)電流Is4結(jié)論本文中所提出的并聯(lián)電感故障限流斷路器作為一種新型大容量短路保護(hù)器件，克服了現(xiàn)有斷路器開(kāi)斷能力的不足，利用無(wú)感耦合并聯(lián)電感的分流來(lái)減小輔助斷路器的開(kāi)斷容量，利用并聯(lián)電感解耦后的限流來(lái)減小主斷路器的開(kāi)斷容量，提高了斷路器的開(kāi)斷能力，使之可以迅速切斷大容量的短路電流。此種并聯(lián)電感限流斷路器并聯(lián)的第一線圈與第二線圈所用材料均為超導(dǎo)材料，與之并聯(lián)的保護(hù)電阻采用可調(diào)電阻，主斷路器或者輔助斷路器為電力電子開(kāi)關(guān)或者PWM交流器。對(duì)于本文提出的這種并聯(lián)電感結(jié)構(gòu)，目前還只是處于理論分析和仿真階段，仿真得出的結(jié)果是理想的，并沒(méi)有考慮PWM調(diào)制時(shí)的死區(qū)等問(wèn)題，其波形分析必然和實(shí)際波形的有一定的差距。當(dāng)采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的時(shí)，系統(tǒng)的保護(hù)問(wèn)題、啟動(dòng)問(wèn)題等等很多具體問(wèn)題都沒(méi)有考慮，因此后續(xù)工作還有進(jìn)一步改進(jìn)的需要。本論文所涉及的SFCL具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、裝置損耗低、運(yùn)行費(fèi)用小、限流效果好的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景。但是要做到真正應(yīng)用，還必須進(jìn)行深入細(xì)致的研究，以便更好的應(yīng)用于實(shí)際。另外，本文只是研究了有關(guān)FCL的一些方面的問(wèn)題，電力系統(tǒng)中還有很多同F(xiàn)CL相關(guān)的課題或者問(wèn)題，在日后對(duì)于FCL的更進(jìn)一步研究中，這些課題都將成為重點(diǎn)和熱點(diǎn)。相信以后隨著更多的專業(yè)人士加入研究FCL的行列，F(xiàn)CL能夠早日在電網(wǎng)中得到應(yīng)用，成為提高電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定的一項(xiàng)中堅(jiān)技術(shù)。因此，本文提出的短路電流限流器具有很大的實(shí)用價(jià)