10kV10kA超导限流式真空直流开断技术及其实验研究.docx

研究背景柔性直流输电技术是构建灵活、坚强、高效电网和充分利用可再生能源的有效途径，正在朝着多端高压直流输电网络的方向发展。多端高压直流输电网需要大量直流断路器来及时切除故障线路为其提供保护。由于直流系统不存在电流自然过零点，开断难度大，且直流短路故障上升速度快，电流峰值高，对直流断路器的开断能力提出了严苛要求。电阻型超导限流器无需检测短路电流，可以自动、快速(VIms)限制短路电流，人工过零型真空直流断路器具有设备成本低、动作速度快的优点，将两者组合可满足柔性直流输电系统对直流断路器的要求。文章要点本文提出了一种超导限流式真空直流开断方案，由电阻型超导限流器与人工过零型真空直流断路器串联组成。首先分析了所提出的直流开断方案，然后设计了IOkV/1OkA样机，最后利用IOkVLC振荡回路进行了直流开断实验，预期电流峰值为10kAo实验结果表明：超导限流模块可将10kA短路电流在1ms内限制至1.4kA,与之串联的人工过零型直流开断模块在12ms内开断限流后的短路电流。图1所示为超导限流式真空直流开断技术原理图。由超导限流模块和开断模块串联而成。超导限流模块由超导带材和电阻并联组成。超导限流模块可以限制短路电流幅值，限制后的短路电流可以由真空直流断路器进行分断。开断模块由真空断路器构成的机械断路器与振荡换流支路并联组成。振荡换流支路由预充电的振荡电容、振荡电感和振荡开关串联组成。由开断模块开断额定电流，以及开断超导限流模块限制后的短路电流和过载电流。图1超导限流式真空直流开断技术原理图利用LC振荡回路对超导限流式真空直流开断技术进行实验验证。振荡回路产生直流IOkV/10kA预期短路电流。直流超导模块额定电压为IOkV,额定电流225A,带材长度180m。图2所示为超导限流式真空直流开断技术开断直流IokV/10kA的实验结果。在86ms时刻，主合闸开关闭合，电源电容放电，电源电流I迅速上升。由于电源电流很快超过带材的临界电流，超导带材迅速失超(<1ms),限制电源电流。超导带材将电流峰值由预期值10.8kA限制至1.4kA。由于超导带材失超后等效于一可变电阻，此时电源电流I变为过阻尼振荡，在峰值过后逐渐衰减。89ms时刻真空断路器打开产生电弧，由于电弧电压远低于电源电压，故图中未见真空断路器两端电压发生变化。95.2ms时刻，电源电流下降至0.68kA,此时换流振荡支路开关闭合，换流支路电容放电，向真空开关支路注入反向电流。随后换流支路电流快速上升，迫使真空开关支路电流在95.4ms时过零，电弧熄灭，此时真空开关两端电压跳变为换流支路两端电压。随着换流支路电容的继续放电，其反向电压减小，然后被逐渐正向充电，真空开关两端电压持续上升。103ms时刻，反向换流支路电流衰减至零附近，整个开断过程结束。之后换流支路电容与电源隔离，真空开关两端电压等于换流支路电容上的剩余电压，为7.5kV0当预期电流峰值为10.8kA时，真空开关两端剩余电压值小于电源电容预充电电压，也小于换流支路电容的直流耐压。换流支路开断后支路电流与开关电压未见振荡，说明此时超导电阻已经大于由电源电容、电感与换流支路电容、电感组成的回路之临界电阻。由此可见，超导限流模块不仅可以有效抑制地过电压,同时可以在开断过程中吸收系统内储存的能量，更易于直流电流的开断，并且提高开断过程的可靠性。主合同闭合反向电流投入，产生过零点859095100105110Time （ms）>d) S-O>6 4 2 02 10 (VUJURnO在超导限流器模块的失超阶段，短路电流呈现先上升至峰值而后逐渐下降的趋势，与使用电阻限流时短路电流在峰值后均匀下降的趋势不同。原因是失超过程中，限流器中超导线圈的电阻会随着电流密度和温度而变化，而直流断路器可靠性验证时使用的电阻串阻值固定，受温度变化的影响不大。投入反向电流后的回路电流变化现象也由此原因导致。这也说明，超导线圈失超后的电阻受电流密度和温度的作用较为明显。3剩余电压"7.5kV-8图2超导限流式真空直流开断技术开断直流IOkV/IOkA的实验波形图主要结论本文提出了一种超导限流式真空直流开断技术，采用电阻型超导限流器与人工过零真空直流断路器串联方案，该方案具有以下优点：1）利用电阻型超导限流器将10.8kA短路电流限制至1.4kA,利用真空直流断路器在12ms内可靠开断限流后的短路电流，实现了IOkVZlOkA的短路电流开断。2）除限制短路电流水平外，超导限流器还能吸收系统内储存的能量，起到抑制过电压的作用，开断过程中不产生过电压，增加了开断可靠性。3）由于超导限流器限制了短路电流，真空直流断路器所需开断的电流减小到预期开断短路电流的14%,有利于降低真空直流断路器的成本和尺寸，使设备更加紧凑。超导限流直流开断技术研究摘要柔性直流系统、船舶直流系统和轨道交通直流牵引系统普遍存在短路故障电流幅值大、上升率高以及现有直流断路器难以快速可靠开断的问题。超导限流直流开断技术利用高温超导带材的快速限流特性，在短路故障发生后ImS内自动反应，将短路故障电流限制到较低幅值，极大地降低了直流断路器的开断难度和负担。该文首先介绍了直流超导限流器的限流特性，然后研究三种超导限流直流开断技术：超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流开断技术。仿真分析200kV30kA超导限流自激振荡直流开断过程,完成了IOkV/IOkA超导限流强迫过零直流电流开断试验和55V/55A超导限流混合式直流电流开断试验。目前,直流系统普遍存在短路故障电流幅值大、上升率高且难以开断的问题,如柔性直流系统短路故障电流可在几毫秒内上升到几万安培。系统发生短路故障时，系统电压骤降，需要快速可靠地开断短路电流防止其对系统和换流站造成损害。随着船舶向大型化和自动化方向发展，船舶动力系统的容量也越来越大，单机容量随之增大，使舰船直流系统的短路故障电流迅速增大，目前可达几十万安培。轨道交通直流牵引系统的供电容量不断增大，使短路故障电流可在几亳秒上升到几十万安培。直流系统短路故障电流幅值大、上升率高，直流电弧无自然过零点，能量连续，使得直接开断十分困难。超导限流器（SUPerCOndUCtingFaultCurrentLimiter,SFCD在直流输配电系统中能限制直流电压的下降和直流电流的激增。超导故障限流器有多种结构，包括电阻型、电抗型、桥路型、饱和铁心型和变压器型等。根据限流方式的不同，直流超导限流器通常分为电阻型超导限流器和电感型超导限流器。电感型超导限流器，只能限制直流系统故障电流上升率，不能限制故障电流幅值。电阻型超导限流器既能限制故障电流上升率，又能限制故障电流幅值。电阻型超导限流器反应迅速，可在ImS内反应，并将短路电流限制到较低水平。有学者通过仿真研究了两种超导限流器在直流系统的限流效果。指出电感型超导限流器可有效地抑制直流线路故障电流及初始电流上升率，但无法从根本上避免换流站闭锁。而采用电阻型超导限流器限流时，虽然故障发生ImS内故障电流上升率较快，但之后电流基本稳定在较低水平，未超过换流器阈值电流，避免了换流站闭锁。电阻型超导限流器通常由高温超导带材绕制的线圈组成，利用超导材料的失超电阻来限流。电阻型超导故障限流器在直流系统正常运行时，超导限流器处于超导态，不产生额外的功率损耗。当直流故障发生后，故障电流超过超导的临界电流，超导立即失超，变为大电阻，快速消耗能量，有效降低直流线路过电流，遏制电压下降。有学者认为在上述限流器中，电阻型超导限流器是直流系统中最好的选择。电阻型超导限流器不仅可以限制故障电流，同时可以补偿柔性直流系统中的电压降。其失超后成阻态，可形成过阻尼电路，防止故障电流振荡。电阻型超导限流器集检测、转换、限流于一身，并且具有通态损耗极低、响应速度快、限流程度深的优势，是目前直流超导限流器的研究热点。B.Li和PChang等认为电阻型超导限流器是高压直流输电系统和柔性直流输电系统中最合适的选择。西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室智能电器装备与系统团队分别研究了电阻型超导限流器与气体直流断路器、真空直流断路器和混合式直流断路器配合实现直流短路故障电流开断的技术。本文介绍的超导限流直流开断技术包括超导限流自激振荡式直流开断技术、超导限流强迫过零式直流开断技术和超导限流混合式直流开断技术，适用于中高压直流系统。超导限流自激振荡式直流断路器将超导限流与气体直流断路器串联，其中的气体直流断路器采用自激振荡直流开断方式，利用气体电弧的负电阻特性和不稳定性与并联的电容、电抗产生自激振荡电流，建立人工过零点开断直流电流。超导限流强迫过零式直流断路器将超导限流与真空断路器串联，真空断路器通过并联的预充电电容放电，产生人工零点开断直流电流。超导限流混合式直流断路器将超导限流与混合式直流断路器串联，混合式直流断路器利用电力电子器件开断直流故障电流。本文综述了超导限流直流开断技术，通过实验和仿真分析不同超导限流直流开断技术的工作过程和原理。本文分析了电阻型直流超导限流器限制直流短路故障电流的特性，并且介绍了超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流断路器的工作原理、开断过程和配合特性。框架断路器IiVD7VD3 $区HVDPL-3VD4可调电阻3rh- h通压探头:超导带材示波器可调电感（摩信tJ霍尔电路传感器图1超导带材限流特性测试电路图9超导限流式真空直流开断样机电路拓扑图10超导带材绕制盘结论本文针对直流系统短路故障电流幅值高、上升率大的问题，提出采用超导限流直流开断技术解决。本文分析了三种超导限流直流断路器，分别为超导限流自激振荡式、超导限流强迫过零式和超导限流混合式直流断路器的工作原理、开断过程和配合方式。仿真分析了200kV30kA超导限流自激振荡开断过程，完成了10kV10kA超导限流强迫过零直流电流开断试验和55V/55A超导限流混合式直流电流开断试验。本文介绍的超导限流直流开断三种方式与机械式直流开断技术相比，具有开断容量大、开断过电压低和可靠性高、系统其他设备不用承受过大短路电流冲击,能减少其他设备的成本和体积的优势。超导限流直流开断技术与混合式直流开断技术相比，具有通态损耗低、系统短路故障电流幅值和上升率低、开断过电压低、能提高设备运行的稳定性及可靠性的优势。为了满足直流输电快速发展的需求，对于超导限流器，应进一步关注其绝缘特性；对于自激振荡式开断单元，应进一步优化，加快电弧振荡过程并降低燃弧时间；对于强制过零开断单元，重点应优化振荡回路参数，以及提升其在小电流情况下的开断能力；对于混合式开断单元，重点应提高机械开关操控速度及提升换流速度，减少串并联电力半导体器件数量，提高设备运行的可靠性。