感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的研究

摘要

高温超导体有着广阔的应用前景，感应屏蔽型高温超导电流故障限制器可能是最先获得应用的项目之一。它由外侧的初级铜绕组、中间的高温超导圆筒和内侧的铁芯同心配置而成，被冷却至液氮温度，并作为一种非线性元件串联在电网里。在额定工作状态下，限流器的阻抗很小，对电网的影响很小；在故障状态下，限流器的阻抗将会突然增加，将故障电流限制在允许值之下。感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的应用，能显著提高电网的稳定性和可靠性、改善电能质量、降低电网的建设成本和改造费用并提高电网的输送容量。 根据感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的工作原理，本文提出了感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的一整套设计方法。在限流器的设计过程中，提出了限流器的适用电网额定功率与限流器中超导圆筒性能参数的关系：感应屏蔽型超导限流器的适用电网额定功率随着限流器的限流倍数、超导圆筒的临界电流密度、磁通流动状态的电阻率、超导圆筒的半径、高度和厚度等参数的增加而增加。该关系式可以指导设计者首先对限流器的核心部件—超导圆筒进行合理的设计，然后根据电网的额定运行状态和限流要求，设计限流器的初级绕组和铁芯，使限流器的性能满足用户的需求。 本文通过建立的故障电流限制器测试装置，对研制出的感应屏蔽型高温超导故障电流限制器模型机的各项性能进行了测试。故障电流限制器模型的静态测试实验表明，在限流器的额定运行状态下，限流器的阻抗很低；在故障状态下，限流器的阻抗增加了近一个数量级；由限流器的静态测试实验还得到了限流器的开关电流Isw，给出了限流器正常运行时的额定电流In范围，即In应当小于Isw。限流器模型机的动态测试实验表明，故障电流限制器模型机能够在回路发生故障时将短路电流限制在额定电流的5～10倍左右。在故障发生的初期，超导圆筒处于磁通流动状态，随着故障时间的延长，超导圆筒的温度和电阻率上升，限流器的阻抗不断增加。研究表明，感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的恢复时间是升温后的超导圆筒的温度恢复到额定状态时所需要的时间，处于液氮冷池之中的限流器恢复时间大约为3秒左右。在超导圆筒电磁特性测量的实验中，利用Rogowski线圈和霍尔传感器对超导圆筒的临界电磁性能进行测试，得到了超导圆筒的临界电流，并用线性磁扩散理论解释了超导圆筒中心轴向磁场的相位随外加交变磁场的幅值变化而变化的现象。超导圆筒的热学测试结果表明，处于液氮冷池之中的有银皮包套的超导圆筒在电流加载阶段没有明显的温升，而没有银皮包套的超导圆筒则有明显的温升现象。 加载电流撤去后，超导圆筒的温度恢复大约需要4秒钟，与限流器模型机动态测试实验中限流器的恢复时间相近似。 为了降低感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的重量，首次将闭环铁芯和开环铁芯限流器模型的限流效果进行了比较。结果表明：对于N=150匝的1＃开环铁芯限流器模型，故障电流的首个周波峰值为35A，限流倍数为5.8倍；而对于N=150匝的2＃闭环铁芯故障电流限制器模型，故障电流的首个周波峰值为30A，限流倍数为5倍。2＃闭合铁芯故障电流限制器的第一峰值的阻抗也比1＃开环铁芯故障电流限制器的要大，分别为1Ω和0.86Ω，闭合铁芯故障电流限制器对故障电流的限制能力比开环铁芯故障电流限制器稍强。由于在闭合铁芯故障电流限制器中使用了闭合的铁芯，整个限流器的重量将是开环铁芯故障电流限制器的3倍，限流器的体积也增加了很多，这不仅提高了整个限流器的低温冷却要求和冷却运行费用，而且增加了限流器的安装难度。在相同的条件下，闭环铁芯限流器和开环铁芯限流器的限流效果相近，所以，在满足电网限流要求的基础之上，感应屏蔽型故障电流限制器采用开环铁芯将会获得更优的经济性能。 通过建立铁芯材料的数学模型和感应屏蔽型高温超导故障电流限制器故障期间在电网中的电压方程，采用Matlab等工具软件对闭环铁芯的限流器进行了仿真计算，计算的结果与限流器动态测试的结果符合很好。计算结果明确指出，限流期间故障电流峰值的不断下降是由于超导圆筒的电阻率的升高而引起的，而电阻率的升高源于超导圆筒内部焦耳热的产生和超导圆筒温度的提高。 本文利用有限元分析的方法，使用ANSYS分析软件，分析了感应屏蔽型高温超导故障电流限制器在故障期间的热学和电磁学特性，分析结果与实验测试结果相近。使用有限元分析的方法，还可以模拟出感应屏蔽型高温超导故障电流限制器在故障期间的限流过程，为全面地研究感应屏蔽型高温超导故障电流限制器提供了一个新的分析手段。分析结果也表明，感应屏蔽型高温超导故障电流限制器故障后的恢复时间就是超导圆筒的温度恢复到额定工作状态时所需的时间。 从提高故障状态下限流器阻抗的角度出发，本文分析了开环铁芯限流器模型机的初级铜绕组和铁芯的几何尺寸对限流器性能的影响。分析结果表明：在不明显改变中心磁场强度的情况下，初级铜绕组形状小范围内的变化主要是改变了导线的展开长度，从而影响了限流器的额定阻抗和故障阻抗。当开环铁芯的长度很小时，限流器模型的阻抗很小，随着铁芯长度的增加，限流器模型的阻抗很快增加；但当开环铁芯的长度超过0.2m后，继续增加开环铁芯的长度，限流器模型的阻抗没有明显的增加，故障电流基本稳定，减小幅度很小。对于开环铁芯感应屏蔽型高温超导故障电流限制器，在满足限流效果的基础之上，可以通过选择最佳的铁芯长度，对限流器的性能进行优化。 本文设计了一个经过优化的开环铁芯4.5kV/100A级感应屏蔽型高温超导故障电流限制器，此限流器的铁芯长度为2m，可将故障电流限制在额定电流的11倍左右。结果表明，利用本文提出的设计方法，设计出实用的感应屏蔽型高温超导故障电流限制器是切实可行的。该设计过程可以作为感应屏蔽型高温超导故障电流限制器设计的一般指导。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1超导电现象

1.1.1超导的发展概况

1.1.2高温超导体的结构与特征

1.1.3高温超导体的应用

1.2电力系统概述

1.2.1电力系统的构成

1.2.2电力系统中的保护装置

1.2.3故障电流限制器的技术要求

1.3高温超导故障电流限制器

1.3.1高温超导故障电流限制器发展简介

1.3.2高温超导故障电流限制器的种类

1.3.3高温超导故障电流限制器的作用

1.3.4高温超导故障电流限制器前景和展望

1.4论文的主要研究内容

第二章感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的原理和设计

2.1感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的原理

2.1.1额定工作状态

2.1.2故障时的限流状态

2.1.3感应屏蔽型SFCL故障状态的等效回路

2.2感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的设计参数

2.2.1限制电流和临界屏蔽磁场

2.2.2限制阻抗和额定阻抗

2.2.3交流损耗

2.2.4恢复时间

2.3限流器设计容量与超导圆筒参数的关系

2.4感应屏蔽型超导限流器设计的一般步骤

2.5本章小结

第三章感应屏蔽型高温超导故障电流限制器的性能测试

3.1 30V/10A感应屏蔽型故障电流限制器模型机的构成

3.2故障电流限制器的性能测试系统

3.2.1限流器性能测试系统的电源及外部设备

3.2.2限流器性能测试系统的数据采集部分

3.2.3限流器性能测试系统的工作原理

3.2.4限流器性能测试系统的软件设计

3.3感应屏蔽型故障电流限制器的静态测试

3.3.1开环铁芯限流器模型机的静态测试

3.3.2闭环铁芯限流器模型机的静态测试

3.4感应屏蔽型故障电流限制器的动态测试

3.4.1开环铁芯限流器模型机的动态测试

3.4.2闭环铁芯限流器模型机的动态测试

3.4.3故障状态时超导圆筒的电阻率及铁芯有效磁导率计算

3.4.4故障状态后限流器的恢复

3.5超导圆筒电磁特性测试

3.5.1实验原理及测试装置

3.5.2交变磁场下超导圆筒电磁测试结果

3.5.3脉冲磁场下超导圆筒电磁测试结果

3.6超导圆筒的热学性能测试

3.7本章小结

第四章感应屏蔽型故障电流限制器限流特性的仿真计算

4.1感应屏蔽型故障电流限制器故障期间的仿真计算

4.1.1限流器铁芯材料数学模型的建立

4.1.2故障状态下限流器的电压的方程

4.1.3应用Matlab进行数值计算

4.2本章小结

第五章感应屏蔽型故障电流限制器的有限元热和电磁分析

5.1故障期间关于超导圆筒的有限元热学分析

5.1.1故障期间含有银皮包套的超导圆筒热学有限元分析

5.1.2模型的建立和分网

5.1.3超导圆筒中电流的分配和热生成率的载荷加载

5.1.4设定暂态分析的载荷步并求解

5.1.5没有银皮包套的超导圆筒热学有限元分析

5.2故障期间故障电流限制器的电磁特性有限元分析

5.2.1故障期间故障电流限制器模型的建立

5.2.2故障期间故障电流限制器电磁特性有限元分析结果

5.2.3故障期间超导圆筒的电阻率对限流效果的影响

5.3本章小结

第六章感应屏蔽型故障电流限制器的优化设计

6.1感应屏蔽型故障电流限制器模型的优化

6.1.1初级铜绕组截面形状的优化

6.1.2铁芯长度的优化

6.2 4.5kV/100A级感应屏蔽型故障电流限制器的设计和优化

6.2.1 4.5kV/100 A级感应屏蔽型故障电流限制器模型的设计

6.2.2 4.5kV/100A级感应屏蔽型故障电流限制器模型的优化

6.3本章小结

第七章主要结论

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间发表的论文