基于PSCAD的高温超导电缆仿真模型的研究

摘要

高温超导电缆是解决电力系统输配电严峻现状的有效途径。低温环境下运行的高温超导电缆因受到系统过电流、冷却装置故障、电缆本体故障等各种扰动而失超时，电缆内会产生大量焦耳热，使其温度迅速上升，从而影响冷却装置乃至整个系统的安全运行。因此，对故障状态下的高温超导电缆的热分析是电缆安全运行的保障，也是研究失超检测和失超保护的基础。 本文从高温超导电缆的结构出发，归纳了高温超导电缆的失超特性和电磁理论与电磁参数，分析了高温超导带材的热特性，提出了高温超导电缆的暂态温度数学模型，并用Matlab和PSCAD软件进行了仿真分析。首先，归纳了高温超导电缆的材质特性，分析了影响电缆阻值的各个参数如临界电流、体积比热容、电阻率、热传导系数、带材n值等之间的非线性耦合关系，在热力学定律的基础之上提出了故障状态下高温超导电缆径向温度数学计算模型。然后，通过MATLAB软件对220 kV高温超导电缆模型进行了暂态分析，主要分析了故障状态下高温超导电缆的温度分布以及电缆阻值随温度的变化函数。最后，在PSCAD中利用Fortran语言编写高温超导电缆模块组件，建立含有高温超导电缆模块组件的电力系统仿真模型。分析了高温超导电缆稳态和暂态运行下的电流分流情况;并通过对不同故障情况的仿真分析，得到了高温超导电缆各层的温度随运行时间的变化以及电缆各层电阻随运行时间的变化。还分析了高温超导电缆在三相短路情况下超导层与屏蔽层电流的幅值关系，为高温超导电缆的失超检测和失超保护奠定基础。两种仿真结果表明高温超导电缆超导层与屏蔽层温度在系统发生三相短路时瞬间增大，但随着故障的解除而减小;超导层与屏蔽层电阻在瞬间增大之后会随温度的增大而增大。验证了文中提出的电缆温度数学模型的可行性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．1．1 选题的背景

1．1．2 选题的意义

1．2 高温超导电缆国内外的研究现状

1．2．1 高温超导电缆的运行研究现状

1．2．2 高温超导电缆失超检测研究

1．2．3 高温超导电缆的数字仿真研究

1．3 本文主要工作

第2章 高温超导电缆失超特性及电磁参数

2．1 高温超导电缆的失超特性研究

2．1．1 超导态的临界值

2．1．1 失超的产生机理

2．1．1 失超保护的必要性

2．2 高温超导电缆电感参数的计算

2．2．1 超导电缆电磁特性理论分析

2．2．2 高温超导电缆电感参数

2．3 高温超导电缆部分等效电路模型

2．4 高温超导电缆的失超因素和失超检测

2．4．1 影响高温超导电缆失超的因素

2．4．2 失超检测分析

2．5 本章小结

第3章 高温超导电缆温度模型的建立

3．1 高温超导电缆的结构

3．2 高温超导电缆的电流分布

3．3 高温超导电缆的特性材质

3．3．1 临界电流Ic

3．3．2 比热容C

3．3．3 电阻率ρ

3．3．4 带材n值

3．3．5 热传导率h

3．4 高温超导电缆的温度数学模型

3．4．1 高温超导电缆在故障状态下的径向温度数学计算模型

3．4．2 温度数学计算模型的逻辑关系

3．5 高温超导电缆轴向温度分布分析

3．6 本章小结

第4章 基于Matlab的HTS电缆模型的温升计算

4．1 Matlab的程序设计方法

4．2 故障状态下高温超导电缆的温升计算

4．2．1 高温超导电缆温度分布变化曲线

4．2．2 高温超导电缆不同参数随温度的变化

4．2．3 高温超导电缆各阻值随温度变化的曲线

4．3 超导带材电阻值随温度的变化函数

4．4 本章小结

第5章 基于PSCAD的HTS电缆模型的电磁暂态仿其

5．1 PSCAD／EMTDC软件

5．2 基于PSCAD的程序设计分析

5．3 基于PSCAD高温超导电缆的仿真分析

5．3．1 高温超导电缆稳态下的电流分布

5．3．2 高温超导电缆暂态下的电流分布

5．3．3 高温超导电缆各层温度随时间的变化

5．3．4 不同故障情况下的温度分析

5．3．5 电缆各层阻值随时间的变化

5．4 高温超导电缆的失超检测分析

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作

致谢