一种混合型磁通耦合超导故障限流器及限流方法

摘要

本发明涉及一种混合型磁通耦合超导故障限流器及限流方法，本发明中：耦合变压器的一次侧绕组线圈同快速开关相联且并入MOA氧化锌电阻片，二次侧绕组线圈同超导限流材料相串联，继而将一、二次侧绕组线圈呈反向并联后接入电力系统主回路。在电力系统正常运行时，快速开关处于闭合状态；当系统发生短路故障后，控制快速开关触发断开，耦合变压器的磁通锁定特性将解除，且超导材料因其通流大于临界电流设定而切换到高阻态，此时限流器呈现电感-电阻混合式成分进行故障限流操作。本发明的故障限流器结构简单、响应迅速，有利于降低超导限流材料在正常运行时的交流损耗，提升限流设备的系统经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统及自动化领域，尤其是涉及一种混合型磁通耦合 超导故障限流器及限流方法。

背景技术

随着社会的繁荣，经济的进步，作为国家基础产业的电力工业也以迅 猛的势头不断发展。机组单机容量、发电厂容量、城市和工业用电负荷越 来越大，加上用户对供电保障能力、供电质量和可靠性需求的进一步加大， 使得电网向更大规模演变，全国电网互联逐步形成。事实上，电力系统规 模的迅速发展及网际互联技术的应用一方面增加了系统传输容量，提高了 系统运行的灵活性，另一方面也大大增强了其自身的复杂性，而系统原有 的阻尼特性、频率特性可能都会受到影响，这也使得现代电力系统正面临 着一系列新的矛盾和问题。其中，短路电流水平的急剧增大，给电网的安 全运行带来了极大的隐患。

过大的短路电流将导致以下严重后果：1）产生高能量电弧，损坏元件； 2）冲击周围电气设备，导致其使用寿命下降；3）造成导体过热甚至熔化， 而破坏其绝缘结构；4）影响电能动态质量，系统电压大幅度下降，导致用 户供电遭到破坏；5）电力系统运行稳定性受到振荡波动，严重时带来整个 系统瓦解；6）对电力线路中的通讯线路造成电磁干扰；7）危及人身安全。

随着电网不断发展，故障电流不断增大，单纯依靠提高断路器遮断能 力不切实际，一是从技术和经济角度来看，遮断容量不可能一直提高。目 前虽然国外部分厂家能生产遮断电流达80kA的断路器，但是实际使用数量 非常少，且安全可靠性还较难得到保证；二是提高遮断容量的同时也意味 着设备造价将会上升，80kA的断路器造价约为63kA断路器的1.8倍，另外 还将涉及改造或更换现有的其他辅助设备，总的投入资金将会比较大。大 量的设备改造也会影响生产运行，由此引发的经济损失也是非常可观的。

为减轻断路器等各种电气设备的负担、提高电力系统的运行稳定性、 保证用户供电的安全可靠性及增强电能的动态质量，提出了故障限流器的 技术理念，该设备在系统正常运行时呈现低阻抗，在系统故障时表征出高 阻抗进行限流操作。

当前故障电流限制器的整体发展方向是基于新型材料及结合相关控制 技术，根据应用材料的区别，大致又可将其分为二类：一类是选用常规材 料，此类限流器的结构形式和限流机理各有特色，例如基于开关通断改变 电流路径的电流转移型，采用串补技术的串联补偿型，利用谐振原理的谐 振型以及依靠柔性交流输电技术的固态型等；另一类则是使用新型材料， 其代表类型是选取超导体的超导限流器。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种结构简单、 响应迅速，短路电流能被快速地限制在一定水平内，且耦合变压器的引入 有助于本发明在高电压等级电力系统中应用，并有利于降低超导限流材料 在正常运行时的交流损耗，提升限流设备的系统经济性的一种混合型磁通 耦合超导故障限流器。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种混合型磁通耦合超导故障限流器，其特征在于，包括耦合变压器、 与耦合变压器的一次侧绕组线圈串联的快速开关、并联在耦合变压器的一 次侧绕组线圈上的MOA氧化锌电阻片、与耦合变压器的二次侧绕组线圈串 联的超导限流材料；耦合变压器一、二次侧绕组线圈呈反向并联后接入电 力系统主回路。

在上述的一种混合型磁通耦合超导故障限流器，所述耦合变压器一次 侧绕组线圈和二次侧绕组线圈的材料为普通绕线材料，超导限流材料为高 温超导体。

在上述的一种混合型磁通耦合超导故障限流器，所述快速开关为电磁 斥力开关或电力电子固态开关。

一种混合型磁通耦合超导故障限流方法，其特征在于，基于以下定义： U_s、Z_s、Z_load分别表示等效电压源电压，线路阻抗和负载阻抗。L₁、L₂、R_moa分别表示变压器一次侧线圈W1和二次侧线圈W2的自感及MOA氧化锌电阻 片电阻，R_SFCL为高温超导电阻失超情况阻值，M为耦合变压器一次、二次 侧线圈互感。

具体操作方法如下：在电力系统主回路没有发生故障时，快速开关闭 合；在电力系统主回路发生故障时，断开快速开关，磁通耦合变压器一、 二次线圈解耦，一次侧电感线圈L₁产生高压，超过MOA氧化锌电阻片R_moa临 界电压，R_moa快速减小，与一次侧线圈L₁形成放电回路，一次侧线圈L₁过电 压得到快速抑制，高温超导电阻过流失超R_SFCL>0；此时，磁通耦合变压器 二次侧L₂与失导电阻R_SFCL串联接入系统主回路，快速抑制故障电流;故障切 除后，快速开关闭合，磁通耦合变压器恢复锁定特性，高温超导电阻R_SFCL恢 复超导状态，故障限流器恢复正常运行。

本发明在电力系统正常运行时，快速开关处于闭合状态，鉴于耦合变 压器的磁通抵消（锁定）特性及超导材料呈现低阻状态的整体效应，限流 器对系统主回路无影响；当系统发生短路故障后，控制快速开关触发断开 （MOA电阻片用以抑制可能的操作过电压），耦合变压器的磁通锁定特性将 解除，且超导材料因其通流大于临界电流设定而切换到高阻状态，此时限 流器呈现电感-电阻混合式成分进行故障限流操作。

因此，本发明具有如下优点：结构简单、响应迅速，短路电流能被快 速地限制在一定水平内，且耦合变压器的引入有助于本发明在高电压等级 电力系统中应用，并有利于降低超导限流材料在正常运行时的交流损耗， 提升限流设备的系统经济性。

附图说明

图1为本发明应用于电力系统的拓扑结构图。

图2为本发明应用于电力系统的等效电路图。

图3为本发明实例应用中超导限流材料R_SFCL的阻值切换特性，横坐标 为时间t（s），纵坐标为超导电阻R_SFCL（Ω）。

图4为本发明实例应用中故障情况下主回路电流i_s的波形图，横坐标为 时间t（s），纵坐标为电流i_s（A）；虚线为有故障电流限制器，实线无故障 电流限制器。

图5为本发明交流系统的磁通耦合变压器一、二次侧电流波形，横坐 标为时间t（s），纵坐标为磁通耦合变压器一、二次侧流过的电流iTRV（A）。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的 说明。

实施例：

由图1所示，本发明主要通过对快速开关闭合状态的控制，基于磁通 抵消（锁定）特性及超导材料低高阻态的转换，实现电感-电阻式混合限流 操作。

本发明包括耦合变压器、与耦合变压器的一次侧绕组线圈串联的快速 开关、并联在耦合变压器的一次侧绕组线圈上的MOA氧化锌电阻片、与耦 合变压器的二次侧绕组线圈串联的超导限流材料；耦合变压器一、二次侧 绕组线圈呈反向并联后接入电力系统主回路。

其中，耦合变压器一次侧绕组线圈和二次侧绕组线圈的材料为普通绕 线材料，超导限流材料为高温超导体；快速开关为电磁斥力开关或电力电 子固态开关。

基于磁通耦合变压器与超导电阻的等效电路关系，本发明应用于交流 电力系统的等效图如图2所示，U_s、Z_s、Z_load分别表示等效电压源电压，线 路阻抗和负载阻抗。L₁、L₂、R_moa分别表示变压器一次侧线圈W1和二次侧 线圈W2的自感及MOA氧化锌电阻片电阻，R_SFCL为高温超导电阻失超情况阻 值，M为耦合变压器一次、二次侧线圈互感。

系统正常运行，可控开关S1闭合状态，R_moa呈高阻态相当于开路、R_SFCL呈低阻态相当于短路，根据图2所示可以得出，混合型磁通耦合超导故障限 流器的等效阻抗：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{CT}}=\mathrm{j\omega }[(L_1+M)//(L_2+M)-M]\\ =\mathrm{j\omega }(L_1{L}_2-M^2)/(L_1+L_2+2M)\end{array}\right)---\left(1\right)$

耦合变压器变比、两侧线圈耦合率分别表示为则可 以将等式（1）表示为：Z_CT=jωL₂(1-k²)n²/(n²+2kn+1)，若等式中k趋近于或 等于0，即变压器耦合率k可以近似为1，则Z_CT≈0，因此正常情况下，混合 型磁通耦合超导故障限流器呈现低阻抗，对系统无影响。

故障情况下，可控开关S1快速开断，磁通耦合变压器一、二次线圈解 耦，一次侧电感线圈L₁产生高压，超过MOA氧化锌电阻片R_moa临界电压，R_moa快速减小，与一次侧线圈L₁形成放电回路，一次侧线圈L₁过电压得到快速 抑制，而高温超导电阻过流失超R_SFCL>0。因此，混合型磁通耦合超导故障 限流装置的阻抗值为：

$\left(\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{SFCL}}=[\stackrel{·}{I_2^{\prime }}(R_{\mathrm{YBCO}}+\mathrm{j\omega }{L}_2)-\stackrel{·}{I_1^{\prime }}\mathrm{j\omega M}]/\stackrel{·}{I_2^{\prime }}\\ =R_{\mathrm{YBCO}}+\mathrm{j\omega }{L}_2-\stackrel{·}{I_1^{\prime }}\mathrm{j\omega M}/\stackrel{·}{I_2^{\prime }}\end{array}\right)---\left(2\right)$

和分别表示耦合变压器故障情况下一、二次侧线圈电流大小，可以表示 为：

$\stackrel{·}{I_1^{\prime }}/\stackrel{·}{I_2^{\prime }}=\mathrm{j\omega M}/(\mathrm{j\omega }{L}_1+R_{\mathrm{moa}})---\left(3\right)$

基于（1）、（2）、（3）等式以及混合型磁通耦合 超导故障限流装置等效阻抗值：Z_SFCL=[R_YBCO+jωL₂+(knωL₂)²/(R_moa+n²jωL₂)]， 由于耦合变压器一次侧线圈放电回路电阻R_moa>>n²ωL₂，所以混合型磁通耦 合超导故障限流装置故障情况下的阻抗Z_SFCL≈jωL₂+R_SFCL。

本例中磁通耦合变压器一、二侧线圈选用普通绕线材料，可控开关S1为 电力电子开关，超导电阻为高温超导电阻YBCO，系统主回路的交流电源为 理想电压源。结构参数如下：U_s=380sinωtV；磁通耦合变压器线圈自感、 互感：L₁=L₂=4mH、M=3.96mH；超导电阻失超电阻：R_SFCL=2Ω；线 路阻抗：Z₁=(1+3j)Ω；负载阻抗：Z₂=15+2jΩ；MOA氧化锌电阻片低阻态 电阻：R_moa=2Ω；工频f=50Hz。

图3所示为超导电阻的电阻特性，正常情况下电阻阻值为0，t₀时刻 发生短路，超导电阻失超，对故障电流起限流作用，t₁时刻故障切除，超导 电阻开始恢复超导状态，t₂时刻恢复超导状态，超导电阻阻值大小可以根据 系统实际情况进行给定：R_SFCL=Rm。

图4所示为故障情况下主断路器CB开断线路前，交流系统有无混合型 磁通耦合超导故障限流装置情况下的电流波形图。在0～1s时间内，交流 电力系统正常运行，在1s～1.5s时间内，交流电力系统发生短路故障。实 线表示无限流装置交流系统电流i_s，虚线表示有限流装置交流系统电流i_s。 本例中系统正常运行电流峰值为22.6A，故障时，如无安装限流装置，实线 所示，电流峰值在短路后第一个周期迅速上升到145.5A；如系统安装限流 装置，故障时，控制可控开关S1开断，限制系统故障电流，虚线所示，在 故障发生后第一个周期内能把系统故障电流的峰值抑制在69A左右，限流 效果明显。

图5所示为磁通耦合变压器一、二次线圈电流波形图，1s时可控开关 S1断开，耦合变压器一次侧与系统开断。实线表示磁通耦合变压器一次侧 电流，虚线表示二次侧电流，故障情况下，故障电流通过耦合磁通变压器 二次侧及高温超导电阻流向故障点。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明 所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或 补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权 利要求书所定义的范围。