感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)體有著廣闊的應(yīng)用前景，感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)電流故障限制器可能是最先獲得應(yīng)用的項(xiàng)目之一。它由外側(cè)的初級(jí)銅繞組、中間的高溫超導(dǎo)圓筒和內(nèi)側(cè)的鐵芯同心配置而成，被冷卻至液氮溫度，并作為一種非線性元件串聯(lián)在電網(wǎng)里。在額定工作狀態(tài)下，限流器的阻抗很小，對(duì)電網(wǎng)的影響很小；在故障狀態(tài)下，限流器的阻抗將會(huì)突然增加，將故障電流限制在允許值之下。感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的應(yīng)用，能顯著提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性、改善電能質(zhì)量、降低電網(wǎng)的建設(shè)成本和改

2、造費(fèi)用并提高電網(wǎng)的輸送容量。 根據(jù)感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的工作原理，本文提出了感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的一整套設(shè)計(jì)方法。在限流器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，提出了限流器的適用電網(wǎng)額定功率與限流器中超導(dǎo)圓筒性能參數(shù)的關(guān)系：感應(yīng)屏蔽型超導(dǎo)限流器的適用電網(wǎng)額定功率隨著限流器的限流倍數(shù)、超導(dǎo)圓筒的臨界電流密度、磁通流動(dòng)狀態(tài)的電阻率、超導(dǎo)圓筒的半徑、高度和厚度等參數(shù)的增加而增加。該關(guān)系式可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)者首先對(duì)限流器的核心部件—超導(dǎo)圓筒進(jìn)

3、行合理的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)電網(wǎng)的額定運(yùn)行狀態(tài)和限流要求，設(shè)計(jì)限流器的初級(jí)繞組和鐵芯，使限流器的性能滿足用戶的需求。 本文通過(guò)建立的故障電流限制器測(cè)試裝置，對(duì)研制出的感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器模型機(jī)的各項(xiàng)性能進(jìn)行了測(cè)試。故障電流限制器模型的靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，在限流器的額定運(yùn)行狀態(tài)下，限流器的阻抗很低；在故障狀態(tài)下，限流器的阻抗增加了近一個(gè)數(shù)量級(jí)；由限流器的靜態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)還得到了限流器的開(kāi)關(guān)電流Isw，給出了限流器正常運(yùn)行時(shí)的額定電

4、流In范圍，即In應(yīng)當(dāng)小于Isw。限流器模型機(jī)的動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明，故障電流限制器模型機(jī)能夠在回路發(fā)生故障時(shí)將短路電流限制在額定電流的5～10倍左右。在故障發(fā)生的初期，超導(dǎo)圓筒處于磁通流動(dòng)狀態(tài)，隨著故障時(shí)間的延長(zhǎng)，超導(dǎo)圓筒的溫度和電阻率上升，限流器的阻抗不斷增加。研究表明，感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的恢復(fù)時(shí)間是升溫后的超導(dǎo)圓筒的溫度恢復(fù)到額定狀態(tài)時(shí)所需要的時(shí)間，處于液氮冷池之中的限流器恢復(fù)時(shí)間大約為3秒左右。在超導(dǎo)圓筒電磁特性測(cè)量的

5、實(shí)驗(yàn)中，利用Rogowski線圈和霍爾傳感器對(duì)超導(dǎo)圓筒的臨界電磁性能進(jìn)行測(cè)試，得到了超導(dǎo)圓筒的臨界電流，并用線性磁擴(kuò)散理論解釋了超導(dǎo)圓筒中心軸向磁場(chǎng)的相位隨外加交變磁場(chǎng)的幅值變化而變化的現(xiàn)象。超導(dǎo)圓筒的熱學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，處于液氮冷池之中的有銀皮包套的超導(dǎo)圓筒在電流加載階段沒(méi)有明顯的溫升，而沒(méi)有銀皮包套的超導(dǎo)圓筒則有明顯的溫升現(xiàn)象。 加載電流撤去后，超導(dǎo)圓筒的溫度恢復(fù)大約需要4秒鐘，與限流器模型機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中限流器的恢復(fù)時(shí)間相近

6、似。 為了降低感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器的重量，首次將閉環(huán)鐵芯和開(kāi)環(huán)鐵芯限流器模型的限流效果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：對(duì)于N=150匝的1＃開(kāi)環(huán)鐵芯限流器模型，故障電流的首個(gè)周波峰值為35A，限流倍數(shù)為5.8倍；而對(duì)于N=150匝的2＃閉環(huán)鐵芯故障電流限制器模型，故障電流的首個(gè)周波峰值為30A，限流倍數(shù)為5倍。2＃閉合鐵芯故障電流限制器的第一峰值的阻抗也比1＃開(kāi)環(huán)鐵芯故障電流限制器的要大，分別為1Ω和0.86Ω，閉合鐵芯故障電

7、流限制器對(duì)故障電流的限制能力比開(kāi)環(huán)鐵芯故障電流限制器稍強(qiáng)。由于在閉合鐵芯故障電流限制器中使用了閉合的鐵芯，整個(gè)限流器的重量將是開(kāi)環(huán)鐵芯故障電流限制器的3倍，限流器的體積也增加了很多，這不僅提高了整個(gè)限流器的低溫冷卻要求和冷卻運(yùn)行費(fèi)用，而且增加了限流器的安裝難度。在相同的條件下，閉環(huán)鐵芯限流器和開(kāi)環(huán)鐵芯限流器的限流效果相近，所以，在滿足電網(wǎng)限流要求的基礎(chǔ)之上，感應(yīng)屏蔽型故障電流限制器采用開(kāi)環(huán)鐵芯將會(huì)獲得更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性能。 通過(guò)建立鐵

8、芯材料的數(shù)學(xué)模型和感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器故障期間在電網(wǎng)中的電壓方程，采用Matlab等工具軟件對(duì)閉環(huán)鐵芯的限流器進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果與限流器動(dòng)態(tài)測(cè)試的結(jié)果符合很好。計(jì)算結(jié)果明確指出，限流期間故障電流峰值的不斷下降是由于超導(dǎo)圓筒的電阻率的升高而引起的，而電阻率的升高源于超導(dǎo)圓筒內(nèi)部焦耳熱的產(chǎn)生和超導(dǎo)圓筒溫度的提高。 本文利用有限元分析的方法，使用ANSYS分析軟件，分析了感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器在故障期間的

9、熱學(xué)和電磁學(xué)特性，分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相近。使用有限元分析的方法，還可以模擬出感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器在故障期間的限流過(guò)程，為全面地研究感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器提供了一個(gè)新的分析手段。分析結(jié)果也表明，感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器故障后的恢復(fù)時(shí)間就是超導(dǎo)圓筒的溫度恢復(fù)到額定工作狀態(tài)時(shí)所需的時(shí)間。 從提高故障狀態(tài)下限流器阻抗的角度出發(fā)，本文分析了開(kāi)環(huán)鐵芯限流器模型機(jī)的初級(jí)銅繞組和鐵芯的幾何尺寸對(duì)限流器性能的影響

10、。分析結(jié)果表明：在不明顯改變中心磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，初級(jí)銅繞組形狀小范圍內(nèi)的變化主要是改變了導(dǎo)線的展開(kāi)長(zhǎng)度，從而影響了限流器的額定阻抗和故障阻抗。當(dāng)開(kāi)環(huán)鐵芯的長(zhǎng)度很小時(shí)，限流器模型的阻抗很小，隨著鐵芯長(zhǎng)度的增加，限流器模型的阻抗很快增加；但當(dāng)開(kāi)環(huán)鐵芯的長(zhǎng)度超過(guò)0.2m后，繼續(xù)增加開(kāi)環(huán)鐵芯的長(zhǎng)度，限流器模型的阻抗沒(méi)有明顯的增加，故障電流基本穩(wěn)定，減小幅度很小。對(duì)于開(kāi)環(huán)鐵芯感應(yīng)屏蔽型高溫超導(dǎo)故障電流限制器，在滿足限流效果的基礎(chǔ)之上，可以通過(guò)選