基于超導限流器的直流斷路器的應用研究

吳 杰，薛太林，靳貳偉

（山西大學 電力工程系，太原 030013）

隨著直流輸電的發展，尤其是基于VSC（電壓源型換流器）技術的HVDC電網發展[1]，直流輸電系統的穩定性、可靠性和安全性受到了巨大挑戰。其中，HVDC電網的短路開斷問題非常嚴峻。與交流電網不同，直流電網沒有自然過零點，并且直流電網穩態時系統電感會儲存能量，這對于高壓直流斷路器（HVDC CB）提出了很高的要求[2-3]。從1950年起，在世界范圍內就已經開始了對高壓斷路器的研究。1980年，ABB公司和西屋公司研制出了可以開斷2200 A故障電流的直流斷路器[4]。2014年，日本研究的直流斷路器可以在10 ms內開斷16 kA的故障電流[5]。但是在直流輸電工程中，故障電流可達20 kA以上，隨著電力系統容量以及電壓等級的提升，傳統的直流斷路器無法很好地切斷如220 kV及以上電壓等級的直流故障電流。所以，很有必要對更大短路電流級別的高壓直流斷路器進行研究。

在直流電網中安裝限流器可以很好地限制故障電流，但是過高阻抗的變壓器和電抗器會分得相應的電壓，不僅降低了電網電壓調節能力，還會增加相應的經濟成本。隨著超導技術的發展，超導限流器（SFCL）可以很好地解決電網故障電流過大這一難題[6]。文章將直流開斷技術和超導限流技術結合，對基于超導限流器的直流斷路器進行了應用研究。在Matlab搭建含有基于超導限流器的直流斷路器（SDCCB）的VSC-HVDC電網模型，證明該直流斷路器可以有效開斷HVDC故障電流。

1 基于超導限流器的直流斷路器的原理介紹

1.1 直流開斷技術

直流電流沒有自然過零點，所以直流開斷技術首要條件是創造電流過零點，從而實現直流開斷。不同的直流開斷方法均基于這一首要條件。主要的直流開斷技術有限流開斷、人工過零、自激振蕩和混合開斷4種。根據具體關斷器件不同，高壓直流斷路器又分為機械式、全固態式和混合式。基于自激振蕩原理的直流開斷技術電路簡單可靠且經濟性好，與超導限流器結合后可以彌補開斷電流小的缺點，便于關斷短路電流，故文章采用其作為直流開斷技術。其原理見圖1。

圖1 基于自激振蕩原理的直流開斷原理Fig.1 DC breaking schematic diagram based on self-excited oscillation principle

基于自激振蕩原理的直流開斷電路包含有直流電源E、線路電阻R、線路電感L以及電流轉移支路、載流支路和能量吸收支路。電流轉移支路由換流電容Cc和換流電感Lc串聯而成，載流支路包含換流開關K，能量吸收支路包含吸能元件MOV。直流開斷時，打開開關K并產生電弧，電弧的不穩定性以及負的伏安特性使得電流轉移支路和載流支路產生振幅不斷增大的振蕩電流。振蕩電流幅值大于開斷電流時產生電流過零點，開關K電弧熄滅并把電流轉移至能量吸收支路，隨后吸能元件MOV動作并全部吸能后完成開斷[7]。

根據Mary方程，電弧的數學模型為

式中：N為弧隙耗散功率。與電路方程聯立可得自激振蕩臨界條件：

式中：θc為臨界時間常數；R 為回路電阻；Ra＝u/i；β為電弧特性參數，且β＝ui/N≤1。式（2）表明斷路器電弧時間常數小于臨界時間常數時，才能形成自激振蕩。

1.2 超導限流技術

超導材料的零電阻性和完全抗磁性使得超導限流技術成為可能。電力系統中使用超導限流器是解決增大容量電網短路電流的良好方案。

超導限流器（SFCL）本質上是一個可變阻抗，按照阻抗性質不同分為電阻型超導限流器（R-SFCL）和電感型超導限流器（SI-SFCL）。R-SFCL的原理是利用超導材料經歷超導狀態和失超狀態的轉變進行相應的通流和限流。SI-SFCL的原理是利用超導元件和電感元件組合后的阻抗特性進行通流和限流，超導元件有一些經歷失超過程。

R-SFCL受電流、溫度、磁場強度三者影響，當系統正常運行時，流過R-SFCL的電流為正常電流，RSFCL的溫度和臨界電流密度為初始值且小于臨界值，電阻為零，其E-J關系為

式中：EC為臨界電壓；J為電流密度；JCT為臨界電流密度；α為常數。

溫度變化與臨界電流密度的關系為

式中：JCT（77）為 77 K 溫度下的電流密度（77 K 為初始環境溫度）。

當系統故障時，流過R-SFCL的電流為故障電

式中：ρ為系統正常時的電阻率，失超進行2 ms左右后，R-SFCL的電阻值會穩定在一個常數附近。

1.3 基于超導限流器的直流斷路器原理

SDCCB（基于超導限流器的直流斷路器）的原理如圖2所示，由直流電源E、線路電阻R、線路電感L、超導限流器和直流斷路器組成。超導限流模塊包含超導帶材及其并聯阻抗RS和RL，用于降低HVDC的故障電流；直流開斷模塊基于自激振蕩原理的直流開斷技術，包含換流開關K、換流電容CC、換流電感LC和吸能元件MOV，用于關斷HVDC電網中經超導限流模塊限制后的故障電流。流，超導帶材超過臨界溫度TC后，其E-J關系為

圖2 SDCCB（基于超導限流器的直流斷路器）原理圖Fig.2 Schematic diagram of SDCCB（DC circuit breaker based on superconducting current limiter）

系統故障時，故障電流從直流電源E流過線路電阻R和線路電感L，超導限流阻抗RS和RL，經由載流支路回到電源負極形成回路。可得到短路電流為 I=E/（R+Rs），時間常數為 τ＝（L+Ls）/（R+Rs）；隨著開關K的打開和關閉，電流轉移支路和載流支路進行了振蕩和過零開斷，剩余能量由能量吸收支路吸收。

2 建模及仿真分析

2.1 基于超導限流器的直流斷路器原理

根據圖2在Matlab中搭建SDCCB模塊并接入SVC-HVDC中，其電路原理如圖3所示。SVC-HVDC中包括交流系統（交流電源、變壓器）、線路阻抗（R1和 L1）、線路電容 C1、濾波器（Rf和 Lf）、電壓源型整流器、基于超導限流器的直流斷路器、負載開關K和負載（R2和L2）。SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型圖如圖4所示。

圖3 SDCCB接入SVC-HVDC的電路原理圖Fig.3 Schematic circuit diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

圖4 SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

直流電源電壓220kV，線路電阻R為10Ω，電路電感為0.5 H，正常負載電流為2 kA，功率200 MW；傳輸線路長度為200 km，距離整流器50 km處發生故障；R-SFCL穩態阻抗為0.1 Ω，限流態阻抗為20 Ω，其響應時間2 ms，觸發電流密度2.5 kA。超導限流器的阻抗特性如圖5所示。

2.2 基于超導限流器的直流斷路器仿真分析

分別將傳統高壓直流斷路器和SDCCB接入到SVC-HVDC中，在故障情況下，得到相應的電流波形如圖6和圖7所示。

由圖6可得，t=0 ms時發生直流故障，額定220 kV電壓下故障電流達到30 kA，電弧時間常數小于臨界時間常數，傳統高壓直流斷路器形成自激振蕩，斷路器電流在30 ms內逐漸振蕩減小為0，交換回路電路在30 ms內逐漸振蕩至短路電流峰值30 kA后，又經過30 ms衰減至0，吸能過程在35～60 ms進行。由于故障電流大，所以傳統高壓直流斷路器開斷時間達到60 ms，且在開斷過程中承受了近50 kA的高強電流。

圖5 SFCL的阻抗特性Fig.5 Impedance characteristics of SFCL

圖6 傳統高壓直流斷路器的電流波形Fig.6 Current waveform of traditional HVDC circuit breaker

圖7 SDCCB的電流波形Fig.7 Current waveform of SDCCB

圖7中由于采用了SDCCB，可以看到故障電流被限制在了6 kA左右，流過斷路器、吸能元件以及交換回路的電流也相應降低5倍以上，說明超導限流單元起到了非常好的限流作用，對電氣設備起到了很好的保護作用。在25 ms時斷路器產生并滿足自激條件，交換回路充電并形成自激振蕩。在5 ms內交換回路電流值振蕩到與斷路器電流值相同完成電流開斷，又經過2 ms左右吸能回路吸收完剩余能量。開斷和吸能過程共計7 ms左右，比不適用超導限流器配合的傳統限流器時間上快了7倍左右，大大減少了開斷故障電流的時間。

保證超導限流模塊總阻抗不變的情況下，探究直流開斷模塊的電容電感對開斷時間的影響，得到不同電容值和電感值下的直流開斷時間如圖8、圖9所示。

圖8 不同電容值對開斷時間的影響Fig.8 Effects of different capacitance values on switching time

圖9 不同電感值對開斷時間的影響Fig.9 Effects of different inductance values on switching time

由圖8可得，直流開斷時間整體上隨電容的增大而減少，這是由于電容增大引起振蕩頻率降低，振蕩幅值增大。當電容值大于38 μF時，會有局部開斷時間增大的情況。由圖9可得，直流開斷時間整體上隨電感的增大而增加，這是由于電感增大引起振蕩頻率降低，振蕩幅值降低。當電感值在1.7 mH附近時，開斷時間變化不大。

3 結語

文章在自激振蕩原理的直流開斷技術基礎之上加入了超導限流器，將直流開斷技術和超導限流技術相結合，對基于超導限流器的直流斷路器進行了應用研究。在Matlab中搭建SDCCB模塊并接入SVC-HVDC中，對比得到了SDCCB的超導限流特性和直流開斷能力，可以將30 kA以上的故障電流限制在幾千安培，大大降低了故障電流對電力設備的損害，快速關斷電流的能力使得故障電流可以在短時間內關斷。證明了該SDCCB的可行性和可靠性。此外還在對自激振蕩回路的電容和電感參數進行了仿真，得到了其對于關斷時間的影響，便于進行下一步的對超導限流模塊與直流開斷模塊的阻抗匹配的研究。文章研究表明基于超導限流器的直流斷路器可以廣泛應用在高壓直流電網中，更好地解決直流電網故障問題。