三種改進(jìn)型橋式超導(dǎo)故障限流器的仿真分析和比較

張濤 郭贏 姜曉東 咸文濤 譚啟德

摘 ?要：文章分析比較了三種改進(jìn)型橋式超導(dǎo)故障限流器（SFCL）的技術(shù)特點(diǎn)，介紹了三種改進(jìn)型橋式SFCL的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，建立了10 kV配電網(wǎng)電路模型，針對配電網(wǎng)中出現(xiàn)的單相接地、兩相接地、兩相相間短路和三相接地等故障類型進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同的改進(jìn)型SFCL在不同的故障類型中的限流效果不同。因此，在不同環(huán)境下易發(fā)的故障類型不同時(shí)選擇合適的SFCL是必要的。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)故障限流器;短路;橋式;10 kV配電網(wǎng)

中圖分類號：TM774 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0088-04

Simulation Analysis and Comparison of Three Improved Bridge Type Superconducting Fault Current Limiters

ZHANG Tao， GUO Ying， JIANG Xiaodong， XIAN Wentao， TAN Qide

（Zibo Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Zibo ?255100， China）

Abstract： This paper analyzes and compares the technical characteristics of three improved bridge type Superconductor Fault Current Limiters （SFCL）， and the circuit structure characteristics and working principle of the three kinds of improved bridge type SFCL are introduced and the 10kV distribution network circuit model is established. Simulation analysis is carried out for the single phase to ground fault， two phases to ground fault， phase to phase fault， three phases to ground fault and other fault types in the distribution network. The simulation results show that the current limiting effect of different improved SFCL is not similar in different fault types. Therefore， it is necessary to select the appropriate SFCL for the prone different fault types in different environments.

Keywords： SFCL; short circuit; bridge type; 10 kV distribution network

0 ?引 ?言

當(dāng)前，電網(wǎng)的短路保護(hù)研究成為備受關(guān)注的前沿課題。傳統(tǒng)的短路保護(hù)措施雖然可以限制電網(wǎng)的短路電流水平，但通常伴隨著電網(wǎng)在其他方面性能的犧牲為代價(jià)[1]。橋式超導(dǎo)故障限流器在理論上具有正常運(yùn)行時(shí)能量損耗低，對系統(tǒng)影響小，在故障發(fā)生時(shí)可立即限流，故障切除后快速恢復(fù)的優(yōu)點(diǎn)。但普通型橋式SFCL只能限制短路故障電流的峰值，而不能限制短路故障電流的穩(wěn)態(tài)值。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，已出現(xiàn)較多對橋式SFCL結(jié)構(gòu)和性能的改進(jìn)和提高的研究報(bào)道[2，3]。

本文介紹了三種較為典型的改進(jìn)型橋式SFCL，闡述了其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理[4]。為了對比這三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流能力，本文建立了10 kV配電網(wǎng)的電路模型，利用不同的故障類型對三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流性能進(jìn)行了仿真分析和比較，給出了這三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流技術(shù)特點(diǎn)，為三種改進(jìn)型橋式SFCL的選擇與應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)[5，6]。

1 ?兩種改進(jìn)型橋式SFCL介紹

1.1 ?電阻投切型橋式SFCL

圖1所示為電阻投切型橋式SFCL的電路原理圖。相比于普通型橋式SFCL，電阻投切型橋式SFCL去掉了直流偏壓源，接入一個(gè)限流電阻R和超導(dǎo)線圈L一起限制故障電流。使用控制開關(guān)K，可以靈活地實(shí)現(xiàn)限流電阻的接入與切除。

在線路未出現(xiàn)故障時(shí)，開關(guān)K處于閉合的狀態(tài)，這時(shí)限流器的電路結(jié)構(gòu)就相當(dāng)于一個(gè)去掉直流偏壓源的普通型橋式SFCL。此時(shí)Vd1—Vd4均導(dǎo)通，限流器對整個(gè)電路沒有影響。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)的電流要大于流過超導(dǎo)線圈的電流，這時(shí)VD1，VD2導(dǎo)通，VD3，VD4截止。超導(dǎo)線圈立即接入系統(tǒng)，故障電流的大小得到了限制。然后，開關(guān)K打開，電阻R接入系統(tǒng)與超導(dǎo)線圈L共同限制故障電流，增強(qiáng)了限流器的限流能力。隨著故障的持續(xù)，超導(dǎo)電感L不斷被磁化，當(dāng)iL>i1時(shí)，iL經(jīng)回路VD1、VD4、L、R和回路VD2、VD3、L、R流通，超導(dǎo)電感進(jìn)入到去磁過程;當(dāng)iL

1.2 ?雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL

圖2所示為雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL的電路原理圖，其主要是由兩個(gè)反向并聯(lián)的超導(dǎo)電感線圈構(gòu)成，且兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈的電感值相等且耦合系數(shù)接近1。

系統(tǒng)在正常狀態(tài)時(shí)，由于L1=L2且耦合系數(shù)k≈1，所以流過這兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈的電流所產(chǎn)生的磁通可以相互抵消，使總的磁通為零。此時(shí)限流器兩端出現(xiàn)的電壓非常小，對電路幾乎沒有影響。當(dāng)線路出現(xiàn)短路故障時(shí)，由于兩個(gè)超導(dǎo)電感線圈的臨界電流大小不一樣（可以假設(shè)L1的臨界電流大于L2的臨界電流），當(dāng)iL2

2 ?10 kV配電網(wǎng)仿真模型

為了比較這三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流效果，本文建立了10 kV配電網(wǎng)的電路模型，對三種改進(jìn)型橋式SFCL在各種短路故障類型中的限流情況進(jìn)行仿真分析。安裝改進(jìn)型橋式SFCL后，配電網(wǎng)的單相等值電路如圖3所示。其主要參數(shù)選取為：系統(tǒng)電壓Us為10.5 kV（有效值），線路電感L為3.5 mH，線路電阻值R為0.3 Ω;負(fù)荷電阻值Rl為10 Ω;設(shè)定配電網(wǎng)在0.06秒時(shí)出現(xiàn)故障，在0.16秒時(shí)故障被切除。

根據(jù)上述選擇的基本參數(shù)，用MATLAB軟件對兩種改進(jìn)型橋式SFCL在10 kV配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行仿真研究，其仿真模型如圖4所示。

三種改進(jìn)型SFCL的具體參數(shù)選擇：電阻投切型橋式SFCL參數(shù)：L=12 mH，R=12 Ω，故障發(fā)生后2 ms開關(guān)K斷開;雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL參數(shù)：L1=12 mH，L2=12 mH，R1=1 Ω，R2=12 Ω，假設(shè)故障發(fā)生后超導(dǎo)電感的內(nèi)阻立即產(chǎn)生。

3 ?仿真結(jié)果與分析

3.1 ?單相接地故障

當(dāng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，以A相為例，電阻投切型橋式SFCL的限制電流峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別為3.3 kA和4.01 kA，縮減率分別為74.7%和56.3%;雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL的限制電流峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別為3.38 kA和4.22 kA，縮減率分別為74.0%和54.0%;混合型橋式SFCL的限制電流峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別為4.41 kA和6.27 kA，縮減率分別為66.2%和31.7%。單相接地故障類型下，三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流數(shù)據(jù)比較如表1所示。可以看出，電阻投切型橋式SFCL限流效果較好。

3.2 ?兩相接地故障

當(dāng)發(fā)生兩相接地故障時(shí)，以A、B兩相為例，表2所示為A相和B相故障電流的限流參數(shù)比較。通過比較，可以看出在兩相接地故障類型下雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL的限流效果較好。

3.3 ?兩相相間短路故障

當(dāng)發(fā)生兩相相間短路故障時(shí)，以A、B兩相為例，未安裝限流器時(shí)，A相故障電流峰值和穩(wěn)態(tài)值大小為9.26 kA和6.8 kA，B相故障電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別為8.55 kA和6.04 kA。安裝混合型橋式SFCL后，A相故障電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別限制為2.42 kA和2.99 kA，B相故障電流的峰值和穩(wěn)態(tài)值大小分別限制為1.89 kA和2.51 kA。三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流仿真數(shù)據(jù)比較如表3所示。可以看出，在兩相相間短路故障時(shí)混合型橋式SFCL較其他兩種改進(jìn)型限流器的限流效果要好一些。

3.4 ?三相接地故障

當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生三相接地故障時(shí)，未安裝限流器的故障電流，峰值大小分別為10.6 kA、8.88 kA和8.95 kA，穩(wěn)態(tài)值大小基本相等。安裝電阻投切型橋式SFCL后，A相、B相和C相的故障電流的峰值大小分別限制為2.56 kA、2.13 kA和2.64 kA，穩(wěn)態(tài)值大小也基本相等為3.06 kA。三種改進(jìn)型橋式SFCL限流仿真的具體數(shù)據(jù)比較如表4所示。可以看出，在三相接地故障時(shí)電阻投切型橋式SFCL的限流效果要好一些。

4 ?結(jié) ?論

本文通過利用10 kV配電網(wǎng)常見的四種短路故障類型，對三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流性能進(jìn)行了仿真研究。可以發(fā)現(xiàn)，三種改進(jìn)型橋式SFCL都具有較好的限流效果，且對于不同的故障類型，三種改進(jìn)型橋式SFCL的限流效果不同。其中，電阻投切型橋式SFCL對單相接地故障和三相接地故障的限流效果較好，雙線圈反向并聯(lián)型橋式SFCL對兩相接地故障的限流效果較好，而混合型橋式SFCL對兩相相間短路故障的限流效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王俊波，羅容波，李雷，等.高壓電力變壓器雷擊跳閘故障危害預(yù)測及抑制方法 [J]，電瓷避雷器，2015（4）：123-127+132.

[2] 李浪.面向直流配電系統(tǒng)的新型固態(tài)故障限流器設(shè)計(jì) [J].電網(wǎng)與清潔能源，2016，32（3）：87-91.

[3] 陳倩，湯奕.江蘇特高壓建設(shè)時(shí)期短路電流限制措施 [J].江蘇電機(jī)工程，2015，34（5）：21-24.

[4] 黎鵬，崔健，付杰.架空輸電線任一點(diǎn)不對稱短路時(shí)OPGW線路電流的分布研究 [J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，41（4）：56-60.

[5] 趙鐵英，劉俊領(lǐng).不同接入方式下限流電抗器參數(shù)計(jì)算方法研究 [J].電力科學(xué)與工程，2015，31（3）：40-45.

[6] 涂春鳴，鄧樹，郭成，等.新型多功能固態(tài)限流器對0?接線方式的影響及其解決辦法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2015，43（4）：81-86.

作者簡介：張濤（1993—），男，漢族，山東淄博人，工程師，碩士研究生，研究方向：超導(dǎo)電感儲能技術(shù)。