新型超导故障限流器的研究

论文摘要

随着电网的扩容,电力设备的短路容量和短路电流不断增大,在电气设备上产生巨大的电动力和严重的发热,使电气设备的尺寸、重量和费用显著增加,过高的短路电流会严重威胁设备和人身安全。为了使短路电流值限于开关设备的额定范围内,最近几年,出现了许多限制电网故障电流的技术设备,较理想的是超导故障电流限制器（SCFCL）,系统正常运行时,SCFCL对其无影响,若发生短路故障,则SCFCL的阻抗迅速增大以限制短路电流和短路容量。SCFCL集检测、触发和限流于一体,具有自恢复功能,若能将其实用化,不仅可提高现存电网输送容量,还能提高系统的安全可靠性和供电质量。本文首先综述了超导的基本特性和电性机理、寻找具有高临界温度、高临界磁场和高临界电流密度的超导体的探索历程,概述超导体在各个领域的应用技术,指出超导电力技术发展的方向。通过分析SCFCL的现状及各种样机结构,了解它们各自的特点和工作原理,基于电力系统对SCFCL的要求,从可靠性和降低系统绝缘水平等方面论述SCFCL的优越性。随后,重点研究和改进了磁屏蔽感应型、混合型和桥路型三类SCFCL。1.磁屏蔽感应型高温超导故障电流限制器（HTSCFCL）磁屏蔽感应型HTSCFCL,由一次铜绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,其工作原理是利用超导筒从超导态转变到正常态时,其阻抗的快速上升而限流。根据样机结构,得出数学模型,算出仿真电路的相关参数,利用MATLAB进行了仿真研究。在磁屏蔽感应型HTSCFCL原理的基础上,提出并分析了一种改进的磁屏蔽感应型HTSCFCL,该限流器在原有磁屏蔽感应型HTSCFCL的结构上,增加了一个控制故障电流的铜环和一个在第二腿铁芯上的空气隙。铜环可限制故障电流,减少超导体的失超恢复时间,空气隙在大电流时,能有效地避免出现限制阻抗急剧下降。另外,还提出了一种新型磁屏蔽感应型HTSCFCL,它由一次超导绕组、二次超导圆柱形屏蔽筒、铁芯和液氮冷冻箱组成,利用超导绕组和超导筒,从超导态转变到正常态时,其阻抗的快速上升而限流。并对应用于三相系统的新型磁屏蔽感应型HTSCFCL进行了仿真研究。仿真结果表明三种磁屏蔽感应型HTSCFCL,均能显著地减少暂态及稳态的故障电流,有效地提高系统的稳定性,对改善电网动态性能和提高电网电能质量,有十分重要的意义。2.在研究混合型HTSCFCL和失超型桥式整流HTSCFCL原理的基础上,介绍了混合型HTSCFCL的概念。提出了一种新型单相混合型HTSCFCL,该限流器利用IGBT快速动作来控制保护电阻,IGBT在故障发生后的100μs内动作,并投入保护电阻。利用MATLAB进行仿真分析,研究结果表明该限流器设计参数准确,限流效果明显。3.研究应用于三相电力系统中的偏流切换桥路型HTSCFCL（B-HTSCFCL）实验室样机。正常工作时,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流;发生短路故障时,整流桥中的直流偏流影响限流效果,将直流偏置电压源切换到限流电阻,使故障电流限制到预定的范围。研究了该限流器的工作原理,分析了限流参数的变化对限流特性的影响。实验和仿真表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统的动态稳定性和电网的电能质量。最后对SCFCL的电流引线技术、降低功率损耗和限流器保护等方面进行了深入的研究,结合模型机,介绍低温绝缘和实验技术。以上所有工作不仅从理论和实验两方面论证了SCFCL的可行性和优越性,而且为SCFCL的产品开发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 超导故障电流限制器的研究意义
• 1.1.1 超导故障电流限制器的研究背景
• 1.1.2 SCFCL 对电力系统的作用
• 1.1.3 电力系统对 SCFCL 的要求
• 1.1.4 SCFCL 的经济效益
• 1.1.5 SCFCL 的技术效益
• 1.2 超导理论的发展
• 1.2.1 超导现象的逐步揭示
• 1.2.2 超导材料的研究进展
• 1.2.3 超导在电力应用中所面临的问题
• 1.3 目前国内外对 SCFCL 的研究概况
• 1.3.1 SCFCL 的多种结构
• 1.3.2 SCFCL 的性能参数
• 1.3.3 SCFCL 的发展
• 1.4 超导限流器产品化面临的关键技术
• 1.4.1 与常规电力系统的兼容性
• 1.4.2 安全可靠性
• 1.4.3 引线技术
• 1.4.4 低温高电压绝缘技术
• 1.4.5 低温制冷技术
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 超导特性及其机理
• 2.1 超导基本特性与临界参量
• c'>2.1.1 零电阻和临界温度 T_c
• c'>2.1.2 迈斯纳效应和临界磁场 H_c
• c）'>2.1.3 约瑟夫森效应和临界电流（I_c）
• 2.2 超导理论综述
• 2.2.1 二流体模型
• 2.2.2 伦敦方程
• 2.2.3 超导微观理论（BCS 理论）
• 2.3 第二类超导体
• 2.3.1 第二类超导体与 GLAG 理论
• 2.3.2 非理想第二类超导体及机理
• 2.4 超导材料与压力的关系
• 2.5 超导理论的不断成熟
• 2.5.1 第一类超导体的理论
• 2.5.2 第二类超导体的理论
• 2.6 本章小结
• 第3章 磁屏蔽感应型HTSCFCL 的研究
• 3.1 磁屏蔽感应型HTSCFCL 的仿真研究
• 3.1.1 工作原理
• 3.1.2 仿真结果与分析
• 3.1.3 影响限制电流的因素
• 3.1.4 磁屏蔽感应型 HTSCFCL 的设计参数
• 3.1.5 磁屏蔽感应型 HTSCFCL 的要求
• 3.1.6 失超机理与限流器的设计
• 3.2 改进的磁屏蔽感应型HTSCFCL 的仿真研究
• 3.2.1 工作原理
• 3.2.2 仿真结果
• 3.2.3 超导的恢复时间
• 3.3 新型磁屏蔽感应型HTSCFCL 的仿真研究
• 3.3.1 工作原理
• 3.3.2 仿真结果与分析
• 3.3.3 三相新型磁屏蔽感应型 SCFCL 的仿真结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 一种新型直流混合型HTSCFCL 的研究
• 4.1 基本混合型HTSCFCL 工作原理
• 4.2 新型无整流桥直流混合型HTSCFCL
• 4.2.1 仿真实验原理
• 4.2.2 仿真结果及分析
• 4.3 新型有整流桥直流混合型HTSCFCL 仿真结果
• 4.4 影响超导体恢复的因素
• 4.4.1 恢复电流
• 4.4.2 传播速度
• 4.4.3 恢复时间
• 4.5 本章小结
• 第5章 桥路型HTSCFCL 的实验研究
• 5.1 基本桥路型HTSCFCL
• 5.1.1 工作原理
• 5.1.2 实验
• 5.2 偏流切换桥路型HTSCFCL
• 5.2.1 原理图
• 5.2.2 工作原理
• 5.2.3 实验结果
• 5.2.4 MATLAB 仿真结果
• 5.3 B-HTSCFCL 的应用
• 5.3.1 仿真分析
• 5.3.2 工程应用中的相关技术
• 5.4 桥路型HTSCFCL 实验
• 5.4.1 实验模型与实验设备
• 5.4.2 超导线圈的参数测量
• 5.4.3 基本桥路型 HTSCFCL 的限流特性实验
• 5.4.4 B-HTSCFCL 的限流特性实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 超导限流器的相关技术
• 6.1 电流引线的设计
• 6.1.1 没有冷却的电流引线
• 6.1.2 气体冷却电流引线
• 6.1.3 高温超导体电流引线
• 6.2 电流引线的稳定性
• 6.2.1 烧毁时间法
• 6.2.2 最小失超能量法
• 6.3 超导限流器的稳定性与保护
• 6.3.1 超导磁体的稳定性与最高升温
• 6.3.2 超导体的保护
• 6.4 SCFCL 的损耗
• 6.4.1 磁滞损耗
• 6.4.2 涡流损耗
• 6.4.3 自场损耗
• 6.4.4 高温超导材料的交流损耗
• 6.4.5 热传导损耗
• 6.4.6 热辐射损耗
• 6.5 低温绝缘与绕制工艺
• 6.5.1 低温绝缘
• 6.5.2 超导线圈的绕制
• 6.6 超导限流器的安装位置
• 6.7 本章小结
• 结论
• 1 本文的结论
• 2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录B 攻读博士学位期间申请的专利
• 附录C 基本桥路型HTSCFCL 的实验测试波形
• 附录D 偏置电流和电源内阻对限流能力影响的测试数据