35kV超導限流電抗器直流系統技術分析

字美榮，徐肖偉，馬儀，李小建

(1.云南電網公司昆明供電局，云南 昆明 650011;2.云南電網電力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

隨著電網規模的增大、負荷的增加，隨之帶來的問題就是短路電流的增大，最大短路電流可達60kA以上，甚至超過了斷路器的遮斷電流能力，因此，限制短路電流是保證電網系統安全穩定的重要手段［1－4］。

超導限流電抗器的限流原理是:在系統穩定運行時，超導限流器是低阻抗狀態，當系統中突發短路電流時，限流電抗器會在短時間(約5ms)呈現出高阻抗的狀態，以限制短路電流的大小，為斷路器提供較有利的開斷條件。

某35kV超導限流電抗器主要分為電抗系統、直流勵磁系統、低溫系統、監控保護系統、外殼共5個部分，其中，直流勵磁系統是限流器的控制部分，該系統的動作特性就直接決定了限流器的限流效果［1］［13］。

2 系統概述

35kV超導限流器直流勵磁系統包括超導繞組和直流控制電源兩大部分。

組成超導磁體的繞組(超導繞組)套在三相六鐵芯的中心柱上，用于向限流器鐵芯提供深度飽和的直流偏置磁勢。直流控制電源用于向超導繞組提供直流偏磁電流，控制限流器的運行狀態，直流控制電源包括直流電源、快速開關、磁能吸收模塊、快速充磁電路、電網故障識別電路模塊，其原理簡圖如圖1所示。

圖1 35kV超導限流電抗器原理圖

限流器的運行狀態與直流控制電源的工作過程密切相關。在電網正常運行時，電源提供勵磁電流將鐵心偏置到深度飽和態，交流繞組呈現低阻抗，因此限流器對電網的運行影響較小，此時的限流器工作狀態稱之為穩態［5－8］。當電網發生短路故障時，電網故障識別電路正確判斷出電網故障，并向快速開關發出斷開信號，指示快速開關動作，關斷直流勵磁電源的輸出，使鐵心退出飽和態，限流器呈現高阻抗，限制了電網中的故障電流，可以滿足限流器的后面的斷路器安全切除，此時的限流器的工作狀態稱之為限流態。在限流器實現從穩態到限流態的過渡過程中，需要實現超導磁體中磁能的吸收，主要實現辦法是在超導磁體兩端并聯高能壓敏電阻。為滿足斷路器正確安全重合閘，在斷路器合閘之前，電網故障識別電路監測到斷路器斷開后，命令直流勵磁系統快速開關重新導通，使限流器鐵心恢復到深度飽和態，確保限流器重新呈現低阻抗，此時的限流器的工作狀態稱之為恢復態［13］。

3 直流勵磁系統關鍵技術

3.1 超導繞組設計關鍵技術

1)超導繞組匝間絕緣:超導限流器在穩態運行情況下，由于交流三相繞組、每相兩個繞組間產生的磁通在超導限流器中柱上可以相互抵消，超導繞組上幾乎不會產生交流感應電壓，繞組匝間電壓僅為直流電壓。但當系統進入到限流狀態時，交流繞組三相間就存在不平衡的關系，超導繞組會在短路瞬間感應出交流電壓，因此超導繞組匝間絕緣強度是非常重要的問題。

2)超導繞組承受的電動力:超導繞組上最大的電動力會出現在限流器限流狀態下。在系統發生短路故障的時候，由于漏磁的存在，超導繞組軸向和幅向上將承受較大的電動力。軸向電動力使繞組向中間壓縮，這種由電動力產生的機械應力，可能影響繞組匝間絕緣，對繞組的匝間絕緣造成損傷;而輻向電動力使繞組向外擴張，可能失去穩定性，造成相間絕緣損壞。電動力過大，嚴重時可能造成繞組扭曲變形或導線斷裂。所以，超導繞組骨架制作與繞組固化等步驟都需要涉及到繞組的機械強度問題。

3)超導繞組的熱交換:超導磁體內的繞組是將銅合金線材繞在一個環形的骨架上制作而成，超導線材的工作環境溫度在液氮溫區77K(－196℃)下。只有在保障了超導繞組工作環境溫度的情況下，才能保證超導繞組在超導態正常運行，因此繞組與液氮之間的熱交換問題是設計中的重點。為了使超導線材有較好的散熱空間，很好地與液氮進行熱交換，選擇較合理的骨架結構至關重要，同時還需保證骨架在液氮環境下的機械強度和韌性。

3.2 直流控制電源關鍵技術

直流控制電源部分包括直流電源、快速開關、磁能吸收模塊以及控制模塊四部分，如圖1方框所包含內容。直流電源的負載是超導繞組，在穩態、限流態、恢復態具有不同的運行特性，因此對直流電源部分及控制部分有著特殊的要求。

3.2.1 直流電源

直流源用于向直流繞組提供直流勵磁電流。由于電網長期正常運行，就要求直流源的輸出具有較高的穩定度和可靠性。電源在運行的過程中會遇到兩個問題:一個是在穩態運行時，鐵心的不對稱性在直流繞組兩端產生的感應電壓會干擾電源的輸出的穩定性;另一個是在限流器在短路故障發生未切斷直流回路之前也會有感應電壓產生，會威脅直流電源的安全。

直流源的輸出要與超導磁體的設計相匹配，磁體中的超導繞組由多個超導餅串并聯組合而成。35kV掛網限流器超導磁體的設計通流約為300A，故電源設計額定輸出值為300A。

由于直流源的負載是超導材料繞制的繞組，工作時直流繞組處于超導態，直流電阻幾乎為零，即電源近乎在短路狀態下工作。考慮到導線損耗、導線接點等因素，超導繞組穩態壓降低于0.5V。

所以電源應滿足的條件，一是低電壓大電流輸出，二是具有輸出抗干擾能力。

3.2.2 直流電源的控制部分

直流電源的控制部分是整個超導限流器的關鍵裝置，內置的監測單元通過監測交流電網的電壓和電流信號，當監測到交流電網發生短路故障時，系統在數毫秒內識別出故障，并及時通過開關和保護系統切斷直流勵磁，使超導限流器工作在限流態，同時保護系統各個部件免受關斷電壓和交流側感應過電壓影響;在監測到電網故障消除后，控制系統控制開關重導通，快速給限流器充磁，在600ms秒內使其恢復到正常的工作狀態。其直流主回路的設計原理圖如下:

圖2 35kV超導限流器直流電源控制系統

如圖2所示，限流器穩態運行時，接觸器JCQ1、JCQ2閉合，接觸器JCQ3斷開，三相380V電源經過380V/28V變壓器降壓，在經過整流模塊，給電容C1充電(使用6個500uF的電容串聯而成)用來給超導繞組提供穩定的勵磁電流。

在限流態時，快速開關Q1和Q2同時斷開，直流勵磁電流在數毫秒之內由額定值降為0，勵磁電流下降時間測試如圖3所示。而在恢復態時，交流接觸器JCQ1、JCQ2和JCQ3與穩態時的通斷正好相反，380V交流電則直接經過整流模塊，在電容C1(4000uF)兩端產生約500V的直流電，用于向超導磁體強勵磁，以達到在600ms內的完成勵磁的時間要求。通過試驗測試，直流勵磁電流在520ms內由零達到額定值。

3.2.3 快速開關及過電壓保護單元

某變電站35kV出線保護相間電流Ⅰ段為零時限速動段，繼電裝置固有動作時間不大于40毫秒，這段時間之后斷路器動作。為保證斷路器安全動作，必須在斷路器動作之前將短路電流限制到安全范圍［1］，因此對快速開關的斷開時間提出這樣的指標:直流回路完全斷開時間小于5毫秒，這個時間為快速開關接收到斷開指令，一直到直流回路內電流(包含鐵心內磁能釋放的過程)減小至零(或很小，保證限流器鐵心退出飽和)的時間。

選用IGBT做為快速開關可滿足斷開時間小于5ms的要求，快速開關由4組IGBT串聯組成，如圖5，串聯起到分壓作用，使感應高電壓和關斷過高壓能均攤到每個IGBT兩端，壓敏電阻用于保護IGBT，限制過電壓水平，防止由于關斷不同步而造成的高電壓擊穿IGBT。每個IGBT兩端并聯一組RC緩沖電路(R值為1.1歐，C值為0.05uF)和ZnO壓敏電阻。

圖3 快速開關電氣圖

過電壓保護單元采用高能壓敏電阻，利用壓敏電阻的非線性伏安特性來限制過電壓水平并吸收超導繞組的磁能。

當系統有短路故障時，直流系統快速開關關斷，其超導繞組兩端產生高電壓，過電壓值被壓敏電阻所鉗制，該過電壓值是由所選壓敏電阻的型號決定的，直流系統最高過電壓水平為6.3kV。

3.3 其它關鍵技術

工控機和數據采集保護裝置是整個監控保護系統的核心。直流電源勵磁系統由其下位機單獨控制，通過以太網接口與工控機進行通訊、數據傳輸。壓力、液氮流量、溫度等非電量監控是通過另外的通道上傳到工控機進行顯示、分析，工控機根據監控保護原理發出保護指令到數據采集保護裝置，通過數據采集保護裝置發出數字開關量信號等控制信號，最后控制各個閥門、開關、機械泵工作，保證低溫系統和限流器正常穩定運行。如圖7所示:

圖4 超導限流器的控制及測量系統

4 結束語

超導限流電抗器的主要作用就是限制短路電流。對直流電源的要求是在穩態時能提供穩定的直流電流電流輸出、并具備抗干擾能力;限流態時，能耐受瞬態時的過電壓沖擊;對于控制測量系統的要求是能監測電網三相電流電壓值、短路故障電流的判斷能力，當電網發生短路故障時，能在5ms內切斷限流器的直流勵磁回路，使限流器交流繞組呈現高阻抗，為斷路器安全斷開提供較好的安全條件。恢復態時，能在600ms內(斷路器重合閘之前)將超導繞組勵磁到穩態值，恢復限流器的低阻抗狀態。并經過試驗測試，限流器的直流系統動作性能達到要求。

［1］鄒立峰，周海，熊志全，等.35kV超導限流電抗器的電網三相短路試驗及其限流效果分析［J］.南方電網技術，2010，第4卷:46－49.

［2］陳樹勇，宋書芳，李蘭欣，等.智能電網技術綜述［J］.電網技術，2009，33(8):2－7.

［3］趙遵廉.中國電網的發展與展望［J］.中國電力，2004，37(1):6－11.

［4］謝開，劉永奇，朱治中，等.面向未來的智能電網［J］.中國電力，2008，41(6):14－16.

［5］VERHAEGE T，LAUMOND Y.Fault Current Limiters［M］.Handbook of Applied Superconductivity，BristolIOP Publishing，1998:1691－1702.

［6］YU Jiang，SHIDongyuan，DUAN Xianzhong，et al.Comparison of Superconducting Fault Current Limiter in Power System［C］//IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2001，1:43－47.

［7］田銘興，勵慶孚，王曙鴻.磁飽和式可控電抗器的等效物理模型及其數學模型［J］.電工技術學報，2002(4):18－21.

［8］周臘吾，徐勇，朱青，朱英浩，新型可控電抗器的工作原理和選型分析［J］.變壓器，2003(8):38－40.

［9］王長善，張衛星.電力系統中的新型電抗器［J］.電氣時代，2004(9):41－44.

［10］李民族，劉曉東，廖中偉，朱國榮.調節電抗的新方法［J］.貴州工業大學學報，2002(3).

［11］牟憲民，王建頤，紀延超，等.可控電抗器現狀及其發展.電氣應用，2006，25(4):1－4.

［12］鐘俊濤，安振，章海庭.超高壓可控并聯電抗器的研發及制造［J］.電力設備，2006，7(12):7－10.

［13］信贏，龔偉志，高永全，等 .35V/90MVA掛網運行超導限流器結構與性能介紹［J］，稀有金屬材料與工程，2007，36(3):1－6.