基于Ansoft的500kVSICSFCL仿真分析

李 晶 ,宋 萌 ,王 龍 ,胡南南 ，曹昆南 ，王達(dá)達(dá)

（1.云南電網(wǎng)公司研究生工作站 云南 昆明 650217；2.昆明理工大學(xué) 電力工程學(xué)院,云南 昆明 650500；3.云南電力試驗研究院（集團(tuán)）有限公司電力研究院 云南 昆明650217）

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，電力需求不斷增加，電網(wǎng)容量也不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)的潛在短路功率和故障短路電流也隨之增大，因此要求電氣設(shè)備的抗大電流沖擊能力越來越高。電網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，SFCL因其集檢測、轉(zhuǎn)換和限流于一身的特點可減少降低電網(wǎng)電流短路水平，提高供電可靠性和安全性。利用Ansoft軟件電磁暫態(tài)仿真，建立了SICSFCL的電磁模型，并對500 kV/3150A SICSFCL電磁仿真以及各種情況下的過電壓水平進(jìn)行分析。

1 飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器工作原理

理想的SFCL應(yīng)具有特征：正常運行時穩(wěn)定且呈現(xiàn)的阻抗幾乎為零；當(dāng)發(fā)生短路故障時，應(yīng)立刻呈現(xiàn)為大阻抗，故障切除后應(yīng)立即返回到原來的狀態(tài)[1-2]；并且能在短期內(nèi)承受多次故障電流的沖擊等。尤其SICSFCL在故障限制期間超導(dǎo)線圈不失超，有多次自動起動能力，適于多次重合閘運行；超導(dǎo)線圈是直流的，所需的直流超導(dǎo)電纜較易制造，可采用金屬杜瓦，真空容器用鋁合金作電磁屏蔽；正常運行于故障狀態(tài)間的轉(zhuǎn)變是漸變的，過電壓小。其原理圖如圖1示。

圖1 SICSFCL的原理圖Fig.1 Schematic of the individual SICSFCL

SICSFCL由一對鐵心電抗器組成，每個鐵心上均有一組銅的交流限制繞阻L1和L2，和一組直流超導(dǎo)繞阻X1和X2，兩個交流限制繞阻反極性串聯(lián)，直流超導(dǎo)繞阻串聯(lián)加直流偏壓源。系統(tǒng)正常運行時，調(diào)節(jié)直流偏壓源使兩個鐵心飽和，裝置呈現(xiàn)低阻抗；當(dāng)線路故障時，短路電流使兩個鐵心在一個周期內(nèi)交替去飽和，裝置呈現(xiàn)高阻抗，從而限制了故障電流[3-4]。

2 500 kV/3150 A SICSFCL電磁模型

500 kV/3150 A三相飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器樣機(jī)的3D Aansoft Maxwell電磁模型如圖2所示。

圖2 500ψψψkV/3150A三相SICSFCL 3D電磁模型Fig.2 3D Electromagnetic of 500kV/3150A

3 SICSFCL電磁仿真分析

3.1 SICSFCL穩(wěn)態(tài)電磁仿真分析

考慮SICSFCL模型應(yīng)用于500 kV電網(wǎng)中，SICSFCL串接到母線出口側(cè)，其穩(wěn)態(tài)仿真波形如圖3至7所示。因SICSFCL為感性電抗，仿真中線路阻抗為純電阻時可獲得最差限流效果，此狀態(tài)可更好觀察SICSFCL的限流效果。故障設(shè)置為A相單相接地短路，故障時間0 ms。

由圖3至7可知，系統(tǒng)正常運行時流經(jīng)SICSFCL電流最大值4 375 A，系統(tǒng)電流基本無畸變，說明其對線路電流影響較小。A相交流兩繞組穩(wěn)態(tài)最大壓降最大值均小于19 kV,A相壓降波形（穩(wěn)態(tài)）系統(tǒng)壓降有效值約為12.1 Kv,均小于線路壓降1%符合設(shè)計要求。故超導(dǎo)限流器穩(wěn)態(tài)運行時不會對線路電流、電壓及電能質(zhì)量造成負(fù)面影響[5]。

圖3 交流繞阻壓降波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.3 AC winding voltage drop waveform(steady-state)

圖4 直流繞組電壓波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.4 DCwinding voltage drop waveform(steady-state)

圖5 直流繞組電流波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.5 DCwinding current waveform(steady-state)

圖6 SICSFCL的功率波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.6 SICSFCL power waveform(steady-state)

圖7 SICSFCL交流繞組電壓波形（穩(wěn)態(tài)）Fig.7 ACwinding voltage waveform(steady-state)

3.2 SICSFCL A相接地短路電流60 kA時電磁仿真

500kV/3150A SICSFCL單相接地短路（故障電流60 kA）的仿真波形如圖8～圖11所示。仿真中線路阻抗均為純電阻。

圖8 交流繞阻壓降波形（60kA）Fig.8 ACwinding voltage drop waveform(60kA)

SICSFCL在正常穩(wěn)態(tài)工作時呈現(xiàn)低阻抗特性，穩(wěn)態(tài)壓降約為2.3%，電流諧波畸變率小；當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，限流器阻抗增大，且不同短路電流所對應(yīng)的限流阻抗不同，電流畸變程度也不同。鐵芯存在的局部不飽和區(qū)域?qū)е铝私恢绷骼@組間的互感和交流繞組自感在正負(fù)半周的不平衡[6-7]。

圖9 直流繞組電壓波形（60 kA）Fig.9 DCwinding voltage drop waveform(60 kA)

圖10 直流繞組電流波形（60 kA）Fig.10 DCwinding current waveform(60 kA)

圖11 SICSFCL的功率波形（60 kA）Fig.11 SICSFCL power waveform(60 kA)

由圖12～15知可知鐵芯飽和程度不夠，或者存在大范圍的局部飽和現(xiàn)象。故障下過電壓過高表明交流繞組和直流繞組間存在較大的互感耦合，應(yīng)從設(shè)計上尋求方法予以消除。總體來說500 kV/3150 A飽和鐵芯型超導(dǎo)限流器設(shè)計方案仍舊存在一些缺陷，在工程制造前還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單項短路電流60 kA故障時，流經(jīng)SICSFCL電流最大值88 kA，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)電流值，且含有豐富的電流諧波，故障暫態(tài)電流存在畸變。A相兩個交流繞組最大壓降值約470 kV,最大壓降發(fā)生在故障后第一個波峰[8]。直流繞組感應(yīng)較大的交流繞組電壓，感應(yīng)電壓最大值達(dá)43 kV，需采取措施對直流電流側(cè)進(jìn)行保護(hù)。交流繞組電感值最大值可達(dá)43 mH，且最大值發(fā)生在故障后第一個波峰，電感值隨時間逐漸衰減。交流繞組電抗最大值為16.2Ω，最大值發(fā)生在故障后第一個波峰，電感值隨時間逐漸衰減，且以上均呈雙工頻周期變化[9-10]。

圖12 SICSFCL線路電流波形（60 kA）Fig.12 Line current waveform(60 kA)

圖13 SICSFC交流繞組電壓波形（60 kA）Fig.13 ACwinding voltage waveform(60 kA)

圖14 SICSFCL壓降波形（60 kA）Fig.14 Voltage drop waveform(60 kA)

圖15 SICSFCL電抗波形（60 kA）Fig.15 Reactance waveform(60 kA)

4 結(jié)論

通過以上仿真可以得以下結(jié)論：

1)穩(wěn)態(tài)仿真得到的波形較為理想，與預(yù)期相符。兩個交流繞阻電感、限流器的電抗和壓降均呈現(xiàn)周期性變化；

2)故障下的仿真波形顯示了限流器的工作特性，即：短路故障發(fā)生后，流過限流器的電流劇增，監(jiān)控系統(tǒng)會立即感知故障并借助電力電子開關(guān)在幾個毫秒之間切斷直流勵磁電流兩個鐵心會脫離深度飽和狀態(tài)，故障電流在兩個交流繞阻讓將產(chǎn)生大的限流感應(yīng)電勢，以實現(xiàn)限流。另外由于這一過程中會有很短時間內(nèi)電感值急速上升和下降，形成一個電感的尖峰波形，達(dá)到提升整體等效電抗的效果。此時直流繞組感應(yīng)電壓很高，應(yīng)該會觸動保護(hù)裝置自動開斷直流勵磁。同時，失去直流勵磁后其他兩相的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，應(yīng)在限流器設(shè)計之初就予以考慮。

3)由于波形存在幅值過大的為收斂點和奇異點，顯得波形粗糙。故在使用此分析模型和程序時，應(yīng)盡量細(xì)化網(wǎng)格、縮短時間步長，并提高收斂精度。

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