改進型飽和鐵心高溫超導限流器的實驗研究

張晚英 胡雪峰 周 輝 佘 旺 劉東輝 朱英浩

（湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082）

1 引言

電網短路容量和短路電流不斷增大，急切需要研制理想的限流器限制短路故障電流，最為理想的限流器是高溫超導限流器（High Temperature Super-Conducting Fault Current Limiter,HTSCFCL）[1-3]。近幾年來HTSCFCL 成為國內外研究前沿[4]。根據HTSCFCL 的動作原理不同，分為失超型和不失超型[6-8]。飽和鐵心型 HTSCFCL是一種不失超型HTSCFCL，不存在失超恢復問題，有利于實現線路重合閘[9-11]。

本文提出了一種改進型飽和鐵心 HTSCFCL，其原副邊繞組均采用超導繞組，在正常工作情況，IGBT1 閉合，不出現限流現象；在短路故障情況，利用IGBT1 快速斷開直流電流以提高限流能力，同時斷開限流器交流回路的IGBT2，使與之并聯的限流電阻R0串入限流，能有效地限制短路電流峰值和穩態值，此種改進型飽和鐵心HTSCFCL 較基本飽和鐵心型HTSCFCL 的突出優點在于[12-18]：限流器原副邊均采用超導繞組，在正常工作情況，不會產生電能損耗和電壓損耗。在短路故障情況，通過快速斷開IGBT1，以斷開限流器的直流電流提高限流能力；快速斷開IGBT2，在交流回路快速串入限流電阻R0，使其限流能力進一步提高。通過仿真及實驗結果表明，該限流器具有很好的限流效果，能顯著減少電力系統的暫態和穩態故障電流。該限流器能抑制電力系統的高次諧波，改善電網電能質量，并能實現線路重合閘。

如果電力系統高次諧波含量較大時，在正常情況，也可將IGBT1 斷開，那么在正常情況也會存在電壓損耗，因為改進型飽和鐵心HTSCFCL 原副邊繞組為超導繞組，沒有電能損耗，所以只需用調壓方式使電源端的電壓適當調高以補償電壓損耗，因而不影響正常情況電力系統的運行電壓和運行電流，改進型飽和鐵心HTSCFCL 既可作為故障電流的限制器，又可作為電力系統諧波抑制器。

2 基本飽和鐵心型HTSCFCL

2.1 基本飽和鐵心型HTSCFCL 線圈參數

基本飽和鐵心型HTSCFCL 的運行原理如圖1所示[5]。實驗采用多心Bi2223 帶材高溫超導直流繞組，帶材寬度為4mm，臨界電流12.5A，每個鐵心上的超導繞組為70 匝。超導繞組共七層，每層10匝。為防止匝間短路，匝間間距取1mm，層間采用氧化鋁箔絕緣。其設計參數見表1。樣機正常運行時超導線圈置于液氮（77K）冷凍罐中，電感為1.03mH，超導線圈電阻為零，偏流I0和實驗中線路短路電流峰值不能大于12.5A 的臨界電流，以防止超導線圈失超。

圖1 飽和鐵心型HTSCFCL 的運行原理Fig.1 Working principle of the saturated core HTSCFCL

表1 超導線圈的設計參數Tab.1 The design parameters of the superconducting coil

2.2 實驗

2.2.1 實驗電路

基本飽和鐵心型HTSCFCL 實驗原理圖如圖2所示，Us為交流電壓源，I0為直流恒流源，T為調壓器，R2為交流回路內阻（實驗測試值），虛線內為基本飽和鐵心型HTSCFCL，實驗數據采用電力質量分析儀HIOKI3196 采集，表2為實驗參數，圖3～圖6為實驗結果。

圖2 基本飽和鐵心型HTSCFCL 的原理圖Fig.2 Schematic diagram of saturated core HTSCFCL

表2 實驗參數Tab.2 Test parameters

2.2.2 實驗結果

采用表2 的實驗參數，先不投入限流器，用電力質量分析儀 HIOKI3196 記錄正常及故障情況線路電流波形如圖3a、3b 所示，測得其正常情況和故障情況線路電流的有效值分別為0.915A、7.910A，線路短路故障電流峰值為16.56A。然后將限流器投入運行，直流偏流 I0=6A 時，用電力質量分析儀HIOKI3196 錄下正常情和故障情況的線路電流波形如圖3c、3d 所示。圖3c為正常情況的線路電流波形，其電流有效值為0.896A。圖3d為短路故障情況的線路電流波形，故障電流峰值為7.32A。由圖3a、3c 可見，忽略實驗誤差，直流偏置電流達到飽和鐵心HTSCFCL 的飽和電流（鐵心的飽和電流為6A），線路電流的峰值小于飽和電流，限流器基本沒有限流現象出現。由圖3b、3d 可見，比較有無限流器限流時線路短路電流的峰值。當無限流器限流時短路故障電流峰值為16.56A；有限流器限流時短路故障電流的峰值為7.32A，可見有限流器限流時線路短路電流峰值下降了1.26 倍，表明在故障情況下限流器有較明顯的限流作用。

圖3 正常情況和短路情況線路電流波形Fig.3 Waveforms of line current during normal state and short circuit state

2.2.3 直流偏流I0對限流效果的影響

采用表2 的實驗參數，研究直流偏置電流I0對限流器限流效果的影響，改變I0的大小，實驗結果如圖4、圖5 所示，圖4 的線路電流分別為正常情況和短路情況線路電流峰值(文中圖示其他坐標軸上的標注均為有效值)，圖4a為正常情況線路電流i 與直流偏置電流I0的關系，偏置電流I0越大，線路電流i 越大，當偏置電流I0≥6A，線路電流趨向于恒定值，因為此時鐵心已達到了飽和狀態，鐵心內的磁感應強度B 不變，交流繞組所交鏈的磁通恒定，交流繞組兩端的感應電動勢為零，沒有限流現象出現。圖4b為故障情況線路電流i 與直流偏置電流I0的關系，偏置電流I0越大，線路電流i 越大，當偏置電流I0≥6A 后，線路電流雖也隨偏流的增大而增大，但曲線變得略為平緩。這是因為當出現短路故障時，大的交流短路電流所產生的磁通量達到或超過直流超導線圈產生的磁通值，直流磁通和交流磁通方向反向的鐵心脫離飽和區，限制線路短路電流，但交直流磁通方向相同的另一個鐵心仍為飽和狀態，阻抗仍很小，此時只有一個鐵心上的交流繞組處于限流狀態，因而限流能力略有下降。采用兩組鐵心，是為了在正負半周分別限制線路中的短路電流。

圖4 正常情況和短路情況線路電流i 與偏置電流I0的關系Fig.4 Relation of the line current i and the DC current I0during normal state and short circuit state

圖5為正常情況和短路情況限流器電壓Uab與直流偏置電流I0的關系，直流偏置電流I0越大，限制電壓Uab越小。直流偏流為0 時限制電壓Uab最大。以正常情況為例，當偏流為0 時，限制電壓Uab最大，其值為23.58V；當直流偏流為8A 時，限制電壓 Uab=7.40V。以短路故障情況為例，當偏流為0時，限制電壓Uab最大，其值為52.24V；當直流偏流為8A 時，限制電壓Uab=42.17V。運行角度要求正常運行情況限流器不限流，限制電壓Uab越小越好，正常運行情況需加偏流；故障情況Uab越大越好，在故障情況不要加直流偏流，以提高其限流能力。

圖5 正常情況和短路情況限流器電壓Uab與偏流電流I0的關系Fig.5 Relation of the voltage Uaband the DC current I0during normal state and short circuit state

2.2.4 實驗諧波分析

圖2 所示實驗電路，采用表2 所示實驗參數，得到正常情況線路電流波形及其諧波含量如圖6 所示。本實驗使用了BT3—10/0.5 環形鐵心調壓變壓器，其電流波形為矩形波，矩形波分解為傅里葉級數，級數展開式中的諧波均為奇次諧波，使得線路電流的諧波畸變率很高。首先將限流器和調壓器移去，得到圖6a 所示為無調壓器、無限流器時線路電流波形及其諧波含量，可見線路電流中的諧波畸變率為1.18%,含量很低。然后將調壓變壓器接入，得到圖6b 所示有調壓器和無限流器時線路電流波形及其諧波含量，可見線路電流的諧波畸變率為42.59%，因為BT3—10/0.5 環形鐵心調壓變壓器的存在，使得諧波畸變率很高。最后將限流器和調壓器同時接入，得到圖6c 所示有限流器、有調壓器時線路電流波形及其諧波含量，線路電流諧波畸變率為37.93%，因為限流器的接入使得線路電流諧波畸變率減少了4.66%。

圖6 正常情況下線路電流波形及其諧波分析Fig.6 Analysis of line current waveform and harmonic during normal state

2.2.5 基本飽和鐵心型HTSCFCL 諧波抑制機理

正常工作狀態，基本飽和鐵心型HTSCFCL 的結構相當于一個空心變壓器，可以得到其一次等效電路如圖7 所示。二次回路自阻抗Z22計算表達式：Z22=R2+jωL2，其中R2為直流超導繞組的電阻，因超導繞組不失超，其電阻為0，L2為直流超導繞組的電感。一次回路自阻抗 Z11計算表達式：Z11=R1+RL+jωL1，L1為一次銅繞組的電感，R1為一次銅繞組的電阻，RL為負載電阻，一次等效電路的阻抗計算式為：Z1=Z11+(ωM)2Z22?？梢娀撅柡丸F心型HTSCFCL相當于一個等效電阻串一個等效電感，等效電感對電力系統的諧波有抑制作用，當直流電流增加使鐵心飽和時，其等效電感趨近于0，對電力系統諧波的抑制作用減少。

圖7 飽和鐵心限流器的一次等效圖Fig.7 The primary side equivalent circuit diagram of the saturated core HTSCFCL

3 改進型飽和鐵心HTSCFCL

3.1 工作原理

由于直流偏流I0對飽和鐵心型限流器的限流效果產生很大的影響，提出了改進型飽和鐵心HTSCFCL，提高了限流能力。圖8為原理圖，直流恒流源提供直流電流I0，Us為交流電源，限流器包含兩個鐵心，每個鐵心上有兩個繞組，一個交流超導繞組和一個直流超導繞組，其中一個鐵心上兩個繞組繞向相同，另一個鐵心上繞組繞向相反，兩個交流繞組串接在輸電線路中。

圖8 改進型飽和鐵心HTSCFCL 的原理圖Fig.8 Principle circuit of the improved saturated core HTSCFCL

正常運行時，改進型飽和鐵心 HTSCFCL 的IGBT1 和IGBT2 均處于閉合狀態，限流電阻R0被短路，限流器的直流回路處于導通狀態，工作狀態與基本飽和鐵心型HTSCFCL 很相似，交流線圈所產生的交流磁場不足以使鐵心脫離飽和區，鐵心內的磁感應強度B 不變，交流繞組所交鏈的磁通Φ 恒定，交流繞組兩端的感應電動勢為零。而基本飽和鐵心型HTSCFCL 的交流繞組是銅繞組，在正常運行情況存在電能損耗和電壓損耗，在正常工作情況有限流現象出現，因銅繞組的電阻很小，限流現象不是很明顯；改進型飽和鐵心HTSCFCL 的原副邊繞組均為超導繞組，不存在電能損耗和電壓損耗，也即在正常工作情況沒有出現限流現象。

當改進型飽和鐵心 HTSCFCL 出現短路故障時，大的交流短路電流所產生的磁通量達到或超過直流超導線圈產生的磁通值，直流磁通和交流磁通方向反向的鐵心脫離飽和區，限制線路短路電流，但交直流磁通方向相同的另一個鐵心仍為飽和狀態，阻抗很小。采用兩組鐵心，是為了在正負半周分別限制線路中的短路電流。IGBT1 檢測到突然增大的交流短路電流后，在微秒級時間斷開，從而斷開直流電流，使鐵心脫離飽和區，提高其限流能力。IGBT2 也在檢測到突然增大的交流短路電流后，在μS 級時間斷開，使得限流電阻R0串入限流，進一步提高其限流能力，使得短路故障能量主要消耗在限流電阻R0上，而不是消耗在超導電感上，以降低低溫系統運行費用和功率級別。兩個IGBT 動作時間均不超過100μs，沒有失超恢復問題，具有快速重合閘功能。改進型飽和鐵心HTSCFCL 的結構圖如圖9 所示。

圖9 改進型飽和鐵心HTSCFCL 的結構圖Fig.9 The structure diagram of an improved saturated core HTSCFCL

3.2 實驗結果

采用表3 實驗參數，為了便于對比，表3 的實驗參數和表2 的實驗參數基本一致，將改進型飽和鐵心 HTSCFCL 投入運行，利用電力質量分析儀HIOKI3196 錄下正常情況和故障情況線路電流波形如圖10 所示。

表3 實驗參數Tab.3 Test parameters

圖10 改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流后的正常情況和短路情況線路電流波形Fig.10 The waveforms of line current with the improved saturated core HTSCFCL during normal state and fault state

圖10a為加改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流的正常情況線路電流波形，對比圖3a 正常情況不加限流器限流時的線路電流波形和圖3c 正常情況加基本飽和鐵心型限流器限流時的線路電流波形，圖10a 測得正常情況線路電流有效值為0.910A，圖3a測得正常情況線路電流有效值為0.915A，圖3c 測得正常情況線路電流有效值為0.896A。忽略實驗誤差，當偏流電流I0超過正常情況線路電流峰值時，改進型飽和鐵心HTSCFCL 不出現限流現象，其電流有效值與不限流時的正常情況電流有效值近似相等。而基本型飽和鐵心HTSCFCL 正常情況電流有效值略小于改進型飽和鐵心HTSCFCL 的正常電流值，這是因為基本型飽和鐵心HTSCFCL 的一次繞組為銅繞組，銅繞組在正常情況有電能損耗和電壓損耗，因而在正常情況也存在不太明顯的限流現象。圖10b為加改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流的線路故障電流波形，對比圖3b 故障情況不加限流器限流時的線路電流波形和圖3d 故障情況加基本飽和鐵心型HTSCFCL 限流時的線路電流波形，圖10b 測得線路故障電流峰值為5.0A，圖3b 測得線路故障電流峰值為16.5A，圖3d 測得線路故障電流峰值為7.31A，可見改進型飽和鐵心HTSCFCL 使故障電流減少了2 倍多，而基本飽和鐵心HTSCFCL 使故障電流只減少了1 倍多，此次實驗暫不考慮R0對限流能力的影響，所以取R0=0Ω，如果考慮R0的影響使限流能力還會進一步提高，可見改進型飽和鐵心 HTSCFCL 對線路故障電流有非常明顯的限制作用。

3.3 改進型飽和鐵心HTSCFCL 諧波抑制機理

正常工作狀態，改進型飽和鐵心HTSCFCL 的結構也相當于一個空心變壓器，其一次等效電路也如圖 7 所示。二次回路自阻抗 Z22計算表達式：Z22=R2+jωL2，其中R2為直流超導繞組的電阻，因超導繞組不失超，其電阻為0，L2為直流超導繞組的電感。一次回路自阻抗 Z11計算表達式：Z11=R1+RL+jωL1，L1為一次超導繞組的電感；R1為一次超導繞組的電阻，因超導繞組不失超，R1為0；RL為負載電阻。一次等效電路的阻抗計算式為：Z1=Z11+可見改進型飽和鐵心HTSCFCL相當于一個等效電感，對電力系統的諧波有抑制作用，當直流電流增加使鐵心飽和時，其等效電感趨近于0，對電力系統的諧波的抑制作用減少。如果電力系統高次諧波含量較大時，因改進型飽和鐵心HTSCFCL原副邊均為超導繞組，因而不存在電阻，即不存在電能損耗，但會存在電壓損耗，可以用調壓方式使電源端的電壓適當調高，然后將改進型飽和鐵心HTSCFCL 的直流電流斷開，此時改進型飽和鐵心HTSCFCL 既可作為故障電流限制器，又可作為電力系統諧波抑制器。

4 Matlab 仿真結果

采用表3 參數,對圖8 進行仿真，設短路故障時刻為t=0.1s，仿真結果如圖11～圖13 所示。

圖11a為限流器交流繞組為超導繞組時線路正常電流波形，圖11b為限流器交流繞組為銅繞組時線路正常電流波形。圖 11a 線路電流的有效值為0.908A，圖11b 線路電流有效值0.898A。因為銅繞組存在電阻，因而在正常情況存在限流現象，而超導繞組電阻為 0，在正常情況沒有限流現象出現。

圖11 正常情況線路電流仿真結果Fig.11 Simulation results of the line current during normal state

圖12a為限流器交流繞組為超導繞組時線路故障電流仿真波形，圖12b為限流器交流繞組為銅繞組時線路故障電流仿真波形，圖12a 中線路電流最大值為5.23A，圖12b 中線路電流最大值為5.06A。因為銅繞組存在電阻，而超導繞組電阻為0，因而在故障情況交流繞組為銅繞組時的限流電流略小一些。

如圖13為改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流后線路故障電流仿真結果，從圖中可見線路正常電流有效值為0.908A，線路故障電流峰值為5.23A。對比圖10a 和圖10b 的實驗結果，由圖10 實驗結果可得到，線路正常電流有效值為0.910A，線路故障電流峰值為5.0A。仿真計算中忽略了連線電阻和實驗儀器的誤差，所以實驗結果比仿真結果略小，可見仿真結果與實驗結果還是基本一致。圖13 的曲線上有兩次跳躍：短路故障瞬間，故障電流急劇增大，超過了偏置電流 I0，第 1次跳躍是改進型飽和鐵心HTSCFCL 首先以基本飽和鐵心型HTSCFCL 形式串入限流；經過100μs 左右延遲，IGBT1 斷開，直流偏流退出運行，使限流器的限流能力增加，使得曲線出現第2次跳躍。但在圖10a 和圖10b 的實驗結果中沒有出現跳躍現象，因為在實驗中用開關取代IGBT，圖10a為加改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流的正常情況線路電流波形，10b為加改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流的線路故障電流波形，而圖13兩次跳躍前后的波形分別對應正常情況的線路電流波形和故障情況線路電流波形，也即對應圖10a 和圖10b 電流波形。

圖13 改進型飽和鐵心HTSCFCL 限流后線路故障電流仿真結果Fig.13 Simulation results of the line current with the improved saturated core HTSCFCL during fault state

5 結論

通過實驗與仿真分析，改進型飽和鐵心限流器不僅可限制故障電流峰值還可限制故障電流穩態值，在正常工作情況下，兩個IGBT 處于閉合狀態，直流超導繞組中的直流電流使飽和鐵心型HTSCFCL處于飽和狀態，其上四個繞組均采用超導繞組，正常工作情況限流器不會出現限流現象，在短路故障情況，兩個IGBT 快速動作，斷開限流器直流超導繞組中的直流電流，提高限流能力，同時使限流電阻快速串入限流，進一步提高限流能力。改進型飽和鐵心HTSCFCL 能抑制電力系統的諧波，還能有效實現線路重合閘。選擇串入合適的限流電阻 R0的值，能滿足電力系統的擴容需要。

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