基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器的應(yīng)用研究

吳 杰，薛太林，靳貳偉

（山西大學(xué) 電力工程系，太原 030013）

隨著直流輸電的發(fā)展，尤其是基于VSC（電壓源型換流器）技術(shù)的HVDC電網(wǎng)發(fā)展[1]，直流輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和安全性受到了巨大挑戰(zhàn)。其中，HVDC電網(wǎng)的短路開斷問題非常嚴(yán)峻。與交流電網(wǎng)不同，直流電網(wǎng)沒有自然過零點(diǎn)，并且直流電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)電感會儲存能量，這對于高壓直流斷路器（HVDC CB）提出了很高的要求[2-3]。從1950年起，在世界范圍內(nèi)就已經(jīng)開始了對高壓斷路器的研究。1980年，ABB公司和西屋公司研制出了可以開斷2200 A故障電流的直流斷路器[4]。2014年，日本研究的直流斷路器可以在10 ms內(nèi)開斷16 kA的故障電流[5]。但是在直流輸電工程中，故障電流可達(dá)20 kA以上，隨著電力系統(tǒng)容量以及電壓等級的提升，傳統(tǒng)的直流斷路器無法很好地切斷如220 kV及以上電壓等級的直流故障電流。所以，很有必要對更大短路電流級別的高壓直流斷路器進(jìn)行研究。

在直流電網(wǎng)中安裝限流器可以很好地限制故障電流，但是過高阻抗的變壓器和電抗器會分得相應(yīng)的電壓，不僅降低了電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)能力，還會增加相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本。隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，超導(dǎo)限流器（SFCL）可以很好地解決電網(wǎng)故障電流過大這一難題[6]。文章將直流開斷技術(shù)和超導(dǎo)限流技術(shù)結(jié)合，對基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器進(jìn)行了應(yīng)用研究。在Matlab搭建含有基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器（SDCCB）的VSC-HVDC電網(wǎng)模型，證明該直流斷路器可以有效開斷HVDC故障電流。

1 基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器的原理介紹

1.1 直流開斷技術(shù)

直流電流沒有自然過零點(diǎn)，所以直流開斷技術(shù)首要條件是創(chuàng)造電流過零點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)直流開斷。不同的直流開斷方法均基于這一首要條件。主要的直流開斷技術(shù)有限流開斷、人工過零、自激振蕩和混合開斷4種。根據(jù)具體關(guān)斷器件不同，高壓直流斷路器又分為機(jī)械式、全固態(tài)式和混合式?；谧约ふ袷幵淼闹绷鏖_斷技術(shù)電路簡單可靠且經(jīng)濟(jì)性好，與超導(dǎo)限流器結(jié)合后可以彌補(bǔ)開斷電流小的缺點(diǎn)，便于關(guān)斷短路電流，故文章采用其作為直流開斷技術(shù)。其原理見圖1。

圖1 基于自激振蕩原理的直流開斷原理Fig.1 DC breaking schematic diagram based on self-excited oscillation principle

基于自激振蕩原理的直流開斷電路包含有直流電源E、線路電阻R、線路電感L以及電流轉(zhuǎn)移支路、載流支路和能量吸收支路。電流轉(zhuǎn)移支路由換流電容Cc和換流電感Lc串聯(lián)而成，載流支路包含換流開關(guān)K，能量吸收支路包含吸能元件MOV。直流開斷時，打開開關(guān)K并產(chǎn)生電弧，電弧的不穩(wěn)定性以及負(fù)的伏安特性使得電流轉(zhuǎn)移支路和載流支路產(chǎn)生振幅不斷增大的振蕩電流。振蕩電流幅值大于開斷電流時產(chǎn)生電流過零點(diǎn)，開關(guān)K電弧熄滅并把電流轉(zhuǎn)移至能量吸收支路，隨后吸能元件MOV動作并全部吸能后完成開斷[7]。

根據(jù)Mary方程，電弧的數(shù)學(xué)模型為

式中：N為弧隙耗散功率。與電路方程聯(lián)立可得自激振蕩臨界條件：

式中：θc為臨界時間常數(shù)；R 為回路電阻；Ra＝u/i；β為電弧特性參數(shù)，且β＝ui/N≤1。式（2）表明斷路器電弧時間常數(shù)小于臨界時間常數(shù)時，才能形成自激振蕩。

1.2 超導(dǎo)限流技術(shù)

超導(dǎo)材料的零電阻性和完全抗磁性使得超導(dǎo)限流技術(shù)成為可能。電力系統(tǒng)中使用超導(dǎo)限流器是解決增大容量電網(wǎng)短路電流的良好方案。

超導(dǎo)限流器（SFCL）本質(zhì)上是一個可變阻抗，按照阻抗性質(zhì)不同分為電阻型超導(dǎo)限流器（R-SFCL）和電感型超導(dǎo)限流器（SI-SFCL）。R-SFCL的原理是利用超導(dǎo)材料經(jīng)歷超導(dǎo)狀態(tài)和失超狀態(tài)的轉(zhuǎn)變進(jìn)行相應(yīng)的通流和限流。SI-SFCL的原理是利用超導(dǎo)元件和電感元件組合后的阻抗特性進(jìn)行通流和限流，超導(dǎo)元件有一些經(jīng)歷失超過程。

R-SFCL受電流、溫度、磁場強(qiáng)度三者影響，當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，流過R-SFCL的電流為正常電流，RSFCL的溫度和臨界電流密度為初始值且小于臨界值，電阻為零，其E-J關(guān)系為

式中：EC為臨界電壓；J為電流密度；JCT為臨界電流密度；α為常數(shù)。

溫度變化與臨界電流密度的關(guān)系為

式中：JCT（77）為 77 K 溫度下的電流密度（77 K 為初始環(huán)境溫度）。

當(dāng)系統(tǒng)故障時，流過R-SFCL的電流為故障電

式中：ρ為系統(tǒng)正常時的電阻率，失超進(jìn)行2 ms左右后，R-SFCL的電阻值會穩(wěn)定在一個常數(shù)附近。

1.3 基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器原理

SDCCB（基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器）的原理如圖2所示，由直流電源E、線路電阻R、線路電感L、超導(dǎo)限流器和直流斷路器組成。超導(dǎo)限流模塊包含超導(dǎo)帶材及其并聯(lián)阻抗RS和RL，用于降低HVDC的故障電流；直流開斷模塊基于自激振蕩原理的直流開斷技術(shù)，包含換流開關(guān)K、換流電容CC、換流電感LC和吸能元件MOV，用于關(guān)斷HVDC電網(wǎng)中經(jīng)超導(dǎo)限流模塊限制后的故障電流。流，超導(dǎo)帶材超過臨界溫度TC后，其E-J關(guān)系為

圖2 SDCCB（基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器）原理圖Fig.2 Schematic diagram of SDCCB（DC circuit breaker based on superconducting current limiter）

系統(tǒng)故障時，故障電流從直流電源E流過線路電阻R和線路電感L，超導(dǎo)限流阻抗RS和RL，經(jīng)由載流支路回到電源負(fù)極形成回路?？傻玫蕉搪冯娏鳛?I=E/（R+Rs），時間常數(shù)為 τ＝（L+Ls）/（R+Rs）；隨著開關(guān)K的打開和關(guān)閉，電流轉(zhuǎn)移支路和載流支路進(jìn)行了振蕩和過零開斷，剩余能量由能量吸收支路吸收。

2 建模及仿真分析

2.1 基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器原理

根據(jù)圖2在Matlab中搭建SDCCB模塊并接入SVC-HVDC中，其電路原理如圖3所示。SVC-HVDC中包括交流系統(tǒng)（交流電源、變壓器）、線路阻抗（R1和 L1）、線路電容 C1、濾波器（Rf和 Lf）、電壓源型整流器、基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器、負(fù)載開關(guān)K和負(fù)載（R2和L2）。SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型圖如圖4所示。

圖3 SDCCB接入SVC-HVDC的電路原理圖Fig.3 Schematic circuit diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

圖4 SDCCB接入SVC-HVDC的仿真模型圖Fig.4 Simulation model diagram of SVC-HVDC after SDCCB is connected to the system

直流電源電壓220kV，線路電阻R為10Ω，電路電感為0.5 H，正常負(fù)載電流為2 kA，功率200 MW；傳輸線路長度為200 km，距離整流器50 km處發(fā)生故障；R-SFCL穩(wěn)態(tài)阻抗為0.1 Ω，限流態(tài)阻抗為20 Ω，其響應(yīng)時間2 ms，觸發(fā)電流密度2.5 kA。超導(dǎo)限流器的阻抗特性如圖5所示。

2.2 基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器仿真分析

分別將傳統(tǒng)高壓直流斷路器和SDCCB接入到SVC-HVDC中，在故障情況下，得到相應(yīng)的電流波形如圖6和圖7所示。

由圖6可得，t=0 ms時發(fā)生直流故障，額定220 kV電壓下故障電流達(dá)到30 kA，電弧時間常數(shù)小于臨界時間常數(shù)，傳統(tǒng)高壓直流斷路器形成自激振蕩，斷路器電流在30 ms內(nèi)逐漸振蕩減小為0，交換回路電路在30 ms內(nèi)逐漸振蕩至短路電流峰值30 kA后，又經(jīng)過30 ms衰減至0，吸能過程在35～60 ms進(jìn)行。由于故障電流大，所以傳統(tǒng)高壓直流斷路器開斷時間達(dá)到60 ms，且在開斷過程中承受了近50 kA的高強(qiáng)電流。

圖5 SFCL的阻抗特性Fig.5 Impedance characteristics of SFCL

圖6 傳統(tǒng)高壓直流斷路器的電流波形Fig.6 Current waveform of traditional HVDC circuit breaker

圖7 SDCCB的電流波形Fig.7 Current waveform of SDCCB

圖7中由于采用了SDCCB，可以看到故障電流被限制在了6 kA左右，流過斷路器、吸能元件以及交換回路的電流也相應(yīng)降低5倍以上，說明超導(dǎo)限流單元起到了非常好的限流作用，對電氣設(shè)備起到了很好的保護(hù)作用。在25 ms時斷路器產(chǎn)生并滿足自激條件，交換回路充電并形成自激振蕩。在5 ms內(nèi)交換回路電流值振蕩到與斷路器電流值相同完成電流開斷，又經(jīng)過2 ms左右吸能回路吸收完剩余能量。開斷和吸能過程共計7 ms左右，比不適用超導(dǎo)限流器配合的傳統(tǒng)限流器時間上快了7倍左右，大大減少了開斷故障電流的時間。

保證超導(dǎo)限流模塊總阻抗不變的情況下，探究直流開斷模塊的電容電感對開斷時間的影響，得到不同電容值和電感值下的直流開斷時間如圖8、圖9所示。

圖8 不同電容值對開斷時間的影響Fig.8 Effects of different capacitance values on switching time

圖9 不同電感值對開斷時間的影響Fig.9 Effects of different inductance values on switching time

由圖8可得，直流開斷時間整體上隨電容的增大而減少，這是由于電容增大引起振蕩頻率降低，振蕩幅值增大。當(dāng)電容值大于38 μF時，會有局部開斷時間增大的情況。由圖9可得，直流開斷時間整體上隨電感的增大而增加，這是由于電感增大引起振蕩頻率降低，振蕩幅值降低。當(dāng)電感值在1.7 mH附近時，開斷時間變化不大。

3 結(jié)語

文章在自激振蕩原理的直流開斷技術(shù)基礎(chǔ)之上加入了超導(dǎo)限流器，將直流開斷技術(shù)和超導(dǎo)限流技術(shù)相結(jié)合，對基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器進(jìn)行了應(yīng)用研究。在Matlab中搭建SDCCB模塊并接入SVC-HVDC中，對比得到了SDCCB的超導(dǎo)限流特性和直流開斷能力，可以將30 kA以上的故障電流限制在幾千安培，大大降低了故障電流對電力設(shè)備的損害，快速關(guān)斷電流的能力使得故障電流可以在短時間內(nèi)關(guān)斷。證明了該SDCCB的可行性和可靠性。此外還在對自激振蕩回路的電容和電感參數(shù)進(jìn)行了仿真，得到了其對于關(guān)斷時間的影響，便于進(jìn)行下一步的對超導(dǎo)限流模塊與直流開斷模塊的阻抗匹配的研究。文章研究表明基于超導(dǎo)限流器的直流斷路器可以廣泛應(yīng)用在高壓直流電網(wǎng)中，更好地解決直流電網(wǎng)故障問題。