三種改進型橋式超導故障限流器的仿真分析和比較

張濤 郭贏 姜曉東 咸文濤 譚啟德

摘 ?要：文章分析比較了三種改進型橋式超導故障限流器（SFCL）的技術特點，介紹了三種改進型橋式SFCL的電路結構特點和工作原理，建立了10 kV配電網電路模型，針對配電網中出現的單相接地、兩相接地、兩相相間短路和三相接地等故障類型進行了仿真分析。仿真結果發現，不同的改進型SFCL在不同的故障類型中的限流效果不同。因此，在不同環境下易發的故障類型不同時選擇合適的SFCL是必要的。

關鍵詞：超導故障限流器;短路;橋式;10 kV配電網

中圖分類號：TM774 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）05-0088-04

Simulation Analysis and Comparison of Three Improved Bridge Type Superconducting Fault Current Limiters

ZHANG Tao， GUO Ying， JIANG Xiaodong， XIAN Wentao， TAN Qide

（Zibo Power Supply Company， State Grid Shandong Electric Power Company， Zibo ?255100， China）

Abstract： This paper analyzes and compares the technical characteristics of three improved bridge type Superconductor Fault Current Limiters （SFCL）， and the circuit structure characteristics and working principle of the three kinds of improved bridge type SFCL are introduced and the 10kV distribution network circuit model is established. Simulation analysis is carried out for the single phase to ground fault， two phases to ground fault， phase to phase fault， three phases to ground fault and other fault types in the distribution network. The simulation results show that the current limiting effect of different improved SFCL is not similar in different fault types. Therefore， it is necessary to select the appropriate SFCL for the prone different fault types in different environments.

Keywords： SFCL; short circuit; bridge type; 10 kV distribution network

0 ?引 ?言

當前，電網的短路保護研究成為備受關注的前沿課題。傳統的短路保護措施雖然可以限制電網的短路電流水平，但通常伴隨著電網在其他方面性能的犧牲為代價[1]。橋式超導故障限流器在理論上具有正常運行時能量損耗低，對系統影響小，在故障發生時可立即限流，故障切除后快速恢復的優點。但普通型橋式SFCL只能限制短路故障電流的峰值，而不能限制短路故障電流的穩態值。近年來，隨著電力電子技術的發展，已出現較多對橋式SFCL結構和性能的改進和提高的研究報道[2，3]。

本文介紹了三種較為典型的改進型橋式SFCL，闡述了其結構特點和工作原理[4]。為了對比這三種改進型橋式SFCL的限流能力，本文建立了10 kV配電網的電路模型，利用不同的故障類型對三種改進型橋式SFCL的限流性能進行了仿真分析和比較，給出了這三種改進型橋式SFCL的限流技術特點，為三種改進型橋式SFCL的選擇與應用提供一定的指導[5，6]。

1 ?兩種改進型橋式SFCL介紹

1.1 ?電阻投切型橋式SFCL

圖1所示為電阻投切型橋式SFCL的電路原理圖。相比于普通型橋式SFCL，電阻投切型橋式SFCL去掉了直流偏壓源，接入一個限流電阻R和超導線圈L一起限制故障電流。使用控制開關K，可以靈活地實現限流電阻的接入與切除。

在線路未出現故障時，開關K處于閉合的狀態，這時限流器的電路結構就相當于一個去掉直流偏壓源的普通型橋式SFCL。此時Vd1—Vd4均導通，限流器對整個電路沒有影響。當系統出現故障時，系統的電流要大于流過超導線圈的電流，這時VD1，VD2導通，VD3，VD4截止。超導線圈立即接入系統，故障電流的大小得到了限制。然后，開關K打開，電阻R接入系統與超導線圈L共同限制故障電流，增強了限流器的限流能力。隨著故障的持續，超導電感L不斷被磁化，當iL>i1時，iL經回路VD1、VD4、L、R和回路VD2、VD3、L、R流通，超導電感進入到去磁過程;當iL

1.2 ?雙線圈反向并聯型橋式SFCL

圖2所示為雙線圈反向并聯型橋式SFCL的電路原理圖，其主要是由兩個反向并聯的超導電感線圈構成，且兩個超導電感線圈的電感值相等且耦合系數接近1。

系統在正常狀態時，由于L1=L2且耦合系數k≈1，所以流過這兩個超導電感線圈的電流所產生的磁通可以相互抵消，使總的磁通為零。此時限流器兩端出現的電壓非常小，對電路幾乎沒有影響。當線路出現短路故障時，由于兩個超導電感線圈的臨界電流大小不一樣（可以假設L1的臨界電流大于L2的臨界電流），當iL2

2 ?10 kV配電網仿真模型

為了比較這三種改進型橋式SFCL的限流效果，本文建立了10 kV配電網的電路模型，對三種改進型橋式SFCL在各種短路故障類型中的限流情況進行仿真分析。安裝改進型橋式SFCL后，配電網的單相等值電路如圖3所示。其主要參數選取為：系統電壓Us為10.5 kV（有效值），線路電感L為3.5 mH，線路電阻值R為0.3 Ω;負荷電阻值Rl為10 Ω;設定配電網在0.06秒時出現故障，在0.16秒時故障被切除。

根據上述選擇的基本參數，用MATLAB軟件對兩種改進型橋式SFCL在10 kV配電網中的應用進行仿真研究，其仿真模型如圖4所示。

三種改進型SFCL的具體參數選擇：電阻投切型橋式SFCL參數：L=12 mH，R=12 Ω，故障發生后2 ms開關K斷開;雙線圈反向并聯型橋式SFCL參數：L1=12 mH，L2=12 mH，R1=1 Ω，R2=12 Ω，假設故障發生后超導電感的內阻立即產生。

3 ?仿真結果與分析

3.1 ?單相接地故障

當發生單相接地故障時，以A相為例，電阻投切型橋式SFCL的限制電流峰值和穩態值大小分別為3.3 kA和4.01 kA，縮減率分別為74.7%和56.3%;雙線圈反向并聯型橋式SFCL的限制電流峰值和穩態值大小分別為3.38 kA和4.22 kA，縮減率分別為74.0%和54.0%;混合型橋式SFCL的限制電流峰值和穩態值大小分別為4.41 kA和6.27 kA，縮減率分別為66.2%和31.7%。單相接地故障類型下，三種改進型橋式SFCL的限流數據比較如表1所示?？梢钥闯觯娮柰肚行蜆蚴絊FCL限流效果較好。

3.2 ?兩相接地故障

當發生兩相接地故障時，以A、B兩相為例，表2所示為A相和B相故障電流的限流參數比較。通過比較，可以看出在兩相接地故障類型下雙線圈反向并聯型橋式SFCL的限流效果較好。

3.3 ?兩相相間短路故障

當發生兩相相間短路故障時，以A、B兩相為例，未安裝限流器時，A相故障電流峰值和穩態值大小為9.26 kA和6.8 kA，B相故障電流的峰值和穩態值大小分別為8.55 kA和6.04 kA。安裝混合型橋式SFCL后，A相故障電流的峰值和穩態值大小分別限制為2.42 kA和2.99 kA，B相故障電流的峰值和穩態值大小分別限制為1.89 kA和2.51 kA。三種改進型橋式SFCL的限流仿真數據比較如表3所示?？梢钥闯觯趦上嘞嚅g短路故障時混合型橋式SFCL較其他兩種改進型限流器的限流效果要好一些。

3.4 ?三相接地故障

當配電網發生三相接地故障時，未安裝限流器的故障電流，峰值大小分別為10.6 kA、8.88 kA和8.95 kA，穩態值大小基本相等。安裝電阻投切型橋式SFCL后，A相、B相和C相的故障電流的峰值大小分別限制為2.56 kA、2.13 kA和2.64 kA，穩態值大小也基本相等為3.06 kA。三種改進型橋式SFCL限流仿真的具體數據比較如表4所示?？梢钥闯?，在三相接地故障時電阻投切型橋式SFCL的限流效果要好一些。

4 ?結 ?論

本文通過利用10 kV配電網常見的四種短路故障類型，對三種改進型橋式SFCL的限流性能進行了仿真研究?？梢园l現，三種改進型橋式SFCL都具有較好的限流效果，且對于不同的故障類型，三種改進型橋式SFCL的限流效果不同。其中，電阻投切型橋式SFCL對單相接地故障和三相接地故障的限流效果較好，雙線圈反向并聯型橋式SFCL對兩相接地故障的限流效果較好，而混合型橋式SFCL對兩相相間短路故障的限流效果較好。

參考文獻：

[1] 王俊波，羅容波，李雷，等.高壓電力變壓器雷擊跳閘故障危害預測及抑制方法 [J]，電瓷避雷器，2015（4）：123-127+132.

[2] 李浪.面向直流配電系統的新型固態故障限流器設計 [J].電網與清潔能源，2016，32（3）：87-91.

[3] 陳倩，湯奕.江蘇特高壓建設時期短路電流限制措施 [J].江蘇電機工程，2015，34（5）：21-24.

[4] 黎鵬，崔健，付杰.架空輸電線任一點不對稱短路時OPGW線路電流的分布研究 [J].華北電力大學學報（自然科學版），2014，41（4）：56-60.

[5] 趙鐵英，劉俊領.不同接入方式下限流電抗器參數計算方法研究 [J].電力科學與工程，2015，31（3）：40-45.

[6] 涂春鳴，鄧樹，郭成，等.新型多功能固態限流器對0?接線方式的影響及其解決辦法[J].電力系統保護與控制，2015，43（4）：81-86.

作者簡介：張濤（1993—），男，漢族，山東淄博人，工程師，碩士研究生，研究方向：超導電感儲能技術。