CN104253424A - 新型饱和铁芯高温超导限流器并可作为谐波抑制器 - Google Patents

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张晚英
刘东辉
胡雪峰
佘旺
申鸿哲
周辉
黄守道
王耀南
黎福海
罗安
李欣然
江亚群
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Abstract

本发明公开了一种新型饱和铁芯高温超导限流器并可作为谐波抑制器，包括两个铁芯，每个铁芯上有一个交流超导绕组和一个直流超导绕组，其中一个铁芯上的交流超导绕组和直流超导绕组绕向相同，另一个铁芯上的则相反。超导限流器包含两个回路，直流回路上依次接SSTS1并直流恒流源I0，电阻R1和两个直流超导绕组。交流回路依次接SSTS2并限流电阻R0，交流电源US，电源开关S1，负载电阻RL，电阻R2和两个交流超导绕组。本新型饱和铁芯型高温超导限流器在电网发生短路故障时，既可限制故障电流的峰值又可限制故障电流的稳态值，限流效果非常明显，而且在实验中发现饱和铁芯型高温超导限流器还可以抑制谐波，减少正常情况交流电流波形畸变率，为消除电网谐波开辟新径。

Description

新型饱和铁芯高温超导限流器并可作为谐波抑制器
技术领域
本发明涉及一种故障限流器，特别涉及一种新型饱和铁芯高温超导故障限流器并可作为电力系统谐波抑制器。
背景技术
电网正在向超大规模发展，互联程度不断提高，短路容量和短路电流也不断增大，现有断路器的切断容量有限，为了减小故障电流，出现了许多的电流限流器，例如电力电子限流器，电抗限流器和分裂电抗器等，较理想的是超导限流器。
基本饱和铁芯型高温超导限流器结构图如图1，其直流超导线圈产生很强的直流磁场，使铁芯处于深度磁饱和状态。正常工作时，额定交流电流产生的磁场，不足以使铁芯脱离饱和区，使线圈在电网中处于低感抗状态。当出现短路故障时，大电流产生的磁通势达到超导线圈产生的磁通值，直流磁通和交流磁通方向反向的铁芯脱离饱和状态，在交流线圈中引起磁通量的变化，产生高感抗，从而限制短路电流，而磁通方向相同的另一个铁芯仍然处于饱和状态，阻抗仍很小。采用两组铁芯是为了在正负半周分别限制短路电流，这种限流器在短路状态，虽然对外呈现高阻抗，但超导体并不失超，因此，不存在失超恢复的问题，有利于实现线路重合闸。这种故障限流器的缺陷是：1)基本饱和铁芯型高温超导限流器的一次绕组是铜绕组，它会存在电能损耗和电压损耗。2)基本饱和铁芯型高温超导限流器直流回路中的直流电流在短路故障时会减少短路电流的限制能力。
发明内容
为了解决现有基本饱和铁芯型高温超导故障限流器存在的技术问题，本发明提出一种结构简单、可以限制故障电流的峰值和稳态值的新型饱和铁芯高温超导故障限流器。而且在实验中发现饱和铁芯型高温超导限流器还可以抑制谐波，减少正常情况交流电流波形畸变率，为消除电网谐波开辟新径。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：包括两个铁芯，每个铁芯上有一个交流超导绕组和一个直流超导绕组，其中一个铁芯上的交流超导绕组和直流超导绕组绕向相同，另一个铁芯上的则相反，两个交流超导绕组串接在输电线路中，直流超导绕组用于产生一个很强的直流磁场，使铁芯深度饱和。超导限流器包含两个回路，直流回路上依次接SSTS1并直流恒流源I0，电阻R1和两个直流超导绕组。交流回路依次接SSTS2并限流电阻R0，交流电源US，电源开关S1，负载电阻RL，电阻R2和两个交流超导绕组。
本发明的技术效果在于：1)限流器原副边均采用超导绕组，在正常工作情况，在原副边绕组不会产生电能损耗和电压损耗。2)在短路故障时，通过SSTS快速短接直流电流源提高限流能力，引入阻抗不等于0，使限流器的限流器的限流能力增加，而且使之对高次谐波的抑制作用也相应增加。3)在交流回路串入限流电阻R0，进一步提高了其限流能力。4)由于短路故障能量主要消耗在限流电阻中，而不是消耗在超导电感上，从而大大降低了低温系统的功率级别和运行费用。5)饱和铁芯型高温超导限流器还可以抑制谐波，减少正常情况交流电流波形畸变率，为消除电网谐波开辟新径。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1为基本饱和铁芯型高温超导故障限流器的原理图。
图2为本发明的原理图。
图3正常情况和短路情况线路电流i与偏置电流I0的关系。
图4正常情况和短路情况限流器电压Uab与偏流电流I0的关系。
图5正常情况下线路电流波形及其谐波分析。
图6饱和铁芯限流器的原边等效图。
具体实施方式
参见图2，图2为本发明的原理图。本发明中超导限流器包含两个回路，直流回路上依次接SSTS1并直流恒流源I0，电阻R1和两个直流超导绕组。交流回路依次接SSTS2并限流电阻R0，交流电源Us，电源开关S1，负载电阻RL，电阻R2和两个交流超导绕组。SSTS1和SSTS2的动作时间低于100μs，均满足电力系统重合闸的要求，并增加了限流电阻R0，用于故障限流。
新型饱和铁芯高温超导故障限流器的工作原理：在正常工作情况，固态开关SSTS1处于断开状态，固态开关SSTS2处于闭合状态，限流电阻R0被短路，工作状态与基本饱和铁芯型超导限流器很相似，交流线圈所产生的交流磁场不足以使铁芯脱离饱和区，铁芯内的磁感应强度B不变，交流绕组所交链的磁通Φ恒定，交流绕组两端的感应电动势为零，新型饱和铁芯高温超导限流器的原副边绕组均为超导绕组，不存在电能损耗和电压损耗，也即在正常工作情况没有出现限流现象。当出现短路故障时，大的交流短路电流所产生的磁通量达到或超过直流超导线圈产生的磁通值，直流磁通和交流磁通方向反向的铁芯脱离饱和状态，在交流线圈中引起磁通量的变化，产生高感抗，从而限制短路电流，而磁通方向相同的另一个铁芯仍然处于饱和状态，阻抗仍很小。采用两组铁芯是为了在正负半周分别限制短路电流。SSTS1检测到突然增大的交流短路电流后，在μS级时间后短接直流电流源，提高其限流能力(此发明采用短接直流电流源，引入阻抗不等于0，使限流器的限流器的限流能力增加，而且使之对高次谐波的抑制作用也相应增加。与断开副边直流电流比较可见，当断开直流电流回路，则Z22为无穷大，则引入阻抗为0，只有超导绕组的电感进行限流，限流能力增加比较小，对高次谐波的抑制作用也比较小)。SSTS2也在检测到突然增大的交流短路电流后，在μS级时间后断开，使得限流电阻R0串入限流，进一步提高其限流能力，使得短路故障能量主要消耗在限流电阻R0上，而不是消耗在超导电感上，大大降低了低温系统的损耗。这种限流器，在短路状态，虽然对外呈现高阻抗，但超导体并不失超，因此，不存在失超恢复的问题，具有快速重合闸功能。
正常工作状态，饱和铁芯型高温超导限流器的结构相当于一个空心变压器，可以得到其原边等效电路如图6所示。副边回路自阻抗Z22计算表达式：Z22＝R+jωL2，其中R2为超导绕组的电阻，因超导绕组不失超，其电阻为0，L2为超导绕组的电感。原边回路自阻抗Z11计算表达式：Z11＝R1+RL+jωL1，L1为一次超导绕组的电感，R1为一次超导绕组的电阻，其电阻为0，RL为负载电阻，一次回路的阻抗的计算式为：Z1＝Z11+(ωM)2/Z22。可见饱和铁芯型超导限流器相当于一个电感，因而对电力系统的谐波有抑制作用，当直流电流增加使铁芯饱和，电感趋近于0，对电力系统的谐波的抑制作用减少；引入阻抗与频率的平方成正比，因而频率越高，引入阻抗越大，所以新型饱和铁芯高温超导限流器对高频故障电流有很好的抑制作用。因新型饱和铁芯超导限流器原副边均不存在电阻，因而不存在电能损耗，但会存在电压损耗，如果电力系统高次谐波含量较大时，可以用调压方式使电源端的电压适当调高，然后将超导限流器的直流电流源闭合，此时新型饱和铁芯超导限流器就可以既作为超导限流器，又可作为电力系统谐波抑制器。

Claims (1)

1.一种新型饱和铁芯高温超导限流器并可作为谐波抑制器，包括两个铁芯，每个铁芯上有一个交流超导绕组和一个直流超导绕组，其中一个铁芯上的交流超导绕组和直流超导绕组绕向相同，另一个铁芯上的则相反。超导限流器包含两个回路，直流回路上依次接SSTS1并直流恒流源I0，电阻R1和两个直流超导绕组。交流回路依次接SSTS2并限流电阻R0，交流电源Us，电源开关S1，负载电阻RL，电阻R2和两个交流超导绕组。
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