CN214204935U - 一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站 - Google Patents
一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，它的组成：隔离开关(11，12，13，14，15，16)，双母线(21，22)，断路器(31，32)，三绕组变压器(41，42)，改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)，其特征在于：在双母线(21，22)之间加装改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)，改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)组成：电抗系统、低温系统、直流励磁系统以及监控系统。本实用新型的技术效果：超导线圈与网侧高压隔离、无电气连接，主要限流单元基于成熟的电力变压器制造技术，在耐受高电压、大电流方面具有独特优势，在高压、超高压领域有发展前景。
Description
技术领域
本实用新型应用于电力系统高温超导限流器，特别是将改进饱和铁芯型高温超导限流器应用于220kV变电站。
背景技术
为了抑制短路电流对电力设备造成的损害，维护电力系统的安全运行，提高电网的可靠性与稳定性，寻找有效的短路限流措施来限制故障短路电流已经成为当下电力系统建设发展的迫切需求。
传统限制短路电流的措施主要从两个方面入手。一是从宏观上调整电网运行结构，改变电力系统运行方式。二是在电网中配置电抗器、高阻抗变压器等常规的限流设备。这一措施通过提高线路阻抗来降低故障后短路电流水平，成本相对较小，但是会对电力系统的正常运行产生无法忽视的不良影响，例如电压降落与功率损耗，无法满足电力系统的运行要求。
基于超导技术的故障电流限制器即超导限流器的开发已成为近年来各国限流技术研究的前沿课题之一。它具备如下优点：①可以在高压下运行；②正常运行时通过大电流只呈现很小的阻抗甚至是零阻抗；③故障时可以在极短时间内(毫秒甚至是亚毫秒级)从低阻抗状态切换到高阻抗，有效地限制故障电流；④集检测、触发和限流于一体，是电力系统理想的限流装置。
目前研究表明，多数超导限流器可将短路电流有效值降低20-50％，甚至限制到额定电流两倍左右的水平，其限流效果非常明显，因而可以有效解决短路电流对系统和电气设备的危害，减少经济损失，降低电网建设成本，促进电力发展、提高电网安全可靠性。
实用新型内容
本实用新型提出将一种改进饱和铁芯型高温超导限流器应用于220kV变电站技术方案。具体如下：
一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，它的组成：隔离开关11、12、13、14、15和16，双母线21、22，断路器31、32，三绕组变压器41、42和改进饱和铁芯型高温超导限流器5，其特征在于：在双母线21、22之间加装改进饱和铁芯型高温超导限流器5，改进饱和铁芯型高温超导限流器5的组成：电抗系统、低温系统、直流励磁系统以及监控系统。
所述电抗系统是设备的主要功能单元，其组成为：交流绕组、超导绕组、铁芯和杜瓦。
所述交流绕组由常规导体绕制，每两个相邻窗口的线圈串联为一相，串接入电网中，是起限流作用的主要部件，其导体、绝缘结构及动、热稳定性，应根据接入网络的电压等级、绝缘水平、短路水平等确定。
所述超导绕组密封于充满液氮的杜瓦中，通过电流引线与直流励磁系统连接，为铁芯提供直流偏磁。
所述铁芯为口字型结构，为交流、直流绕组提供磁通路，通常采用硅钢片制作，绕有直流励磁绕组的铁芯柱称为直流柱，绕有交流绕组的铁芯柱称为交流柱，采用变截面铁芯结构，轭铁截面积与直流柱铁芯截面积、交流柱铁芯截面积之比，通常大于1。
所述直流励磁系统为超导绕组提供直流励磁电流，其组成为：直流电源、快速开关和释能回路模块。
本实用新型的技术效果：该改进饱和铁芯型高温超导限流器具有变截面铁芯和限流时可速断直流的特点；在正常运行时，超导线圈通直流，损耗低；限制短路电流时，超导线圈不失超，适用于自动重合闸运行；超导线圈与网侧高压隔离、无电气连接，主要限流单元基于成熟的电力变压器制造技术，在耐受高电压、大电流方面具有独特优势，在高压、超高压领域有发展前景。
附图说明
图1是220kV变电站基本主接线图。
图2是改进饱和铁芯型高温超导限流器系统结构图。
图3是改进饱和铁芯型高温超导限流器直流励磁系统原理图。
图中：11、12、13、14、15和16为隔离开关，21、22为双母线，31、32为断路器，41、42为三绕组变压器，5为改进饱和铁芯型高温超导限流器。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型具体实施方式做进一步的说明。
1.整体技术方案
一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，它的组成：隔离开关11、12、13、14、15和16，双母线21、22，断路器31、32，三绕组变压器41、42和改进饱和铁芯型高温超导限流器5，其特征在于：在双母线21、22之间加装改进饱和铁芯型高温超导限流器5，改进饱和铁芯型高温超导限流器5的组成：电抗系统、低温系统、直流励磁系统以及监控系统。如图1、图2所示。
所述电抗系统是设备的主要功能单元，其组成为：交流绕组、超导绕组、铁芯和杜瓦。如图2所示。
所述交流绕组由常规导体绕制，每两个相邻窗口的线圈串联为一相，串接入电网中，是起限流作用的主要部件，其导体、绝缘结构及动、热稳定性，应根据接入网络的电压等级、绝缘水平、短路水平等确定。如图2所示。
所述超导绕组密封于充满液氮的杜瓦中，通过电流引线与直流励磁系统连接，为铁芯提供直流偏磁。如图2所示。
所述铁芯为口字型结构，为交流、直流绕组提供磁通路，通常采用硅钢片制作，绕有直流励磁绕组的铁芯柱称为直流柱，绕有交流绕组的铁芯柱称为交流柱，采用变截面铁芯结构，轭铁截面积与直流柱铁芯截面积、交流柱铁芯截面积之比，通常大于1。
所述直流励磁系统为超导绕组提供直流励磁电流，其组成为：直流电源、快速开关和释能回路模块。如图2所示。
2.双母线
在发电厂和变电所的各级电压配电装置中，将发动机、变压器与各种电器连接的导线，统称为母线，大都采用矩形或圆形截面的裸导线或绞线。母线的作用是汇集、分配和传送电能。由于母线在运行中，有巨大的电能通过，短路时，承受着很大的发热和电动力效应，因此，必须合理的选用母线材料、截面形状和截面积以符合安全经济运行的要求。
双母线是电厂、变电站中广泛采用的一种母线方式，如果在两排并列的母线上都有隔离开关，则这两排母线的连接开关，就是母联开关。双母线接线方式通常是将母联开关合上使双母线并列运行，这样当一组母线发生短路故障时，母差保护只需要将连接在该组母线上各元件的断路器和母联开关跳开，而另一段母线仍继续工作。这种母线方式供电可靠，调度灵活，扩建方便，便于设计。但因为增加了一组母线，每一回路增加一组母线隔离开关，所以增加了成本，同时操作复杂，占地面积增加。
在220kV及以上电压等级重要电厂、枢纽变电站双母线保护使用两套RCS-915AB，两套RCS-916D，母差保护双重化、断路器失灵的双重化配置。
3.三绕组变压器
在电力系统中最常用的是三绕组变压器。三绕组变压器的每相有3个绕组，当1个绕组接到交流电源后，另外2个绕组就感应出不同的电势，这种变压器通常用于需要2种不同电压等级的负载。用一台三绕组变压器连接3种不同电压的输电系统比用两台普通变压器经济、占地少、维护管理也较方便。三相三绕组变压器通常采用Y-Y-Δ接法，即原、副绕组均为Y接法，第三绕组接成Δ。Δ接法本身是一个闭合回路，许可通过同相位的三次谐波电流，从而使Y接原、副绕组中不出现三次谐波电压。这样它可以为原、副边都提供一个中性点。在远距离输电系统中，第三绕组也可以接同步调相机以提高线路的功率因数。
三绕组变压器有高压、中压、低压三个绕组，有三个电压比，即高压与中压、高压与低压、中压与低压三个。每相的三个绕组套在一个铁芯柱上，为了便于绝缘，高压绕组通常都置于最外层。升压变压器的低压绕组放在高、中压绕组之间，这样布置的目的是使漏磁场分布均匀，漏抗分布合理，不致因低压和高压绕组相距太远而造成漏磁通增大以及附加损耗增加，从而保证有较好的电压调整率和运行性能。降压变压器主要从便于绝缘考虑，将中压绕组放在高压、低压绕组之间。根据国内电力系统电压组合的特点，三相三绕组变压器的标准连接组标号有YN，yn0，d11和YN，yn0，y0两种。
三绕组电力变压器各绕组的容量按需要分别规定。其额定容量是指三个绕组中容量最大的那个绕组的容量，一般为一次绕组的额定容量。并以此作为100％，则三个绕组的容量配置有100/100/50、100/50/100、100/100/100三种。
4.断路器
断路器是指能够关合、承载和开断正常回路条件下的电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路条件下的电流的开关装置。断路器按其使用范围分为高压断路器与低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压断路器。
断路器可用来对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载、短路或者欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件。目前已获得了广泛的应用。
断路器一般由触头系统、灭弧系统、操作机构、脱扣器、外壳等构成。
当短路时，大电流(一般10至12倍)产生的磁场克服反力弹簧，脱扣器拉动操作机构动作，开关瞬时跳闸。当过载时，电流变大，发热量加剧，双金属片变形到一定程度推动机构动作(电流越大，动作时间越短)。
断路器的特性主要有：额定工作电压Ue；额定工作电流Ie；过载保护(Ir或Irth)和短路保护(Im)的脱扣电流整定范围；额定短路分断电流(工业用断路器Icu；家用断路器Icn)等。
额定工作电压(Ue)：这是断路器在正常(不间断的)的情况下工作的电压。
额定工作电流(Ie)：这是配有专门的过电流脱扣继电器的断路器在制造厂家规定的环境温度下所能无限承受的最大电流值，不会超过电流承受部件规定的温度限值。
5.改进饱和铁芯型高温超导限流器
5.1基本结构
超导绕组密封于充满液氮的杜瓦中，通过电流引线与直流励磁系统连接，为铁芯提供直流偏磁。直流偏磁的大小直接影响稳态运行时铁芯的饱和程度和稳态阻抗值，使用高温超导材料制作直流励磁绕组，不仅可以大大提高偏磁能力、减小直流绕组的质量和体积，而且可以降低限流器的额定损耗，解决直流励磁绕组发热和由发热引起的散热难题。而为了使超导绕组维持在超导状态，必须保证它工作在液氮温区或更低温度下，因此需要低温系统为超导绕组提供低温工作环境，温度应不超过77K。杜瓦即是低温系统的一部分。
铁芯为口字型结构，为交流、直流绕组提供磁通路，通常采用硅钢片制作。绕有直流励磁绕组的铁芯柱称为直流柱，绕有交流绕组的铁芯柱称为交流柱。采用变截面铁芯结构，轭铁截面积与直流柱铁芯截面积、交流柱铁芯截面积之比，通常大于1，能够使直流偏置磁通更多地送达交流侧铁芯，有效地保证交流侧铁芯的深度饱和，确保改进饱和铁芯型高温超导限流器正常通流态有较低的阻抗，降低稳态损耗；三相改进饱和铁芯型高温超导限流器，需要六组铁芯。为了降低超导材料的用量和低温系统的成本，将六个直流柱放在一起，六个交流柱以6角均匀排布。该排布方式称为三相六铁芯布局。如此设计的优点在于：①只需要一个超导直流绕组和一套低温系统，大大降低了直流励磁超导绕组的制造成本。②正常运行时，三相交流绕组通过对称电流，产生的磁通在直流柱内相互抵消，直流柱内的磁通基本维持不变，理论上讲直流绕组两端感应电压应该为零，发热量很小，减小了低温热负荷。因此，电抗系统交、直流绕组和铁芯的参数及结构设计是保证改进饱和铁芯型高温超导限流器限流和稳态性能的基础和关键。
直流励磁系统为超导绕组提供直流励磁电流，由直流电源、快速开关和释能回路等功能模块组成，如图2所示。直流励磁系统的原理图如图3所示，短路故障后，几个毫秒内快速开关K3将直流源切断，超导绕组上的能量通过释能回路释放。如此设计，虽增加了改进饱和铁芯型高温超导限流器的复杂程度，但却带来了如下几点好处：①短路故障时，直流励磁回路被断开，每相的两个铁芯同时退出饱和状态，两个交流绕组均表示出高阻抗，限流效果明显。这样在同样限流能力的要求下可以减小饱和铁芯型高温超导限流器的尺寸，降低成本。②短路故障后，直流源被切断，无需为了维持电流恒定而增加大量设备，降低直流源的复杂程度，并解决了故障状态下直流源被损坏的隐患。③能量释放单元不仅能迅速释放直流励磁绕组上的能量，而且能钳住绕组两端电压，保护直流回路的元器件。
监控系统实现与电网的通信和对设备各部分的监控，包括对短路故障的判断、切断直流动作指令的发出、线路电气参数和设备运行状况的实时记录与保存等。
通过监控系统判断短路电流的发生，然后控制改进饱和铁芯型高温超导限流器进行限流。在短路发生的瞬间由监控装置完成对短路电流的判断并发出动作指令，直流控制回路在故障发生几个毫秒内切断直流励磁回路，使两个铁芯同时退饱和进入限流态。且根据与继保的配合要求，改进饱和铁芯型高温超导限流器在限流动作完成后应能够快速复位，并在要求时间内恢复到低阻流通的状态，满足线路重合闸的要求。
5.2主要结构参数
交流绕组匝数N：交流绕组即指运行时与外部系统串联，流过交流电流的线圈，这里交流绕组匝数仅指一个交流绕组的匝数。交流绕组匝数对改进饱和铁芯型高温超导限流器的稳态和限流性能均有影响。
交流柱铁芯截面积S：交流绕组所包围的铁芯立柱的有效截面积。截面积为圆形时，也可用等效直径表示。交流柱铁芯截面同样与改进饱和铁芯型高温超导限流器的稳态和限流性能密切相关。
铁芯截面比KS：轭铁截面积与直流柱铁芯截面积、交流柱铁芯截面积之比，通常大于1，与改进饱和铁芯型高温超导限流器的稳态性能紧密相关。
励磁安匝比Ka：超导直流绕组励磁安匝数和交流绕组安匝数之比，通常大于1，与改进饱和铁芯型高温超导限流器的稳态性能紧密相关。
5.3主要性能参数
额定电压Un：额定电压Un是改进饱和铁芯型高温超导限流器所挂电网的额定(线)电压。与其对应的基本绝缘水平决定电抗系统绝缘结构的设计，如交流绕组尺寸、高压对地的绝缘距离等。
额定电流In：电网输送的电流因负载情况的变化而变化，改进饱和铁芯型高温超导限流器的额定电流In是其允许长期留过的最大电流。通常与所挂电网的额定输电电流相同。直接影响交流绕组铜导体的选择，且对改进饱和铁芯型高温超导限流器的稳态阻抗也有影响。
额定损耗Pn：额定损耗是长期额定运行时全部有功功率损耗(包括高温超导材料的制冷损耗)。改进饱和铁芯型高温超导限流器中采用高温超导材料直流励磁是减小Pn的主要措施之一。因为超导励磁绕组电阻几乎为零，本身几乎没有有功损耗，同时为其提供直流励磁电流的电源回路功率也很小。
稳态压降U和稳态压降百分数(％)：在正常通流态，额定电流会在每相的进线和出线端子之间产生一定的电压降U，即稳态压降。计算稳态压降百分数时以额定电压为基值。正常通流态，稳态压降应尽可能的小，才不至于影响正常输电。稳态压降及其百分数均是表征改进饱和铁芯型高温超导限流器稳态性能的参量。其除与改进饱和铁芯型高温超导限流器的In有关，还与铁芯截面比、励磁安匝比密切相关。
短路电流峰值ip：预期(可达到的)短路电流的最大可能瞬时值。与改进饱和铁芯型高温超导限流器所挂电网的容量和系统阻抗密切相关。
短路电流值Is：预期(可达到的)短路电流的对称交流分量的有效值。
限制短路电流值Ilim：安装有改进饱和铁芯型高温超导限流器的线路或系统短路故障发生后，改进饱和铁芯型高温超导限流器进入故障限流态，参与限流后，短路电流稳态对称交流分量的有效值。限制短路电流值是表征改进饱和铁芯型高温超导限流器限流能力的参量。其与改进饱和铁芯型高温超导限流器的交流铁芯截面积和交流绕组匝数密切相关。
故障电流缩减率(％)：是电网未接入改进饱和铁芯型高温超导限流器的短路电流值I和电网接入改进饱和铁芯型高温超导限流器以后的限制短路电流Ilim的差值与Is的比值。故障电流缩减率是改进饱和铁芯型高温超导限流器限流能力的另一种表征方式。
Claims (6)
1.一种基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，它的组成：隔离开关(11，12，13，14，15，16)，双母线(21，22)，断路器(31，32)，三绕组变压器(41，42)和改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)，其特征在于：在双母线(21，22)之间加装改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)，改进饱和铁芯型高温超导限流器(5)的组成：电抗系统、低温系统、直流励磁系统以及监控系统。
2.根据权利要求1所述的基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，其特征在于：所述电抗系统是设备的主要功能单元，其组成：交流绕组、超导绕组、铁芯和杜瓦。
3.根据权利要求2所述的基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，其特征在于：所述交流绕组由常规导体绕制，每两个相邻窗口的线圈串联为一相，串接入电网中，是起限流作用的主要部件，其导体、绝缘结构及动、热稳定性，应根据接入网络的电压等级、绝缘水平、短路水平确定。
4.根据权利要求2所述的基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，其特征在于：所述超导绕组密封于充满液氮的杜瓦中，通过电流引线与直流励磁系统连接，为铁芯提供直流偏磁。
5.根据权利要求2所述的基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，其特征在于：所述铁芯为口字型结构，为交流、直流绕组提供磁通路，通常采用硅钢片制作，绕有直流励磁绕组的铁芯柱称为直流柱，绕有交流绕组的铁芯柱称为交流柱，采用变截面铁芯结构，轭铁截面积与直流柱铁芯截面积、交流柱铁芯截面积之比，通常大于1。
6.根据权利要求1所述的基于改进饱和铁芯型高温超导限流器的220kV变电站，其特征在于：所述直流励磁系统为超导绕组提供直流励磁电流，其组成：直流电源、快速开关和释能回路模块。
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2020
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