并聯電感限流斷路器的限流特性論文導讀：：并聯電感限流斷路器是一種新型短路故障保護器件，它由無感耦合并聯線圈、保護電阻、與線圈串聯的輔助斷路器和主斷路器以及控制回路組成。系統正常運行時，并聯超導線圈有電感耦合特性，呈現的等效電阻很小，整個裝置處于低損耗狀態；當發生短路故障時，輔助斷路器打開，并聯電感解耦，阻抗增加，提高主斷路器的開斷能力，主斷路器斷開，有效切斷故障電流。為檢驗該限流器的有效性和可行性，進行MATLAB/Simulink仿真驗證，仿真結果與理論分析是一致的，這對下一步開展并聯電感限流器在實際電力系統中的應用有重要指導意義。論文關鍵詞：1引言隨著國民經濟的飛速發展，電力需求的日益增大，電力系統容量的不斷擴大，使得電力系統的規模逐漸擴大，電網之間的電氣聯系程度日益緊密，電網短路功率及短路電流也相應增大。為了保證穩定、安全的輸送大容量和高質量的電能，斷路器和其他開關等設備必須滿足高短路電流帶來的更嚴格的要求。通常限制短路的電流的措施可從電力網結構、系統運行方式和設備三方面考慮。雖然更換斷路器以及相關電氣設備是一種方案［1］，但有以下問題：①更換設備投資巨大；②在更換設備器期間，電網系統的可靠性大大降低；③目前合乎容量要求的設備，在不遠的將來，設備容量就可能不能滿足短路電流水平了。因此，快速限制故障大電流已經成為當前電力系統極其緊迫的問題。目前開發的各種故障電流限制器中，利用電力電子開關的“固態限流器”和利用超導技術⑵超導限流器”是2條發展主線，二者均有多種形式的研究成果。基于對限流器的探索工作，并結合前期對限流斷路器的研究［3-10］，華中科技大學超導電力科學研究與發展中心提出了一種并聯電感超導限流器的設計方案，該型限流器融合了電力電子器件、現代控制技術及超導材料，能夠靈活快速地動作進行限流，且具有故障電流水平可控及動作過程中超導體不失超的特點。本文介紹了并聯電感超導限流斷路器的結構及原理，并進行了MATLAB/Simulink仿真，仿真結果與理論分析相符，這對下一步開展該型限流器在實際電力系統中的應用有重要指導意義。2主電路及原理2.1結構和原理圖1并聯電感故障限流器原理圖并聯電感限流斷路器的原理圖如圖1所示，它包括異名端相連的兩個超導線圈，與線圈并聯的保護電阻R和R，輔助斷路器S和主斷路器，組合而成。L與L分別為線圈W與W的1 2 1 2 1 2 1 2自感，M是它們之間的互感，Z是線路阻抗，Sload是電路負載。在正常狀態下，斷路器Sju.處于閉合狀態，兩線圈處于超導狀態，耦合系數為1。線圈W和W共同承擔線路電流（I=I+I），并聯電感限流斷路器的等效結構如圖2所示。無感耦2 s1 2合的并聯電感的等效阻抗為：電二加位』項（看+鳥+禽）⑴電感處于無感耦合狀態，因此呈現的等效阻抗很小，幾乎為電二加位』項（看+鳥+禽）⑴電感處于無感耦合狀態，因此呈現的等效阻抗很小，幾乎為0（Zcoii^0），電感上的電壓降落也很小，整個裝置處于低損耗待命狀態。圖2并聯電感故障限流器的等效電路假設并聯電感的耦合系數和變比分別定義為I皿爭E和八而上,阻抗可表示為z_抑頃*護函L擇+2切+1。當k無限接近1時，Zcoi］幾乎為0,此時兩保護電阻被視為“短路”。當系統發生短路故障時，系統電流Is陡增，在輔助斷路器，動作之前，無感耦合的第一線圈W與第二線圈W仍然共同承擔故障電流，但并聯電感的分流減小了輔助斷路器S的開斷TOC\o"1-5"\h\z1 2 1容量，提高了其開斷能力，在輔助斷路器S1動作，并聯電感的第一線圈W被開斷后，并聯電感解耦，阻抗大大增加，減小了主斷路器.的開斷容量，提高了開斷能力，從而保證有效地切斷故障電流。并聯電感限流斷路器的限流阻抗觸發來限制故障電流，可表示為：& & （2）4和孟分別表示第一線圈和第二線圈各自的靜止故障電流，它們之間的相互關系可表示為：￡ 件M廣聲M⑶由等式（2）（3）知，限流阻抗可寫成電阻R和日的作用是保護第一線圈和第二線圈。當S斷開后，感應電流突然中斷，會引起12 1過電壓損壞兩個線圈，*投入后，如果兩端的電壓一旦超過其閾值時，*將轉換為低阻抗。然后，L和R組成持續回路，開關過電壓將會消失。隨著過電壓的消失，R會轉換成高阻抗12 1狀態。當S2斷開后，故障消除，R2將發揮著同樣的作用。2.2參數設計從故障發生到輔助斷路器S］斷開，第一線圈和第二線圈共同承擔著故障電流。S］的開斷電流Ib和故障電流If的關系可表示為：W山函餌f驀州⑷由k和n的表達式知Icb與If的比例關系可以改寫為項七二牌+1）"+2隊V）。因此，

調整k和n的值可改變I,且S的開斷容量就能靈活的設計。改變n和k的值對I與I的cb 1 cb sf比值的影響如圖3所示。從圖中得知隨著n的增加比值將逐漸減小。當n=1時，比值為0.5且保持不變，即改變k值對它沒有影響。假設n>1,隨著k值的增大比值將會增大。Mj *Mj * 1 1 ■BJi—V■-> :■- -■-iM 1 1 1 1 fl I 2 5 』 ￡圖3改變變比n和耦合系數k的值對Ib與If的比值的影響如圖4所示，改變k和n的值對耦合線圈阻抗的影響也做了研究。可以看到隨著n值的增大阻抗Zsfcl將會增大。假設k=0.98，盡管阻抗的增加趨勢不如另外兩條曲線明顯，但是增加n對無感耦合特性的影響仍然需要考慮。Q.5Jg『監D.I圖4改變變比n和耦合系數k的值對耦合線圈阻抗Zsfcl的影響這種新型無感耦合并聯電感限流斷路器的并聯耦合線圈所用的材料均為超導材料，它的主斷路器或輔助斷路器為電力電子開關或PWM變流器。它具有三個主要特點：（1）具有無感耦合特性；（2）具有靈活的開關開斷容量控制設計；（3）具有對主電路斷路器和故障電流限制器的組合。在限流阻抗觸發前，通過主電路斷路器的電流比故障電流要小的多，在n=1的情況下改變k值比值保持在0.5左右。因此，比較其他僅僅具有主斷路器系列的超導故障限流器，這種新型無感耦合并聯電感故障限流斷路器在故障發生的初始時間內能減小主斷路器的負擔，此外，由于兩條路徑的故障電流通過，減少了超導元件發生損壞的可能性。在這種限流器的限流操作下，故障電流將會被抑制在某一確定的電流下由主電路斷路器斷開回路。在短路電流比現有可用的中斷斷路器容量大的電力系統中是很重要的。3仿真分析具有FCL的系統仿真是采用矩陣實驗室（MATLAB/Simulink）完成的。仿真系統如圖5所示，系統電源為一單機無窮大電源，110KV等級。系統各元件參數如下：①理想電源：耳=11邙/的sin芯/，工頻了=5Q店；②并聯線圈七和W「二上二沁海，沮=7&汕，擊二。.98；③保護電阻％和r?：氏=&T5C；④輸電線路：R遍二芝6Q知二1&愈；⑤負載：％=75岫+削小過。圖5并聯電感限流斷路器仿真模型為了更好的觀察分流和限流效果，輔助斷路器si與主斷路器S2的開斷時間與實際相比均有一定的延時。故障前系統處于正常運行狀態，t=0.026s時，系統在負載端發生接地短路故障，t=0.076s時，輔助斷路器S］開斷，t=0.116s時，主斷路器S?開斷。如圖6所示為并聯電感的第一線圈W與第二線圈W兩端的電壓降落U與U，由圖可知，在1 2 w1 w2輔助斷路器S開端之前，由于并聯電感處于無感耦合狀態，其兩端的電壓降落幾乎為0，故系統正常運行時裝置的損耗很低。輔助斷路器，］開斷之后，并聯電感解耦，阻抗增大，第二線圈W成為系統的主要阻抗，故電感上的電壓降落接近于系統電抗。圖中U與U反向是2 w1 w2因為并聯電感的異名端相連。如圖7所示，細實線表示系統電流Is，粗虛線表示輔助斷路器電流孔。系統正常運行時，電流峰值為1.6KA，短路期間，故障電流的瞬時峰值最大達到13.9KA（r9In，J為線路的額定電流），若只使用一個斷路器來開斷短路電流，則該斷路器的開端容量至少需要14KA，而由圖可知，由于并聯電感的分流作用，流過輔助斷路器S/勺電流只有系統短路電流的一半，故障斷路器的開斷容量可以減少一半，其開斷能力得到顯著提高。TOC\o"1-5"\h\z如圖8所示，細實線表示系統電流I，粗虛線表示主斷路器電流I。在輔助斷路器S開斷、s 2 1并聯電感解耦之前，并聯電感起分流作用（i=i+i），在輔助斷路器S開斷，并聯電感解s12 1耦后（t>0.08s），系統的故障電流全部由主斷路器S來承擔（1=1），但由于并聯電感的2 s2解耦，裝置阻抗大大增加，進入限流狀態，故障電流得到有效降低，峰值最大只有3.6KA

從而可(^2.3In)，故主斷路器S2的開斷容量可以大大降低，其開斷能力得到顯著提高，以有效地完全切斷故障電流，達到顯著的限流效果。從而可圖6并聯電感線圈兩端的電壓q圖6并聯電感線圈兩端的電壓q1和氣0 0.05 0.1 0.15 0.2Time(s)圖7并聯電感限流斷路器的輔助斷路器電流I和系統電流I-201-201 1 1 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2Timefs)圖8并聯電感限流斷路器的主斷路器電流I2和系統電流Is4結論本文中所提出的并聯電感故障限流斷路器作為一種新型大容量短路保護器件，克服了現有斷路器開斷能力的不足，利用無感耦合并聯電感的分流來減小輔助斷路器的開斷容量，利用并聯電感解耦后的限流來減小主斷路器的開斷容量，提高了斷路器的開斷能力，使之可以迅速切斷大容量的短路電流。此種并聯電感限流斷路器并聯的第一線圈與第二線圈所用材料均為超導材料，與之并聯的保護電阻采用可調電阻，主斷路器或者輔助斷路器為電力電子開關或者PWM交流器。對于本文提出的這種并聯電感結構，目前還只是處于理論分析和仿真階段，仿真得出的結果是理想的，并沒有考慮PWM調制時的死區等問題，其波形分析必然和實際波形的有一定的差距。當采用IGBT作為開關器件的時，系統的保護問題、啟動問題等等很多具體問題都沒有考慮，因此后續工作還有進一步改進的需要。本論文所涉及的SFCL具有設計簡單、裝置損耗低、運行費用小、限流效果好的特點，在電力系統中有著廣闊的應用前景。但是要做到真正應用，還必須進行深入細致的研究，以便更好的應用于實際。另外，本文只是研究了有關FCL的一些方面的問題，電力系統中還有很多同FCL相關的課題或者問題，在日后對于FCL的更進一步研究中，這些課題都將成為重點和熱點。相信以后隨著更多的專業人士加入研究FCL的行列，FCL能夠早日在電網中得到應用，成為提高電力系統安全和穩定的一項中堅技術。因此，本文提出的短路電流限流器具有很大的實用價