35kV超导限流电抗器直流系统技术分析

字美荣，徐肖伟，马仪，李小建

(1.云南电网公司昆明供电局，云南 昆明 650011;2.云南电网电力研究院，云南 昆明 650217)

1 前言

随着电网规模的增大、负荷的增加，随之带来的问题就是短路电流的增大，最大短路电流可达60kA以上，甚至超过了断路器的遮断电流能力，因此，限制短路电流是保证电网系统安全稳定的重要手段［1－4］。

超导限流电抗器的限流原理是:在系统稳定运行时，超导限流器是低阻抗状态，当系统中突发短路电流时，限流电抗器会在短时间(约5ms)呈现出高阻抗的状态，以限制短路电流的大小，为断路器提供较有利的开断条件。

某35kV超导限流电抗器主要分为电抗系统、直流励磁系统、低温系统、监控保护系统、外壳共5个部分，其中，直流励磁系统是限流器的控制部分，该系统的动作特性就直接决定了限流器的限流效果［1］［13］。

2 系统概述

35kV超导限流器直流励磁系统包括超导绕组和直流控制电源两大部分。

组成超导磁体的绕组(超导绕组)套在三相六铁芯的中心柱上，用于向限流器铁芯提供深度饱和的直流偏置磁势。直流控制电源用于向超导绕组提供直流偏磁电流，控制限流器的运行状态，直流控制电源包括直流电源、快速开关、磁能吸收模块、快速充磁电路、电网故障识别电路模块，其原理简图如图1所示。

图1 35kV超导限流电抗器原理图

限流器的运行状态与直流控制电源的工作过程密切相关。在电网正常运行时，电源提供励磁电流将铁心偏置到深度饱和态，交流绕组呈现低阻抗，因此限流器对电网的运行影响较小，此时的限流器工作状态称之为稳态［5－8］。当电网发生短路故障时，电网故障识别电路正确判断出电网故障，并向快速开关发出断开信号，指示快速开关动作，关断直流励磁电源的输出，使铁心退出饱和态，限流器呈现高阻抗，限制了电网中的故障电流，可以满足限流器的后面的断路器安全切除，此时的限流器的工作状态称之为限流态。在限流器实现从稳态到限流态的过渡过程中，需要实现超导磁体中磁能的吸收，主要实现办法是在超导磁体两端并联高能压敏电阻。为满足断路器正确安全重合闸，在断路器合闸之前，电网故障识别电路监测到断路器断开后，命令直流励磁系统快速开关重新导通，使限流器铁心恢复到深度饱和态，确保限流器重新呈现低阻抗，此时的限流器的工作状态称之为恢复态［13］。

3 直流励磁系统关键技术

3.1 超导绕组设计关键技术

1)超导绕组匝间绝缘:超导限流器在稳态运行情况下，由于交流三相绕组、每相两个绕组间产生的磁通在超导限流器中柱上可以相互抵消，超导绕组上几乎不会产生交流感应电压，绕组匝间电压仅为直流电压。但当系统进入到限流状态时，交流绕组三相间就存在不平衡的关系，超导绕组会在短路瞬间感应出交流电压，因此超导绕组匝间绝缘强度是非常重要的问题。

2)超导绕组承受的电动力:超导绕组上最大的电动力会出现在限流器限流状态下。在系统发生短路故障的时候，由于漏磁的存在，超导绕组轴向和幅向上将承受较大的电动力。轴向电动力使绕组向中间压缩，这种由电动力产生的机械应力，可能影响绕组匝间绝缘，对绕组的匝间绝缘造成损伤;而辐向电动力使绕组向外扩张，可能失去稳定性，造成相间绝缘损坏。电动力过大，严重时可能造成绕组扭曲变形或导线断裂。所以，超导绕组骨架制作与绕组固化等步骤都需要涉及到绕组的机械强度问题。

3)超导绕组的热交换:超导磁体内的绕组是将铜合金线材绕在一个环形的骨架上制作而成，超导线材的工作环境温度在液氮温区77K(－196℃)下。只有在保障了超导绕组工作环境温度的情况下，才能保证超导绕组在超导态正常运行，因此绕组与液氮之间的热交换问题是设计中的重点。为了使超导线材有较好的散热空间，很好地与液氮进行热交换，选择较合理的骨架结构至关重要，同时还需保证骨架在液氮环境下的机械强度和韧性。

3.2 直流控制电源关键技术

直流控制电源部分包括直流电源、快速开关、磁能吸收模块以及控制模块四部分，如图1方框所包含内容。直流电源的负载是超导绕组，在稳态、限流态、恢复态具有不同的运行特性，因此对直流电源部分及控制部分有着特殊的要求。

3.2.1 直流电源

直流源用于向直流绕组提供直流励磁电流。由于电网长期正常运行，就要求直流源的输出具有较高的稳定度和可靠性。电源在运行的过程中会遇到两个问题:一个是在稳态运行时，铁心的不对称性在直流绕组两端产生的感应电压会干扰电源的输出的稳定性;另一个是在限流器在短路故障发生未切断直流回路之前也会有感应电压产生，会威胁直流电源的安全。

直流源的输出要与超导磁体的设计相匹配，磁体中的超导绕组由多个超导饼串并联组合而成。35kV挂网限流器超导磁体的设计通流约为300A，故电源设计额定输出值为300A。

由于直流源的负载是超导材料绕制的绕组，工作时直流绕组处于超导态，直流电阻几乎为零，即电源近乎在短路状态下工作。考虑到导线损耗、导线接点等因素，超导绕组稳态压降低于0.5V。

所以电源应满足的条件，一是低电压大电流输出，二是具有输出抗干扰能力。

3.2.2 直流电源的控制部分

直流电源的控制部分是整个超导限流器的关键装置，内置的监测单元通过监测交流电网的电压和电流信号，当监测到交流电网发生短路故障时，系统在数毫秒内识别出故障，并及时通过开关和保护系统切断直流励磁，使超导限流器工作在限流态，同时保护系统各个部件免受关断电压和交流侧感应过电压影响;在监测到电网故障消除后，控制系统控制开关重导通，快速给限流器充磁，在600ms秒内使其恢复到正常的工作状态。其直流主回路的设计原理图如下:

图2 35kV超导限流器直流电源控制系统

如图2所示，限流器稳态运行时，接触器JCQ1、JCQ2闭合，接触器JCQ3断开，三相380V电源经过380V/28V变压器降压，在经过整流模块，给电容C1充电(使用6个500uF的电容串联而成)用来给超导绕组提供稳定的励磁电流。

在限流态时，快速开关Q1和Q2同时断开，直流励磁电流在数毫秒之内由额定值降为0，励磁电流下降时间测试如图3所示。而在恢复态时，交流接触器JCQ1、JCQ2和JCQ3与稳态时的通断正好相反，380V交流电则直接经过整流模块，在电容C1(4000uF)两端产生约500V的直流电，用于向超导磁体强励磁，以达到在600ms内的完成励磁的时间要求。通过试验测试，直流励磁电流在520ms内由零达到额定值。

3.2.3 快速开关及过电压保护单元

某变电站35kV出线保护相间电流Ⅰ段为零时限速动段，继电装置固有动作时间不大于40毫秒，这段时间之后断路器动作。为保证断路器安全动作，必须在断路器动作之前将短路电流限制到安全范围［1］，因此对快速开关的断开时间提出这样的指标:直流回路完全断开时间小于5毫秒，这个时间为快速开关接收到断开指令，一直到直流回路内电流(包含铁心内磁能释放的过程)减小至零(或很小，保证限流器铁心退出饱和)的时间。

选用IGBT做为快速开关可满足断开时间小于5ms的要求，快速开关由4组IGBT串联组成，如图5，串联起到分压作用，使感应高电压和关断过高压能均摊到每个IGBT两端，压敏电阻用于保护IGBT，限制过电压水平，防止由于关断不同步而造成的高电压击穿IGBT。每个IGBT两端并联一组RC缓冲电路(R值为1.1欧，C值为0.05uF)和ZnO压敏电阻。

图3 快速开关电气图

过电压保护单元采用高能压敏电阻，利用压敏电阻的非线性伏安特性来限制过电压水平并吸收超导绕组的磁能。

当系统有短路故障时，直流系统快速开关关断，其超导绕组两端产生高电压，过电压值被压敏电阻所钳制，该过电压值是由所选压敏电阻的型号决定的，直流系统最高过电压水平为6.3kV。

3.3 其它关键技术

工控机和数据采集保护装置是整个监控保护系统的核心。直流电源励磁系统由其下位机单独控制，通过以太网接口与工控机进行通讯、数据传输。压力、液氮流量、温度等非电量监控是通过另外的通道上传到工控机进行显示、分析，工控机根据监控保护原理发出保护指令到数据采集保护装置，通过数据采集保护装置发出数字开关量信号等控制信号，最后控制各个阀门、开关、机械泵工作，保证低温系统和限流器正常稳定运行。如图7所示:

图4 超导限流器的控制及测量系统

4 结束语

超导限流电抗器的主要作用就是限制短路电流。对直流电源的要求是在稳态时能提供稳定的直流电流电流输出、并具备抗干扰能力;限流态时，能耐受瞬态时的过电压冲击;对于控制测量系统的要求是能监测电网三相电流电压值、短路故障电流的判断能力，当电网发生短路故障时，能在5ms内切断限流器的直流励磁回路，使限流器交流绕组呈现高阻抗，为断路器安全断开提供较好的安全条件。恢复态时，能在600ms内(断路器重合闸之前)将超导绕组励磁到稳态值，恢复限流器的低阻抗状态。并经过试验测试，限流器的直流系统动作性能达到要求。

［1］邹立峰，周海，熊志全，等.35kV超导限流电抗器的电网三相短路试验及其限流效果分析［J］.南方电网技术，2010，第4卷:46－49.

［2］陈树勇，宋书芳，李兰欣，等.智能电网技术综述［J］.电网技术，2009，33(8):2－7.

［3］赵遵廉.中国电网的发展与展望［J］.中国电力，2004，37(1):6－11.

［4］谢开，刘永奇，朱治中，等.面向未来的智能电网［J］.中国电力，2008，41(6):14－16.

［5］VERHAEGE T，LAUMOND Y.Fault Current Limiters［M］.Handbook of Applied Superconductivity，BristolIOP Publishing，1998:1691－1702.

［6］YU Jiang，SHIDongyuan，DUAN Xianzhong，et al.Comparison of Superconducting Fault Current Limiter in Power System［C］//IEEE Power Engineering Society Summer Meeting，2001，1:43－47.

［7］田铭兴，励庆孚，王曙鸿.磁饱和式可控电抗器的等效物理模型及其数学模型［J］.电工技术学报，2002(4):18－21.

［8］周腊吾，徐勇，朱青，朱英浩，新型可控电抗器的工作原理和选型分析［J］.变压器，2003(8):38－40.

［9］王长善，张卫星.电力系统中的新型电抗器［J］.电气时代，2004(9):41－44.

［10］李民族，刘晓东，廖中伟，朱国荣.调节电抗的新方法［J］.贵州工业大学学报，2002(3).

［11］牟宪民，王建颐，纪延超，等.可控电抗器现状及其发展.电气应用，2006，25(4):1－4.

［12］钟俊涛，安振，章海庭.超高压可控并联电抗器的研发及制造［J］.电力设备，2006，7(12):7－10.

［13］信赢，龚伟志，高永全，等 .35V/90MVA挂网运行超导限流器结构与性能介绍［J］，稀有金属材料与工程，2007，36(3):1－6.