基于双6RA70的超导限流器励磁电源设计

郑宁

(天津中德应用技术大学，天津300350)

基于双6RA70的超导限流器励磁电源设计

郑宁

(天津中德应用技术大学，天津300350)

介绍了饱和铁心型超导限流器的工作原理，分析了励磁过程，为恒压充磁和低压恒流供磁提供了理论依据，提出了直流励磁电源的设计结构，选择6RA70作为电源控制的核心元件，有效地解决了直流电源高压和大电流的控制问题，描述了控制过程中高压充磁和恒流供磁的工作要求和切换方法，通过采用西门子S7-300 PLC组成的Profibus-DP控制系统，实现了数字化网络控制，为限流器的挂网运行提供了参考。

超导限流器；高压充磁；恒流供磁；网络控制

随着电力系统装机容量不断扩大和并网电站迅速增加，电网不可避免地会有短路故障发生，而短路电流水平的上升，严重威胁着电网的运行安全。传统的限流办法是在电网中串接大型电抗器，这虽然有一定的限流效果，但正常运行时存在能耗大[1]、安全性差等不利因素。具有控制励磁回路直流电源的饱和铁心型超导限流器能有效地解决这一问题，它利用可控直流电源给超导绕组提供励磁电流，在电网正常运行时，使串接在电网中的交流电抗器处于深度饱和且阻抗接近于零的状态，一旦有短路故障发生即刻退出饱和并恢复高阻抗的特性，从而达到充分限流的效果[2]，同时还保证自动重合闸继保要求。为此，设计一个稳定的直流励磁电源和可靠的控制系统是超导限流器安全挂网运行的关键。

1 超导限流器工作原理

饱和铁心型超导限流器结构示意图如图1所示，主要由限流器铁心、直流超导绕组、交流绕组和直流控制回路组成。

限流器在运行时，由直流电源给超导绕组提供励磁电流，使铁心处于深度饱和状态，此时交流侧绕组呈现低阻抗。当通过交流绕组的电网电流保持不超过额定值时，电网运行于非限流的正常状态；而当电网发生短路故障时，直流励磁电源立即切断，限流器的铁心快速退出饱和进入常态，与此同时，交流绕组上的阻抗伴随着由短路故障引起的电流突然增大而迅速增加，从而自动限制了电网中短路电流的增加，因此，电感的阻流特性对限制电网电流在超过额定电流后急剧上升起到了决定性作用。

图1 饱和铁心超导限流器结构示意图

可控直流绕组采用超导材料，当处于超导态时电阻几乎为零，主要是避免直流磁化绕组线圈所产生的电阻损耗，而且，超导材料比普通导体的允许电流密度大，在绕组参数相同的情况下，能够提供更大的直流磁化场[3-5]。

2 可控直流电源的设计

2.1 励磁过程研究

直流电源的作用除了提供励磁电流外还要满足电网运行及短路故障响应的控制要求，同时还要考虑长期运行的效率问题。电网运行的继电保护要求电网发生短路后在1 s内重合闸，也就是说直流励磁过程要在重合闸前完成。饱和铁心型超导限流器直流侧绕组是带有铁心的超导绕组，其铁心由软磁材料制成的可饱和铁心，这样，超导绕组实质上是一个带铁心的非线性电感。因此，对其进行励磁的过程可通过可饱和铁心的分段线性化Ψ-i曲线进行分析。可饱和铁心的Ψ-i曲线如图2所示。

图2 饱和铁心分段线性化Ψ-i曲线

从图中可明显看出Ψ-i曲线分三段，中间(a-b)段铁心不饱和，磁通随电流的增加显著增加，电感值很大，其余两段铁心饱和，电流变化时磁通变化很小，故电感值近乎为零。直流励磁的目的是尽快使铁心深度饱和，所以励磁过程经历了铁心不饱和到饱和(o-b段)和饱和到深度饱和(b-c段)两个阶段。铁心不饱和时要想使电感中的电流快速上升到较大值，就要在电感两端加入尽量高的电压，故采用阶跃恒定高压方式进行高压充磁直到铁心饱和；在铁芯深度饱和阶段电感几乎是零，线圈又是超导体绕制，电阻也几乎为零，如继续采用高压充磁就会使电流急剧上升，这会容易引起功耗巨大甚至造成绕组被烧毁的严重后果。为此，采用低压恒流方式进行恒流供磁就变得更加有效，这既能达到超导绕组铁心深度饱时的电流要求又能保证了绕组的安全，同时提高了运行时的电源效率。

2.2 超导限流器励磁过程参数确定

根据励磁过程的分析，励磁分为高压充磁和恒流供磁两个阶段。表1为某饱和铁心型限流器控制参数，其参数值只是为本方案设计拟定的，现场中的具体控制参数要结合饱和铁心型限流器实际情况进行调整。

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根据参数表，高压充磁电流应在300 ms内上升到50 A。为了防止铁心饱和后电流的快速上升将绕组烧毁，实际电路中必须加入限流电阻，限流电阻要保证在最大电压时电流不能超过250 A，太大又会影响充磁时间，综合这两个因素选定为10 Ω。

在最大电感值为2 H及10 Ω限流电阻条件下，根据一阶电路的零状态响应计算出，644 V电压作用下高压充磁电流达到50 A时可满足300 ms响应时间要求[6]。进入饱和后，恒流供磁是在铁心深度饱和下的近似无电抗导体的绕组进行，则恒流供磁(电流从50 A上升到250 A)时间几乎为0，如表2所示。

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由此可知，系统运行的响应时间主要由高压充磁时间决定，完全满足1 s内重合闸的要求，而且高压充磁的电压越高充磁时间越短。铁心深度饱和的电流即恒流供磁电流，应该稳定在200～250 A。

2.3 直流电源的硬件选型

由于目前整流装置已非常成熟，单独开发一种大容量、控性好的整流装置会影响系统的设计周期，直接选用一种合适的整流装置完全可以满足控制要求。

西门子6RA70系列直流调速装置实质上是一款高性能的可控整流装置，它主要为直流电机提供可控且稳定的直流电压和电流，而直流超导绕组与直流电机绕组一样都是感性负载，利用同样的控制技术也可实现对超导直流绕组供电和控制的目的。6RA70能输出15～3 000 A的直流电流和达到1 300 V的直流电压，正好满足超导直流励磁过程中的高压和大电流要求，而且6RA70可控性好，通信能力强，可通过设定各自一组参数实现电压闭环和电流闭环方式输出。因此，选用6RA70作为可控直流电源的核心部件，能有效地解决直流电源高压和大电流的问题，并可达到运行过程中的控制要求。可控直流电源结构图如图3所示。

图3 可控直流电源结构图

2.4 高压充磁

高压充磁是在直流超导绕组两端加以644～1 000 V的强迫高压使绕组中的电流迅速上升，具体电压值可根据实际情况进行设定。系统采用升压变压器为高压充磁的6RA70提供1 000 V的输入电压，将6RA70电枢输出端接于直流超导绕组并设置成电压闭环输出方式，高压充磁6RA70输出恒定高压，使超导绕组中的电流迅速上升，当电流达到50 A时铁心趋于饱和，绕组失去了电感特性后电流会近乎直线上升，这时已经没有必要再以高压的方式运行，应转为恒流供磁。

2.5 恒流供磁

要使超导限流器的铁心深度饱和，直流超导绕组中的工作电流应维持在200～250 A。由于此刻电抗几乎为0，较低的电压就可产生250 A的维持电流，故采用低压大电流的方法，这既提高了电源的效率又满足了大电流的要求。虽然超导绕组的电阻为0，很低的电压就能满足设计要求，但是实际系统中要考虑到线路的电蚀和器件的接触电阻，电力应用中这个电阻经验上一般限制在0.2 Ω以内，因此，将低压恒流供磁的输出拟定为60 V。系统采用降压变压器为恒流供磁的6RA70提供电压，将6RA70电枢输出端接于直流超导绕组并设置成输出电流在200～250 A的电流闭环方式。当高压充磁使电流上升到50 A时，迅速切换恒流供磁使限流器的铁心进入深度饱和状态并稳定运行。

2.6 高压充磁电流与恒流供磁电流的切换

因为机械触点的接触器动作慢，无法满足在“秒”以下级别进行有效控制，还会产生电弧和断流现象，故高压充磁电流和恒流供磁电流的切换采用无触点的开关(电力二极管)来完成。系统采取高压和低压并行投入，用二极管隔离的办法，高压充磁时电流由1C发出，经过1D1、1R1、IGBT和超导绕组沿1D返回而2D1反向截止；恒流供磁时电流由2C发出，经过2D1、IGBT和超导绕组沿2D返回而1D1反向截止；这就省去了机械的触点开关，避免了动作时间慢的缺陷。高压充磁和恒流供磁的切换由PLC通过Profibus-DP传送控制信号完成。

3 Profibus-DP网络控制

3.1 网络结构

控制系统采用西门子的S7-300 PLC作为主站，两台6RA70整流控制装置分别作为高压充磁从站和恒流供磁从站，通过触摸屏建立了人机交互界面，实现数字网络化控制。网络结构图如图4所示。

图4 网络结构图

3.2 系统运行过程

整个直流励磁电源控制系统的开始、停止信号来自电网的短路电流监控装置[7]。在停机时，各开关打开，控制器不工作。为节省高压充磁和恒流供磁的切换时间，6RA70的运行过程分为开启和使能两步，开启是6RA70进线接触器合闸和装置的初始化过程，使能是给晶闸管发触发脉冲，开启并使能后6RA70才有输出。当PLC收到开始信号时，通过Profibus-DP向2号从站6RA70(1#)发送开启控制字和使能控制字，同时也对3号从站6RA70(2#)发开启控制字，这样6RA70(1#)以电压闭环方式输出直流高压，使超导直流绕组中的电流迅速上升，6RA70(2#)等待使能信号。当电流达到50 A时，PLC向高压充磁6RA70(1#)发送使能禁止控制字充磁停止，同时向恒流供磁6RA70(2#)发送使能控制字，这时6RA70(2#)以电流闭环方式输出，使电流快速达到设定值并长期稳定运行。当电网发生短路故障时，短路电流监控装置同时给IGBT和PLC发送关断信号，IGBT立即关断，超导限流器绕组的直流励磁电源被切断，且直流超导绕组产生的反电势由压敏电阻RV0释放[8]，PLC发送使能禁止，控制字使6RA70停止输出后等待重合闸信号。系统运行流程图如图5所示。

图5 系统运行流程图

系统运行时通过触摸屏设定的6RA70电压、电流值和启停控制字，由PLC经Profibus-DP传送给6RA70，6RA70的运行状态信号和故障信号以及实际电压值或电流值以状态字的方式经Profibus-DP回送给PLC，并都在触摸屏上显示。

4 结论

系统以6RA70的电压闭环输出作为高压充磁直流励磁电源，以高压的方式解决了超导绕组电感特性对充磁时间的影响，满足了充磁快速性的要求；以6RA70电流闭环输出低压恒流的方式供磁，既保证了超导绕组的安全又提高了电源的效率；以无触点开关提高了高压充磁电流和恒流供磁电流的切换速度；通过S7-300 PLC以Profibus-DP网络控制既省去了复杂接线，又提高了系统的稳定性和抗干扰能力；电压电流的可调节性增加了系统的灵活性。在电力系统容量不断扩大，超导限流器面临产业化之际，此方案设计具有重要的现实意义和参考价值。

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[6]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999：132-133.

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Design of excitation power for superconductor fault current limiter based on double 6RA70

ZHENG Ning
(Tianjin Sino-German University of Applied Sciences,Tianjin 300350,China)

The working principle of the saturated core superconducting fault current limiter(SCFCL)was introduced;the magnetizing process was analyzed;the theoretical basis for high-voltage magnetization and low-voltage constant current excitation was provided.The design structure of the DC excitation power supply was proposed,and 6RA70 was used as the central control unit.The controlling problem of the high voltage and large current of a DC power supply was solved effectively.The requirements for the control of high-voltage magnetization and constant current excitation and the switch method between the two states were described.The Profibus-DP control system established by S7-300 PLC was used to achieve digital network control.It provides reference for the SCFCL being put into operation.

superconducting fault current limiter;high-voltage magnetization;constant current excitation;network control

TM 725

A

1002-087 X(2016)08-1679-04

2016-01-21

郑宁(1961—)，女，天津市人，副教授，主要研究方向为电气控制的教学和研究。