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电阻型超导限流模块的设计及试验研究

2020-10-24 212 上传者：管理员

摘要：在电网中,快速响应并处理超标的故障电流是亟待解决的一个重要问题。基于超导体状态转变特性的电阻型超导限流器具有结构简单、抗扰动能力强、对系统影响小等优势,是抑制故障电网故障电流的一种具有发展潜力的使能技术。本文基于模块化思路,使用“八卦形”拓扑设计了电阻型超导限流模块,以16个模块并联形成电阻型超导限流单元。通过额定通流试验和大电流冲击试验,考核了限流单元的额定载流能力。结果表明,被试超导限流单元额定通流条件下运行稳定;暂态大电流冲击下可在5ms内响应故障,具有良好的限流效果。

关键词：
大电流冲击
电器
电阻型
超导限流单元
限流器
额定通流
高温超导
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1、引言

随着我国经济社会快速发展,对电力需求不断增加,电网规模越来越大。与此同时,伴随的电网暂态稳定性问题也越来越突出,而短路故障无疑是危及电力系统安全稳定运行、导致大面积停电事故最为常见的严重故障之一。快速响应并处理超标的故障电流成为电网面临的一个主要挑战。超导体具有独特的超导态—正常态快速转变特性,正常运行时对电网“透明”,故障发生后快速呈现电阻,限制故障电流,是故障限流应用领域具有发展潜力的解决方案[1,2,3]。

基于超导体状态转变特性的电阻型超导限流器具有结构简单、抗扰动能力强、对系统影响小等优势,不仅是当前研究重点,也是充分利用超导体独有状态转变特性的最佳选择[4,5,6]。

电阻型超导限流器的研究经历了原理验证、小型样机、配电网示范、输电级样机开发等阶段。德国Nexans在10～24kV电阻型超导限流器研制方面取得突破,基于超导限流模块的串并联组装,可实现多个电压、电流等级和限流水平的结构拓扑,自2004年以来,已实现多台套的商业化生产销售[7]。韩国电力科学研究院即将完成154kV/2kA电阻型超导限流器样机研制[8]。另有ABB、美国超导、RollsRoyce、Alcatel、Siemens、Mitsubishi等单位先后开展电阻型超导限流器研究和工程样机制造[9]。由于故障电流超标主要是高电压等级的输电线路,发展高电压等级的电阻型超导限流器是电阻型超导限流器技术的必然发展趋势。

本文面向高电压等级电阻型超导限流器应用,基于模块化设计思路,设计了电阻型超导限流单元,并进行额定通流测试和大电流冲击试验。

2、限流单元设计

电阻型限流模块采用不锈钢加强的第二代YBCO宽超导带,其性能参数如表1所示。

表1限流模块用超导带材参数

图1限流模块

电阻型限流模块是组成超导限流单元的基本组件,通过串并联,可适配多种运行工况。限流模块采用双带反绕“八卦形”结构,图1给出了该结构的原理图和实物模块。由于并绕带材电流大小相等且方向相反,所产生的磁场抵消。限流模块基本无感性成分,对外呈现阻性。

本试验限流单元为由多个限流模块组成的并联组,其设计参数如表2所示,实物如图2所示。

表2限流单元设计参数

图2待测限流单元实物图

3、实验设置

3.1额定通流试验

首先进行额定通流试验,重点考核超导限流单元在额定运行条件下的性能。主要试验设置和步骤如下:

(1)进行电气主接线,将超导限流单元与交流电源连接;

(2)连接测试和控制线路;

(3)向放置超导限流单元的低温容器注入液氮,稳定液位超过限流单元顶部≥100mm,保持≥60min的静置,令被试样品充分冷却。试验过程中,发现液面不够时应及时补充液氮,且补充后要静置≥5min才能进行下一步操作;

(4)合闸连通试验线路,调节调压器输出,使电源输出电流从0缓慢地以≤10A/s的速率增加到1500A,该电流维持时间≥15min;

(5)调节调压器输出,使电源输出电流从1500A缓慢地以≤10A/s的速率降低到0A;

(6)各设备放电完成后,拆除接线,准备进行下一个试验项目。

3.2大电流冲击试验

大电流冲击试验是检验超导限流器限流性能最直接的试验项目。通过施加一定幅值和持续时长的大电流,模拟电网的故障电流,获得电阻型超导限流器的响应特性。主要试验设置和步骤如下:

(1)进行电气主接线,将超导限流的单元与冲击电源连接;

(2)连接测试和控制线路,按照10、12、14、16、18kA/100ms,以及20kA/40ms整定电源系统输出参数;

(3)向放置超导限流单元的低温容器注入液氮,稳定液位超过限流单元顶部≥100mm,保持≥60min的静置,令被试样品充分冷却。试验过程中,发现液面不够时应及时补充液氮,且补充后要静置≥5min,才能进行下一步操作;

(4)按照第(2)步设定的冲击电源参数,逐一给被试样品加载冲击电流,测试系统同步采集冲击电流与16个并联线圈的端电压;

(5)相邻两个冲击施加时间间隔≥15min。每次冲击过后,对被试样品进行放电;

(6)试验过程中,如发现判定为线圈损坏的冲击波形异常,应停止下一步的冲击试验;

(7)对设备放电后完成,拆除接线。

4、结果与讨论

额定通流试验中,设定与超导限流单元连接的工频交流电源输出为有效值1500A,实测值为1515A。在试验的持续时间16min内,电流波形无异常,样品端电压和端电流保持稳定,表明被试超导限流单元不存在因温升带来的阻抗变化。试验结果的局部波形如图3所示,其中,正弦波形为通过超导限流单元的电流。

图3额定通流测试

大电流冲击试验按照试验要求,依次向超导限流单元施加电源整定值,试验结果如图4所示。

图4大电流冲击试验结果

从图(a)～(d)可看出,超导限流单元对故障电流起到了明显的限流作用。在图(f),即20kA/40ms测试过程中,实际加载时间长度为60ms,被试超导限流单元在接近第三个电流峰值时的电压出现畸变,意味着超导限流单元损坏。

根据电流电压数据,可计算出限流单元的限流电阻与时间的关系,如图5所示。

由图可知,超导限流单元的限流电阻对冲击电流的响应很快,时间<5ms(以限流单元出现显著电压为判据)。可见,冲击电流越大,则电阻产生的速率越快,且在相同时间内出现的电阻值越大。在10kA冲击下,由于后续电流的幅值被抑制到带材临界电流值附近,使线圈产生的热量减小,热交换使带材温度降低,电阻值将缓慢降低。随着冲击电流幅值增大,热交换已无法将线圈产生的热量及时带走,导致线圈温度升高,电阻值也逐步增大。在16kA预期冲击电流下,线圈电阻已转变为直线上升。同时,在第一个波峰时线圈可产生的电阻值可达到整个冲击过程最大电阻值的60%—80%,如在16kA冲击下,第一个波峰对应电阻值为0.27Ω,45、100ms时对应电阻值分别为0.36、0.44Ω。

图5限流单元电阻随时间的变化关系

5、总结

本文使用“八卦形”拓扑,基于第二代YBCO宽带设计了电阻型超导限流模块。采用模块化思路,以16个模块并联的方式形成具有给定额定通流能力和限流水平的电阻型超导限流单元。为考核限流单元的稳态额定通流能力及其暂态故障电流下的响应规律,进行了额定通流试验和大电流冲击试验。试验表明,被试超导限流单元额定通流条件下运行稳定;暂态大电流冲击下可在5ms内响应故障,具有良好的限流效果。限流电阻产生的速率及在相同时间内产生的电阻值随冲击电流增大而提高,试验结果符合设计预期,对高电压等级电阻型超导限流器整机研发具有重要参考意义。

参考文献：

[3]金涛,徐颖,周世平,等.饱和铁芯型超导限流器研究进展综述[J].低温与超导,2013,41(01):13-18.

[6]刘路昕,张京业,戴少涛,等.电阻型超导限流器研发现状及所面临的技术瓶颈[J].低温与超导,2016,44(07):1-5+9.

马倩,窦飞,刘柏良,马韬,徐莹,戴少涛.电阻型高温超导限流单元设计与试验[J].低温与超导,2020,48(10):41-44+78.

基金:国网江苏省电力有限公司科技项目(J2018004)资助.