磁通流阻型高溫超導(dǎo)限流器模型研究

1 引 言

高溫超導(dǎo)限流器(HTSFCL)是未來解決電力系統(tǒng)故障保護(hù)的理想方案，國(guó)內(nèi)外超導(dǎo)科研機(jī)構(gòu)已設(shè)計(jì)研制了多種類型的HTSFCL[1-3]。目前，根據(jù)HTSFCL限流時(shí)的阻抗特性，HTSFCL可分為電阻型、電感型和混合型三種[4-5]。利用超導(dǎo)材料過流失超特性研制的電阻型HTSFCL由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、正常狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)無影響，而成為國(guó)外學(xué)者研究的重要方向。然而，電阻型HTSFCL存在著超導(dǎo)材料失超恢復(fù)慢的問題，難以滿足電力系統(tǒng)快速重合閘要求，這使得其應(yīng)用范圍受到限制。

磁通流阻型HTSFCL是一種新型電阻型超導(dǎo)限流器，其利用了高溫超導(dǎo)體過流失超后處于磁通流動(dòng)狀態(tài)的特性，具有失超恢復(fù)迅速的優(yōu)點(diǎn)，已成為電阻型HTSFCL發(fā)展的新方向。當(dāng)短路電流超過臨界電流Ic時(shí)，超導(dǎo)體進(jìn)入磁通流動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)若超導(dǎo)體溫度維持在臨界溫度Tc以下時(shí)，超導(dǎo)體能夠在短路電流低于臨界電流Ic后立即恢復(fù)超導(dǎo)運(yùn)行狀態(tài)。在磁通流阻型HTSFCL設(shè)計(jì)中，為了增加HTSFCL的限流阻抗，通常需要將一定數(shù)量的超導(dǎo)元件進(jìn)行串聯(lián)，因此，超導(dǎo)元件串聯(lián)后的磁通流阻特性和恢復(fù)特性是限流器設(shè)計(jì)中需要研究的關(guān)鍵問題。日本名古屋大學(xué)開展了單個(gè)超導(dǎo)元件磁通流阻特性的研究，但對(duì)多個(gè)超導(dǎo)元件串聯(lián)后的工作特性研究目前還未見報(bào)道。

本文采用4根Bi2223管材設(shè)計(jì)了1臺(tái)小型磁通流阻型HTSFCL模型機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了交流電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，得到了HTSFCL失超限流運(yùn)行的工作特性，對(duì)多根Bi2223管材串聯(lián)后的磁通流阻、失超一致性和功耗等特性進(jìn)行了分析，實(shí)驗(yàn)研究證明了磁通流阻型HTSFCL方案的可行性和有效性。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 限流器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的HTSFCL模型機(jī)將4根參數(shù)完全相同的Bi2223超導(dǎo)管材進(jìn)行了如圖1的串聯(lián)連接。超導(dǎo)管材為捷克CAN超導(dǎo)公司生產(chǎn)的型號(hào)為CSL-6/70.2的Bi2223管材。4根超導(dǎo)管材總長(zhǎng)度280 mm，橫截面積7 mm2。

單根超導(dǎo)管材外徑為5.8 mm，長(zhǎng)70 mm，管材兩端為長(zhǎng)10 mm的銀接頭，銀接頭與銅編織帶(截面積4 mm2)相連。管材臨界電流Ic為120 A(77 K，0 T)，臨界溫度108 K，室溫條件下測(cè)量其電阻值R300K為62 mΩ。超導(dǎo)管材之間由銅編織帶和銅條進(jìn)行連接，實(shí)驗(yàn)測(cè)得非超導(dǎo)部分(銅條、銅編織帶和銀接頭)的電阻約為0.24 mΩ。

圖1 高溫超導(dǎo)限流器的結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

HTSFCL限流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。電源為0～220 V可調(diào)的50 Hz交流電壓源。k是變比為44∶1的隔離變壓器，短路阻抗Zk=2.18 Ω。限流器連接在變壓器k的副邊，實(shí)驗(yàn)時(shí)將其置于低溫液氮容器中。通過使IGBT開關(guān)導(dǎo)通來模擬短路過電流發(fā)生，IGBT控制電路可實(shí)現(xiàn)不同合閘角的短路模擬，并且導(dǎo)通時(shí)間精確可調(diào)。IGBT開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間設(shè)定為60 ms。在IGBT導(dǎo)通的時(shí)間段內(nèi)，同時(shí)測(cè)量限流器上的電流i及兩端的電壓u。通過改變電源的輸入電壓U來調(diào)節(jié)流過管材的預(yù)期短路電流i，以得到不同短路電流下的HTSFCL的失超限流特性。這里定義變壓器k副邊直接短路時(shí)的電流i為預(yù)期短路電流。

圖2 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

2.3 單根管材的失超特性

在進(jìn)行HTSFCL模型機(jī)測(cè)試前，首先采用圖2所示電路測(cè)得了單根Bi2223管材失超特性，圖3為單根管材的典型交流失超特性曲線(Urms=40 V)。當(dāng)電流超過臨界電流值116 A時(shí)，管材失超轉(zhuǎn)變?yōu)榇磐鲃?dòng)狀態(tài)并呈現(xiàn)出磁通流動(dòng)電阻，電流最大峰值為220 A；當(dāng)電流小于臨界電流時(shí)，Bi2223管材迅速恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)，管材上壓降變?yōu)榱?。通過實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了4根管材的臨界電流值，臨界電流最大值為120 A，最小值為116 A，實(shí)驗(yàn)證明該材料具有良好的失超一致性(±2%)。

圖3 單根管材的失超特性曲線

3 限流實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 HTSFCL失超限流特性

調(diào)節(jié)Urms分別為60 V、 80 V和100 V，測(cè)得HTSFCL的電流和電壓波形。由于電壓波形中含有非超導(dǎo)部分的電阻電壓和線路上的電感電壓，所以要對(duì)電壓波形進(jìn)行處理，去除其中的非超導(dǎo)部分的電阻電壓和線路上的電感電壓。處理后的電壓和電流波形如圖4所示。當(dāng)電流超過臨界電流值時(shí)，HTSFCL中的超導(dǎo)體處于磁通流動(dòng)狀態(tài),呈現(xiàn)出磁通流動(dòng)電阻，該電阻對(duì)短路電流進(jìn)行限制，HTSFCL運(yùn)行于限流狀態(tài)。由于限流過程中超導(dǎo)體處于磁通流動(dòng)狀態(tài)，因此，當(dāng)電流低于臨界電流值時(shí)，超導(dǎo)體能夠迅速恢復(fù)超導(dǎo)狀態(tài)，其上的電壓降減小為零。

圖4 HTSFCL的失超限流特性

表1給出了U取不同值時(shí)的預(yù)期短路電流最大值Ipro,有HTSFCL的短路電流最大值Imax和電流縮減率D%的對(duì)比結(jié)果。其中，Ipro是將變壓器k副邊直接短路時(shí)電流i的峰值；Imax是HTSFCL限流運(yùn)行時(shí)第一個(gè)半波電流i達(dá)到的峰值；電流縮減率D定義為(Ipro-Imax)/Ipro×100%。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著電壓U的升高，電流縮減率變大，當(dāng)Urms為100 V時(shí)，Imax被限制在臨界電流值的兩倍處，HTSFCL的限流效果明顯。

表1 HTSFCL的限流效果

3.2 磁通流阻

根據(jù)圖4給出的電壓和電流曲線，可以做出U取不同值時(shí)HTSFCL的磁通流動(dòng)電阻r與時(shí)間t的關(guān)系曲線，如圖5所示。電阻r最大值隨著電壓U的增大而增大，且隨時(shí)間呈周期性變化，這也說明磁通流動(dòng)電阻具有良好的快速恢復(fù)性。當(dāng)U有效值為100 V時(shí)，短路電流最大值為235 A(2倍的Ic)，此時(shí)磁通流動(dòng)電阻最大值為4.5 mΩ，約為室溫電阻R300K的2%。

圖5 磁通流動(dòng)電阻與時(shí)間的關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

磁通流阻型HTSFCL正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)無任何影響；當(dāng)短路電流超過臨界電流值時(shí)，立即呈現(xiàn)出一定的磁通流動(dòng)電阻來限制短路電流。當(dāng)短路電流小于臨界電流值后超導(dǎo)材料能迅速恢復(fù)零電阻狀態(tài)。Bi2223管材的磁通流阻隨時(shí)間的變化呈周期性變化，其最大值隨著預(yù)期短路電流的增大而增大。當(dāng)短路電流最大值為2倍臨界電流值時(shí)，磁通流電阻最大值為4.5 mΩ，約為室溫電阻的2%。

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