直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析--硕士论文.docx

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1、硕士学位论文直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析SimulationAnalysisofDCCoreandBridgeHighTemperatureSuperconductingFaultCurrent1.imiter论文题目：直流铁心型和桥路型高温超导故障限流器的仿真分析摘要短路故障一直是直流电力系统保护的瓶颈问题，需要研制有效的限流装置对短路故障电流加以限制，以保证发生短路故障时其他保护设备如直流断路器的平安动作，提高直流电力系统的可靠性。直流超导故障限流器被认为是目前较为有效的直流电路短路故障时限制电流装置。本文首先研究了国内外直流系统保护装置的开展现状，分析设计了一种铁心型高

2、温超导故障限流器，该限流器在系统正常工作时对供电系统影响很小，当短路故障发生时，它会很快表现为很大的阻抗来限制短路电流。为了尽量延长限流的时间，限流器的铁心采用软磁复合材料。采用磁路分析方法，对直流铁心型超导故障限流器的限流性能进行仿真计算，改变限流器的设计参数，研究其对限流器的性能和结构的影响。其次基于三维有限元分析方法，对直流铁心型限流器中限流铜线圈的非线性电感进行精确计算，将其结果读入到MAT1.AB仿真程序中，对短路电流进行仿真计算，屡次修改设计参数，寻求符合设计要求的限流器设计方案。最后研究了一种桥路型超导故障限流器，该限流器主要由两个超导带材绕制的线圈异侧并联而成，线路正常工作时因

3、其阻抗非常小而对电路影响很小，短路故障发生时限流器能表现为很大的阻抗从而限制短路电流的快速增加。针对某一交流电力系统,设计了超导线圈的具体结构尺寸，使用电路仿真计算软件PSpice对其限流情况进行了仿真分析，结果说明该限流器的限流效果明显。依据桥路型超导限流器的工作原理，设计了一种新型直流超导故障限流器。该限流器是两个空心超导线圈异侧并联，体积较小，使用电力暂态分析软件PSCAD对其限流情况进行仿真计算，限流效果良好。TitlezSimulationAnalysisofDCCoreandBridgeHighTemperatureSuperconductingFaultCurrent1.imit

4、erABSTRACTShort-circuitfaulthasbeenabottleneckproblemfbrpowersystemprotection.Itisnecessarytodevelopadevicetolimitshort-circuitcurrentandimprovepowersystemreliability.DirectCurrent(DC)superconductingfaultcurrentlimiter(SFC1.)isconsideredasamoreeffectivedevicetolimittheshort-circuitcurrent.Firstly,th

5、erecentprogressofstudyofDCpowersystemprotectionequipmentisreviewed.ADCcoresuperconductingfaultcurrentlimiterispresented.ThedesignandanalysismethodologyoftheFC1.hasbeendeveloped.TheinductanceofthewindingwhichisconnectedwithsystemisIittleatnormaloperation.However,whentheshort-circuitfaultoccurs,theFC1

6、.mayprovidelargeinductancetoreducethefaultcurrent.ThecoreofFC1.ismadeofSoftmagneticcomposites(SMC)toextendthecurrentlimitingtime.Usingmagneticcircuitanalysis,simulationcomputationandanalysisarecompletedsoastoevaluatetheDCSFC1.performance.Theinfluencesofdesignparameters,suchasMagneticMotiveForceofDCH

7、TScoils,thediameterofcoreandtheturnsofwindingconnectedtoDCpowersystem,arediscussed.Secondly,thenumericalsimulationusingboth3Dfiniteelementanalysis(FEA)andtransientnonlinearcircuitmodelispresentedtoevaluatetheperformanceoftheDCcoreHTSFC1.AlargeamountofsimulationcomputationandanalysiswithchangingtheFC

8、1.designparametersarecompletedtosearchfortheoptimalparametersfortherequirementsofthedesign.Finally,anewbridgetypehightemperaturesuperconducting(HTS)FC1.whichisappliedtoACpowersystemisresearched.Bothcoils,madeofHTStapes,aremainpartsoftheFC1.Thesetwocoilsareparalleledandthedottedterminalsofbothcoilsar

9、enotconnected.TheFC1.haslittleinfluenceonpowersystematnormaloperation,becausetheHTSresistanceandinducedvoltageofeachcoilareverysmall.Whenshort-circuitfaultoccurs,oneofthecoilsquenchesandthecurrentflowingthroughthiscoilisreduced.Thus,thecoilwilldecreasetheinfluenceontheinducedvoltageofothercoil.TheFC

10、1.mayprovidelargecapacityforfaultcurrentlimitation.ThedesignparametersoftheFC1.,whichisappliedtoagivenACpowersystem,arecarriedout.SimulationandanalysisbyusingPSpicearecompletedtoverifytheFC1.design.ComparingwiththatFC1.notconsideringinthepowersystem,theresultsrevealthatthebridgeHTSFC1.hasrapidrespon

11、setolimitfaultcurrent.AccordingtotheprincipleofthebridgetypeSFC1.,anewDCSFC1.ispresented.Exceptfor4diodes,theDCSFC1.hassimilarstructuretotheACSFC1.SimulationandanalysisbyusingPSCAD,acommercialcircuitcalculationpackage,areconductedtoverifytheFC1.design.ComparingwiththatFC1.notconsideringinthepowersys

12、tem,theresultsrevealthattheDCSFC1.caneffectivelyreducethefaultcurrent.1绪论直流电力系统，如船舶、飞机，石油钻井平台等供电系统，其安装容量大，平安性能要求非常高。一旦发生短路故障，巨大的短路电流将带来很大的危害。目前，直流电路保护设备广泛采用断路器对短路电流进行分断以保护整个系统的平安，但是断路器的分断能力已经越来越不能满足直流系统短路电流水平的不断增长的要求。为确保系统和保护设备（主要是断路器）的平安，需要在保护设备之前安装限流器，以满足系统平安的需要。1.1 直流系统保护现状直流系统保护领域目前研究较多的有直流输电系统，

13、直流牵引系统和船舶电力保护系统等。随着直流电力系统的广泛应用和开展，抑制直流短路电流对保持系统的稳定性和可靠具有重要的意义。1.1.1 直流系统保护及直流断路器开展简介近些年，高压直流输电在我国不断得到开展，国内已经建成了多条50OkV的高压直流输电线路，锦屏一苏南80OkV特高压直流输电工程工程也已经过了研究和论证,目前正在施工建造中。随着电力系统容量的不断增加和输电技术的开展，电力系统保护也越来越重要。高压直流输电系统一旦发生短路故障，其短路电流会在几个毫秒到达峰值，最大值一般有几千安到几十千安目明目前采用的保护方式除了优化直流输电网络结构外，主要是开展可控限流电抗器，高阻抗变压器和提高断

14、路器等开关设备的遮断能力。其中断路器的研究和开展最为广泛，株洲南车时代电器股份已成功研制了4000A/8000V的6英寸晶闸管，这对800kV6400MWHVDC输电技术的经济性有重大的影响。目前没有直流限流器在高压直流输电领域的应用研究，但随着直流输电容量的不断增大，应用直流限流器的经济性以及其和现有保护设备的配合问题有待于进行研究和分析。直流牵引系统的短路情况与发生位置有关，即在距离变电所近端和远端发生有很大区别。短路在近端发生，电流上升速度很快，峰值很大，对电路系统的危害很大，一般短路IOmS以内电流升高至1030kA,而峰值电流可到达40kA,是目前直流牵引系统保护的主要研究内容。远端

15、短路电流的上升速度较慢，峰值也小很多，一般在几十毫秒后才能到达IOkA左右，与列车起动或过接触网分段时的电流瞬时电流峰值相近。远端短路对电路的危害小，直流保护研究是区分远端故障电流与列车起动电流的区分方法Uo-。直流牵引系统电压低，双端供电运行，随负载的变化电流有间歇性时变，近端短路会产生很高的冲击电流。直流牵引系统短路保护方式有：大电流脱扣保护，电流上升率及电流增量保护，定时限过流保护，双边联跳保护，接触网热过负荷保护和自动重合闸等等“)。目前我国城市地铁供电系统均为直流，而直流电源采用过载能力低的大功率硅整流装置，这对直流系统的保护的要求更高。直流快速断路器是直流供电系统保护中的重要设备之

16、一，很多单位和公司都对直流断路器这一重要的保护设备进行研究和开发，各项指标都有了大幅的提高，国产直流断路器可以在额定电压为1500V,额定电流为315OA情况下，在17ms快速分断50kA的电流，日本在额定电压为1500V,电流3000A的在17ms快速分断50kA电流的产品，瑞士能在额定电压2000V电流360OA时,在IOmS内快分断75kA短路电流，机械寿命达20万次。地铁电力机车也可用直流熔断器，有试验结果说明其可以在1840V电压水平下在16.8ms快速熔断50.IkA的电流，法国产品在同等条件下，熔断时间可为13ms8,。1.1.2 船舶电力系统及保护现状简介船舶动力系统分为分立电力系统和综合电力系统。在分立电力系统中，每一个子系统都有独立发电机。而在综合电力系统中，是由一组发电机装置提供电能，将日常供电系统、重要负载供电系统与推进供电系统综合一体化配置的智能动力平台，综合电力系统可以广泛应用于各种船舶供电领域，如潜艇，舰艇以及商