電阻型直流故障限流器的沖擊特性研究

趙紫輝，黃 輝，陸紅斌，王 娟，甄 寶，任興旺，張 翀

（1. 廣東電網有限責任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000；2. 北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085）

0 引言

多端直流輸電系統面臨的挑戰是故障電流快速開斷問題［1-2］。柔性直流系統一旦發生短路故障，其短路電流急劇增大，在幾ms 內達到數kA的峰值，會帶來熱量集中、電弧火花等問題，甚至可能損壞換流閥［3-5］?，F有高壓直流斷路器實際工程可用拓撲的工程造價昂貴［6-10］，因此迫切需要故障限流器能夠在故障瞬間快速降低電流的上升速率，減小短路電流幅值［11-14］。目前，國內外針對直流故障限流器的拓撲結構、材料等方面開展了一系列相關研究［15-21］。直流故障限流器按照拓撲結構主要分為電阻型、電感型和固態型三種類型。

電阻型故障限流器的工作原理為：超導線圈在系統正常運行時處于超導狀態，其自身阻抗幾乎為0，對電網的正常運行影響很??；短路故障發生后，超導帶材因短路電流幅值大于其自身的臨界電流而失超，由超導態轉變到大電阻值的正常態，從而限制急速增大的電流。東京電機大學主要以高溫超導線材和薄膜為研究對象，開發了電阻型超導限流器樣機［22-23］。德國學者對1 kA 電流等級的超導故障限流器進行了實驗研究［24］。中國科學院電工所提出了直流電阻型故障限流器的新型設計結構［25-26］。上海交通大學針對HVDC（高壓直流輸電）系統設計了由10個模塊構成的電阻型超導故障限流器［27］，并完成了該限流器的樣機研制?，F有方案中電阻型超導故障限流器結構簡單、安裝方便，但檢修、維護困難，對高溫超導材料的性能要求很高。另外，超導體失超后的恢復時間較長，難以滿足重合閘操作的要求，需要通過改進試驗手段（如通過并聯電阻的方式）來縮短恢復時間。

電感型故障限流器主要利用線圈電感來限制故障電流上升速率。日本Seikei大學針對由纏繞在同一個鐵心上的兩個超導線圈組成的鐵心型直流限流器作了一系列研究［28］。華中科技大學超導電力科學技術研究與發展中心自2005 年以來也對該類型故障限流器進行了理論設計和樣機研究［29-31］。該類型限流器的超導帶材無論在正常還是故障狀態下都不會發生失超，因此不存在超導帶材恢復時間的問題。另外，流經超導帶材中的電流是直流，所以不存在交流損耗，不選用常規導體繞制直流偏置線圈，可以避免消耗巨大的直流功率。該類型限流器的缺點是需要直流電源供電，磁路和兩個直流電路相互作用，系統結構較為復雜，可靠性不高。

基于電力電子技術，EPRI（美國電力研究協會）于20 世紀90 年代提出固態限流器這一新型限流器，由西屋公司完成試驗樣機開發，1995年2月投入試運行。海軍工程大學莊勁武等在2005年8月也設計了一種用于直流電網的新型短路限流裝置［32］。

基于直流故障限流器的研究現狀，本文開展電阻型直流故障限流器的故障沖擊特性研究。首先，從數學關系推導電阻型故障限流器串入前后故障短時沖擊過程中系統直流電壓、直流電流的數學表達式。然后，根據超導限流器失超過程中的電阻變化數學關系式，在MATLAB/Simulink軟件中搭建電阻型超導故障限流器的仿真模型，仿真分析電阻型限流器在故障沖擊過程中的暫態限流特性。最后，針對桶式結構的電阻型直流限流器樣機，通過沖擊實驗測試其單個線圈和多線圈并聯結構在直流大電流沖擊下的失超特性。

1 限流器耐受沖擊電流的理論推導

VSC-HVDC（基于電壓源型換流器的高壓直流輸電）系統采用的電壓源型換流器有兩電平、三電平和模塊化多電平等不同類型，其短路故障情況大致相同。以圖1 所示典型的兩電平換流器為例，分析其直流側發生短路故障時的電流及電壓變化。因兩極短路故障產生的故障電流大于單端接地故障工況，限流器耐受電流以能夠承受兩極短路故障為標準進行分析。圖1中：R為系統等效電阻；L為等效電感；Z0為直流線路阻抗。

圖1 典型兩電平換流器直流短路故障Fig.1 The typical DC short circuit fault in a two-level converter

兩極短路故障的初始階段為電容放電，此時電流快速上升，并且伴隨電壓下降。系統檢測到短路故障后，換流器立刻閉鎖，但是各橋臂IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的反向并聯二極管仍然有續流作用。在電容放電階段，考慮到回路中線路電感等，短時沖擊過程數學關系式為：

式中：C為線路等效電容；udc為直流電壓。

該二階微分方程的代數解為：

式中：t為時間；A1、A2、λ1、λ2為常系數。

令

假設U0和I0分別為直流電壓、直流電流的初值，求解式（1）可得短路沖擊過程中直流電壓udc、直流電流idc的表達式分別為：

其中：

其中：

兩電平換流器直流雙極短路故障過程中相關的電壓、電流仿真波形如圖2所示，從上至下依次為直流電流idc、換流器輸出電流icov、橋臂電流id、直流電壓udc。從直流電流idc波形可以看出，在短路發生后，電流迅速上升到較大值，產生短時間過電流沖擊。另外，由式（4）可知σ＞0，隨著時間推移直流電壓udc最終趨于0。由式（3）可知λ1和λ2為不相等的負值，從而使得式（7）中直流電壓udc最終趨于非零定值，這與圖2中直流電壓波形一致。

2 直流大電流沖擊平臺

2.1 直流脈沖發生裝置

為了分析直流電網短路故障對限流器的沖擊影響，實驗室搭建如圖3所示的250 kJ/10 kV/20 kA直流大電流沖擊裝置，其中，SDC2為高壓隔離開關，SAC為交流斷路器，SDC為直流開關，B為斷路器，Rs和Rd為電阻器（參數符號分別為Rs和Rd），Re為釋能電阻，L為電抗器（參數符號為L），C為電容器（參數符號為C），SFCL 為超導故障限流器。該裝置用于超導直流故障限流器（或單元）的過流沖擊測試，通過電容儲能放電方式產生直流單脈沖。該裝置的參數如表1所示，表1中參數為總的電阻或電感值，通過抽頭實現不同的組合輸出。脈沖電容器C 采用多個0.5 mF 的電容并聯，通過接觸器實現0.5 mF、1 mF、1.5 mF、2 mF、2.5 mF、3 mF、3.5 mF、4 mF、4.5 mF、5 mF的任意組合?？招碾娍蛊鱈 采用多抽頭輸出，分為100 μH、200 μH、500 μH、1 mH、2 mH、5 mH檔，實現任意組合。電阻器Rs采用多組輸出0.05 Ω、0.1 Ω、0.2 Ω、0.5 Ω的任意組合。

表1 直流脈沖發生裝置參數Table 1 Parameters of the DC pulse generator

圖3 直流脈沖發生裝置原理Fig.3 Principle of the DC pulse generator

2.2 實驗平臺工作原理及操作時序

如圖3 所示，220 V 交流電經SAC后的脈沖充電電源用于電容器C 充電，電容器初始電壓可以預設，充電電壓精確可控，充電電流大于4 A，充電時間少于5 min。直流脈沖的上升率由電容器C、電抗器L 的組合參數以及電容器C 的初始電壓確定。直流開關SDC為電容器組的充電控制開關，當電容器組的充電電壓達到要求時，自動斷開電路，結束充電；高壓隔離開關SDC2與釋能電阻Re配合實現電容器組的余電釋放；高壓晶閘管用于旁路SFCL，控制沖擊電流脈沖；測試結束，斷路器B斷開后，續流二極管和Rd支路用于系統續流。

實驗操作時序分三個階段：

1）第一階段是儲能電容C 的預充電階段，此階段SDC2處于斷開狀態，SAC和SDC閉合。當電容C兩端的電壓達到預設值時，充電過程自動停止。

2）第二階段是直流沖擊階段，此階段先設置電容器和電抗器參數，然后閉合斷路器B，開始對SFCL 進行直流沖擊。當測試結束后迅速觸發高壓晶閘管回路，實現測試對象的旁路。同時，斷開斷路器B，將電源與測試對象隔離開來。

3）第三階段是電容C 的殘余電能通過電阻Re釋放階段，此階段SDC2處于閉合狀態。

3 電阻型直流限流器實驗室樣機

電阻型直流限流器由3 個用YBCO（氧化釔鋇銅）裸帶繞制的不同半徑線圈同軸組成。線圈骨架采用GFRP（玻璃纖維增強塑料），設計成桶狀結構，樣機如圖4所示，結構參數如表2所示。

表2 限流器結構參數Table 2 Structural parameters of the fault current limiter

圖4 限流器實驗室樣機Fig.4 Laboratory prototype of the DC fault current limiter

4 故障沖擊特性MATLAB/Simulink 仿真分析

4.1 仿真電路

在Simulink 仿真平臺中搭建電阻型超導限流器沖擊特性電路圖（如圖5所示），通過電容放電模擬直流短路故障暫態沖擊過程。圖5中，電容C取3 mF，電容電壓U0取4 kV，電感L0取0.5 mH，電阻R0取0.1 Ω，RSFCL為電阻型超導限流器。

圖5 仿真電路Fig.5 The simulation circuit

采用Simulink 中S-Function 函數實現電阻型超導限流器的模擬，如圖6所示。根據超導帶材的結構特性，以及失超過程中帶材熱量、溫度和電阻三者之間的關系，通過數學函數關系式f（u）模擬失超過程電阻的變化。

圖6 仿真模型Fig.6 The simulation model

4.2 仿真結果分析

超導故障限流器受沖擊過程的電壓、電流波形如圖7所示，該波形與第1章研究結論一致，充分驗證了本文搭建的電阻型限流器模型的正確性。圖8為失超過程電阻波形。

圖7 故障限流器電壓、電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms of the fault current limiter

圖8 電阻波形Fig.8 The resistance waveform

5 沖擊實驗測試與分析

5.1 單線圈沖擊特性分析

電容電壓為3.5 kV 時，單線圈單元在短時沖擊下的電流、電壓波形如圖9 所示?？梢钥闯?，550 A的電流峰值要明顯高于YBCO帶材本身在穩態直流工況下的電流耐受能力（沖擊實驗前的限流單元線圈臨界電流測試結果顯示3個線圈的臨界電流分別為88.1 A、88.5 A、88.9 A）。出現該現象的主要原因是帶材在短時沖擊下積累的熱量較小，因此短時沖擊過程電流耐受力較高。

圖9 單線圈單元在短時沖擊下的電壓、電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of a single-coil unit under short impacts

在短時沖擊實驗過程中，隨著時間的變化，失超電阻也因沖擊電流和帶材溫度的變化而不斷變化，由圖6可以看出電壓滯后于電流。電阻值由電壓和電流計算得到，圖10 為濾波前后的電阻曲線，圖11 為Simulink 仿真波形和實驗測試的結果對比，驗證了前文仿真模型的合理性。

圖10 濾波前后的電阻曲線Fig.10 Resistance curves before and after filtering

圖11 仿真和實驗結果對比Fig.11 Comparison of simulation and experimental results

在不同的沖擊電壓下，兩組不同電感L、電容C參數的線圈電阻曲線分別如圖12 和圖13 所示。在沖擊電壓較高（如3 kV）時，電阻增大并在達到一定數值后的短時間內基本不變，這是因為短時沖擊過程時間極短，還來不及與包圍的液氮發生熱量傳遞，可以認為電阻產生的熱量都提供給了帶材本身。在沖擊電壓較低（如1 kV）時，短時間內熱量積累較少，此時周圍液氮的冷卻散熱會使得限流器電阻呈現先迅速上升然后下降的趨勢。

圖12 不同沖擊電壓下線圈電阻曲線（C=0.5 mF，L=10 mH）Fig.12 Resistance curves of the coil under different impact voltages（C=0.5 mF， L=10 mH）

圖13 不同沖擊電壓下線圈電阻曲線（C=0.5 mF，L=0.5 mH）Fig.13 Resistance curves of the coil under different impact voltages（C=0.5 mF， L=0.5 mH）

另外，可以通過調節實驗測試裝置的參數L和C來改變短時沖擊電壓與電流的脈寬長度。在同一組L和C參數工況下，施加到線圈的沖擊電壓越大，限流器失超后電阻增大越迅速且幅值越大，在實際電網故障時的限流效果越好。對比圖12（b）和圖13可知，在相同沖擊電壓等級下，L=10 mH 時，雖然沖擊時間要長一些，但限流器失超后電阻幅值小于同等條件下L=0.5 mH工況。

5.2 多線圈并聯工況沖擊特性分析

圖14所示為2 個線圈并聯結構的沖擊特性測試結果。相比于圖14（b）和圖14（c），因圖14（a）中C取較小值0.5 mF，在2 kV 沖擊電壓以下失超電阻都出現曲線下降現象。圖14（c）中C取值2 mF，僅在1 kV沖擊電壓下電阻呈現下降趨勢。圖14（b）中C取值3 mF，在幾組不同沖擊電壓下均未出現電阻下降現象。如前文所述，這是由于電容值取值小，電容放電短時沖擊能量小，加上液氮散熱，才會出現該現象。

圖14 2個線圈并聯結構的沖擊特性測試曲線Fig.14 Test curves of impact characteristics of two coils connected in parallel

C=3 mF，L=0.5 mH時3個線圈并聯結構的沖擊特性測試結果如圖15 所示。比較圖14（b）和圖15可知，同樣沖擊工況下（即L和C取值相同），3個線圈并聯時，最終施加到單個線圈的沖擊電流會小一些，累積的能量較小，沖擊電壓在1 kV 以下時出現電阻下降現象。圖14和圖15的多線圈并聯工況下，線圈失超后的電阻值小于同樣沖擊參數下的單線圈工況。

6 結語

本文理論推導了直流系統短路故障短時沖擊過程中故障限流器耐受電流的數學表達式，介紹了實驗室搭建的直流大電流沖擊平臺，在MATLAB/Simulink 軟件中搭建限流器模型并開展沖擊特性仿真分析，研發了桶式結構的電阻型故障限流器，進行直流大電流沖擊下的失超限流特性實驗測試研究。仿真及實驗結果表明：故障沖擊越大，限流器失超后電阻上升越快且幅值越大，暫態限流效果越好；在沖擊電壓較低時，因熱量積累小以及介質散熱，限流電阻會呈現先迅速上升然后下降的趨勢。本文的研究成果可為直流故障限流器在實際工程中的應用提供理論支撐，但需要進一步研究帶材間的均勻性差異及線圈間的屬性差異等因素可能造成的多個流單元線圈在并聯沖擊過程中的均流問題，這對未來實際工程應用有非常重要的意義。