浅谈并联电感故障限流器原理和特性

　　通常限制短路的电流的措施可从电力网结构、系统运行方式和设备三方面考虑。虽然更换断路器以及相关电气设备是一种方案，但有以下问题：

　　①更换设备投资巨大；

　　②在更换设备器期间，电网系统的可靠性大大降低；

　　③目前合乎容量要求的设备，在不远的将来，设备容量就可能不能满足短路电流水平了。因此，快速限制故障大电流已经成为当前电力系统极其紧迫的问题。

　　目前开发的各种故障电流限制器中，利用电力电子开关的“固态限流器”和利用超导技术，超导限流器”是2条发展主线，二者均有多种形式的研究成果。基于对限流器的探索工作，并结合前期对限流断路器的研究，华中科技大学超导电力科学研究与发展中心提出了一种并联电感超导限流器的设计方案，该型限流器融合了电力电子器件、现代控制技术及超导材料，能够灵活快速地动作进行限流，且具有故障电流水平可控及动作过程中超导体不失超的特点。

　　本文介绍了并联电感超导限流断路器的结构及原理，并进行了MATLAB/Simulink仿真，仿真结果与理论分析相符，这对下一步开展该型限流器在实际电力系统中的应用有重要指导意义。

　主电路及原理

　结构和原理

　　图1 并联电感故障限流器原理图

　　并联电感限流断路器的原理图如图1所示， 它包括异名端相连的两个超导线圈，与线圈并联的保护电阻R1和R2，辅助断路器S1和主断路器S2组合而成。L1与L2分别为线圈W1与W2的自感，M是它们之间的互感，Zs是线路阻抗，Sload是电路负载。

　　在正常状态下，断路器S1和S2处于闭合状态，两线圈处于超导状态，耦合系数为1。线圈W1和W2共同承担线路电流（Is=I1+I2），并联电感限流断路器的等效结构如图2所示。无感耦合的并联电感的等效阻抗为：

　　（1）

　　电感处于无感耦合状态，因此呈现的等效阻抗很小，几乎为0（Zcoil≈0），电感上的电压降落也很小，整个装置处于低损耗待命状态。

　　图2并联电感故障限流器的等效电路

　　假设并联电感的耦合系数和变比分别定义为和，阻抗可表示为。当k无限接近1时，Zcoil几乎为0，此时两保护电阻被视为“短路”。

　　当系统发生短路故障时，系统电流Is陡增，在辅助断路器S1动作之前，无感耦合的第一线圈W1与第二线圈W2仍然共同承担故障电流，但并联电感的分流减小了辅助断路器S1的开断容量，提高了其开断能力，在辅助断路器S1动作，并联电感的第一线圈W1被开断后，并联电感解耦，阻抗大大增加，减小了主断路器S2的开断容量，提高了开断能力，从而保证有效地切断故障电流。并联电感限流断路器的限流阻抗触发来限制故障电流，可表示为：

　　电阻R1和R2的作用是保护第一线圈和第二线圈。当S1断开后，感应电流突然中断，会引起过电压损坏两个线圈，R1投入后，如果两端的电压一旦超过其阈值时，R1将转换为低阻抗。然后，L1和R2组成持续回路，开关过电压将会消失。随着过电压的消失，R1会转换成高阻抗状态。当S2断开后，故障消除，R2将发挥着同样的作用。

　　 参数设计

　　从故障发生到辅助断路器S1断开，第一线圈和第二线圈共同承担着故障电流。S1的开断电流Icb和故障电流Isf的关系可表示为：

　　 （4）

　　由k和n的表达式知Icb与Isf的比例关系可以改写为。因此，调整k和n的值可改变Icb，且S1的开断容量就能灵活的设计。改变n和k的值对Icb与Isf的比值的影响如图3所示。从图中得知随着n的增加比值将逐渐减小。当n=1时，比值为0.5且保持不变，即改变k值对它没有影响。假设n＞1，随着k值的增大比值将会增大。

　　图3改变变比n和耦合系数k的值对Icb与Isf的比值的影响

　　如图4所示，改变k和n的值对耦合线圈阻抗的影响也做了研究。可以看到随着n值的增大阻抗ZSFCL将会增大。假设k=0.98，尽管阻抗的增加趋势不如另外两条曲线明显，但是增加n对无感耦合特性的影响仍然需要考虑。

　　图4 改变变比n和耦合系数k的值对耦合线圈阻抗ZSFCL的影响

　　这种新型无感耦合并联电感限流断路器的并联耦合线圈所用的材料均为超导材料，它的主断路器或辅助断路器为电力电子开关或PWM变流器。它具有三个主要特点：（1）具有无感耦合特性；（2）具有灵活的开关开断容量控制设计；（3）具有对主电路断路器和故障电流限制器的组合。在限流阻抗触发前，通过主电路断路器的电流比故障电流要小的多，在n=1的情况下改变k值比值保持在0.5左右。因此，比较其他仅仅具有主断路器系列的超导故障限流器，这种新型无感耦合并联电感故障限流断路器在故障发生的初始时间内能减小主断路器的负担，此外，由于两条路径的故障电流通过，减少了超导元件发生损坏的可能性。在这种限流器的限流操作下，故障电流将会被抑制在某一确定的电流下由主电路断路器断开回路。在短路电流比现有可用的中断断路器容量大的电力系统中是很重要的。

　 仿真分析

　　为了更好的观察分流和限流效果，辅助断路器S1与主断路器S2的开断时间与实际相比均有一定的延时。故障前系统处于正常运行状态，t=0.026s时，系统在负载端发生接地短路故障，t=0.076s时，辅助断路器S1开断，t=0.116s时，主断路器S2开断。

　　如图6所示为并联电感的第一线圈W1与第二线圈W2两端的电压降落Uw1与Uw2，由图可知，在辅助断路器S1开端之前，由于并联电感处于无感耦合状态，其两端的电压降落几乎为0，故系统正常运行时装置的损耗很低。辅助断路器S1开断之后，并联电感解耦，阻抗增大，第二线圈W2成为系统的主要阻抗，故电感上的电压降落接近于系统电抗。图中Uw1与Uw2反向是因为并联电感的异名端相连。

　　如图7所示，细实线表示系统电流Is，粗虚线表示辅助断路器电流I1。系统正常运行时，电流峰值为1.6KA，短路期间，故障电流的瞬时峰值最大达到13.9KA（≈9IN，IN为线路的额定电流），若只使用一个断路器来开断短路电流，则该断路器的开端容量至少需要14KA，而由图可知，由于并联电感的分流作用，流过辅助断路器S1的电流只有系统短路电流的一半，故障断路器的开断容量可以减少一半，其开断能力得到显著提高。

　　如图8所示，细实线表示系统电流Is，粗虚线表示主断路器电流I2。在辅助断路器S1开断、并联电感解耦之前，并联电感起分流作用（Is=I1+I2），在辅助断路器S1开断，并联电感解耦后（t》0.08s），系统的故障电流全部由主断路器S2来承担（Is=I2），但由于并联电感的解耦，装置阻抗大大增加，进入限流状态，故障电流得到有效降低，峰值最大只有3.6KA（≈2.3IN），故主断路器S2的开断容量可以大大降低，其开断能力得到显著提高，从而可以有效地完全切断故障电流，达到显著的限流效果。

　　图6 并联电感线圈两端的电压UW1和UW2

　　图7 并联电感限流断路器的辅助断路器电流I1和系统电流IS

　　图8 并联电感限流断路器的主断路器电流I2和系统电流IS

　结论

　　本文中所提出的并联电感故障限流断路器作为一种新型大容量短路保护器件，克服了现有断路器开断能力的不足，利用无感耦合并联电感的分流来减小辅助断路器的开断容量，利用并联电感解耦后的限流来减小主断路器的开断容量，提高了断路器的开断能力，使之可以迅速切断大容量的短路电流。

　　此种并联电感限流断路器并联的第一线圈与第二线圈所用材料均为超导材料，与之并联的保护电阻采用可调电阻，主断路器或者辅助断路器为电力电子开关或者PWM交流器。对于本文提出的这种并联电感结构，目前还只是处于理论分析和仿真阶段，仿真得出的结果是理想的，并没有考虑PWM调制时的死区等问题，其波形分析必然和实际波形的有一定的差距。当采用IGBT作为开关器件的时，系统的保护问题、启动问题等等很多具体问题都没有考虑，因此后续工作还有进一步改进的需要。

　　本论文所涉及的SFCL具有设计简单、装置损耗低、运行费用小、限流效果好的特点，在电力系统中有着广阔的应用前景。但是要做到真正应用，还必须进行深入细致的研究，以便更好的应用于实际。另外，本文只是研究了有关FCL的一些方面的问题，电力系统中还有很多同FCL相关的课题或者问题，在日后对于FCL的更进一步研究中，这些课题都将成为重点和热点。相信以后随着更多的专业人士加入研究FCL的行列，FCL能够早日在电网中得到应用，成为提高电力系统安全和稳定的一项中坚技术。

　　因此，本文提出的短路电流限流器具有很大的实用价值，在电力系统中有着广阔的应用背景。