短路限流技术在电力系统中的应用研究毕业论文

短路限流技术在电力系统中的应用研究毕业论文内容摘要：

限流器；瑞士 ABB 公司也分别在 1996 年和 2020 年研制了 MVA 和 MVA 的电阻型超导限流器； 1998 年 ACECTransport 和 GECAlsthom 开发了交直流两用的混合式故障限流器，且已形成商业化 [11， 18， 19]。 最近两年来，一方面主要 完善前面的几种固态限流器，使之满足工业现场运行更加实用化、商业化。 另一方面，更多工作均放在具有多种功能的限流器研究上，大部分研究倾向于将串联无功补偿和限流功能集于一身 [8， 17]。 短路限流技术的要求 此限流技术只是在在电力系统发生短路故障时才起作用，在正常情况下应该对电力系统没有影响或者影响很小，因此短路限流技术应满足以下几个要求 [13， 14， 16]： 线路正常运行时，限流装置呈低阻抗或零阻抗状态，系统的有功功率和无功功率损耗小，而且不会产生系统不可接受的谐波； 故障发生时，限流器应迅速从低 阻抗状态切换到高阻抗状态，在故障电流到达第一个峰值前有效限制短路电流； 故障切除后，限流装置能较快地从限流时的高阻抗状态回到低阻抗状态，不影响电力系统重合闸； 限流过程中无过电压产生，不会引起系统暂态振荡； 控制简单，无须高速短路故障检测技术； 限制短路电流后无须更换，短期内可承受多次短路故障冲击，而且限流性能不会变差； 对正常过载电流，如电容器放电、变压器涌流、电动机起动电流等不敏感； 不影响电力系统保护的选择性； 6 如果故障限流器本身损坏，电力系统仍能安全运行； 合理的成 本价格，可以承受的体积和重量，可靠性高，需要的维修量少。 本文主要工作 本论文结合国内外己见诸文献的各种限流技术的相关研究及固态限流器在电力系统中应用的条件与特点，分析了固态限流器在电力系统中应用的一些相关问题。 论文主要针对新型固态限流器在电力系统中的限流能力进行了分析与讨论，具体包括以下及方面： （ 1）介绍并分析了各种短路限流技术的原理及特性，包括传统的短路限流技术和新型固态限流器； （ 2）针对新型固态限流器的优良性能，在 10kV 电力系统中设计出最佳的限流方案； （ 3）通过 Matlab 仿真软件对设计 方案在不同短路故障时进行仿真，分析仿真结果； （ 4）理论分析限流器在电力系统中的安装位置。 第 2 章 各种短路限流器的原理及特性 7 第 2 章 各种短路限流器的原理及特性 短路故障限流器 传统的短路限流措施是目前国内外所采用的较多的限制短路电流方式，各种措施从原理到引用方式都有所不同，采用每一种手段限制电流的效果也有差别，虽然都可以不同程度实现对短路电流的约束和限制。 但是与此同时，其也存在着这样或者那样的缺陷和不足，并以另一种方式对电网产生不利的影响。 而随着我国电力系统的不断发展，短路电流的水平不断上升，以上措施己经不能满足现代电力系统发展 的需求，因此有必要寻找新的方法解决电力系统中短路电流不断上升的问题。 基于减小短路故障电流和降低对系统正常运行不利影响的考虑，故障限流器 (Fault Current Limiter， FCL)的概念和装置应运而生。 近年来，随着电力电子技术以及大容量电力电子器件如 SCR(晶闸管 )、 GTO(门极可关断晶闸管 )、 GTR(大功率晶体管 )、 IGBT(绝缘门极双极晶体管 )等的迅速发展和在实际系统中的应用，以及高温超导技术的发展，使得故障限流技术得到更好的发展，能在故障情况下迅速将短路电流限制在远低于可能的最大短路电流值范 围内 (限定值可整定 )，以限制系统的短路电流。 总的来说，材料型短路限流器的突出优点是简单、可靠，但目前材料型 FCL 受限制于超导等新材料的发展，超导技术在电工：领域的应用还受很多条件的限制，特别在大功率场合的应用技术尚不成熟，在工业化实用方面尚有一定的距离，其实用化、商品化还远远不能满足作为新产品开发的要求；而电力电子型短路限流器的突出优点是可控性强，并且现在 GTO 等产品价格日益下降，从工程技术上而言，这种方案己具备了可行性；而其他一些方案诸如采用非线性阻抗等，应用于大功率场所还尚未成熟。 目前故障电流限流器己 经有多种类型，主要有超导限流器、磁元件限流器、 PTC 电阻限流器、以及固态限流器等。 FCL 主要有以下四部分组成，如图 21所示：快速故障电流探测元件、快速切换开关、限流电抗器以及过电压保护元件。 8 过电压开关快速切换开关限流电抗器故障电流探测元件 图 21 短路限流器原理图 超导限流技术是一种全新的技术，其原理图如图 22，它利用超导体的超导 /正常 (S/N)态的转变，由无阻态变到高阻态，以达到限制短路电流的目的。 超导故障 限流器 (Superconducting Fault Current Limiter，简称 SFCL)的研究在世界范围内己引起广泛的关注。 超导发生 S/N 转变的电流称为临界电流，超导故障限流器 (SFCL)接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在超导线临界电流以下，超导体的电阻几乎为 0，对电力系统运行无影响；一旦电网发生短路，短路电流大于临界电流时，超导体“失超”，由零阻抗表现为非线性高电阻，从而限制了短路电流。 超导故障限流器正是利用超导的 S/N态转变来限流，并能在较高电压下运行，同时集检测、转换和限流于一身， 能在毫秒级时间内有效地限制故障电流。 此外， SFCL 还具有以下卓越特性： 保证电流不超过临界值，显著降低线路的机械和电动应力，可延长 电力设备的使用寿命； 能减少故障电流的持续时间，从而增加了电力系统的功率输送能力， 改善其动态稳定性； 正常运行时，发热和损耗都很小。 第 2 章 各种短路限流器的原理及特性 9 原边线圈超导线圈 H T S 图 22 超导限流器原理图 SFCL 基于“失超”现象，立刻把大的短路电流限制在线路正常运行电流的 23 倍水平以下，从而不必在电网扩容时替换现有开关设备，节省电力部门的投资。 但其不能断开故障线路，因而必须与传统的断路器结合使用，利用传统断路器来断开故障线路。 此时断路器切断的仅仅是己被限制的短路电流，但要求切断速度非常快，以隔离和抑制超导线圈的焦耳热。 现阶段，要将 SFCL 实际应用到电力系统，仍然有若干关键问题需要解决。 除了提高超导线材的技术、经济性能，以及冷却系统的效率等一般超导电力装置所共同面临的问题之外，还必须考虑以下 3 个方面的问题： （ a）限流水平的设定以及和电力系统现有断路器、继电保护手段相互配合的问题； （ b）如何移走超导故障限流器在限制短路电流过程中产生的大量的焦 耳热量的问题，限流过程在超导体 (线圈 )中产生的热量对装置本身特性以及安全性影响的问题； （ c） SFCL 限流动作后的状态恢复问题，故障消除后超导体从高阻态恢复到超导态的时间过长对实现电力系统的重合闸很不利。 若高温超导材料的研究、生产工艺和性能取得新突破，低 压 交流损耗的大电流超导电缆、高电压高温超导交流电缆及高温超导线“失超”传播和保护等问题能得以解决，那么超导故障限流器在电力系统中将具有广阔的应用前景。 10 采用磁元件构成的限流器又称磁饱和型短路限流器，如图 23所示，它由铁芯、一次和二 次线圈、直流偏置电源等组成。 选取适当的安匝数使两个电抗器铁芯在正常工作情况下均处于磁饱和，因而交流绕组的电抗很小，当故障电流通过交流绕组时，两个电抗器的铁芯分别在正、负半波磁通变得不饱和，而呈现很大的电抗，起到了限制短路电流的作用。 DCAB 图 23 磁饱和型短路限流器 有时直流电源回路用永磁体替代，但是这些只能在小容量下可以达到，大容量等级下，很难有合适的永磁体可以利用。 而且饱和电抗式限流器为保证短路时的限流电抗值，对交流线圈匝数有一定要求，从而使其在非故 障情况下运行时仍具有相当数值的饱和电抗值，这将会影响电网运行的电能质量，还可能会引起暂态振荡等问题。 另一方面，由于直流偏磁绕组的匝数往往远多于交流绕组，短路时交流磁通将会在直流绕组中感应出极高的过电压。 PTC 电阻限流器 PTC(Positive Temperature Coefficient)电阻是一种正温度系数的非线性电阻，在室温时电阻非常低，当温度升高到一值时 ,电阻迅速增加 ,利用PTC 电阻的这种特性研制的故障限流器在低压领域已有商业应用。 PTC 电阻限流器是由能导电的活性物质和金属或非金属填 充物构成的合成物，在电路正常运行时电阻小压降低，产生的焦耳热损耗不用专门的散热设备处理，通第 2 章 各种短路限流器的原理及特性 11 过和空气发生传导、对流、辐射等途径就能达到热平衡；当发生过流或短路时电流增加超过临界电流值，引起 PTC 电阻发热膨胀，热量来不及散发使电阻温度迅速增加， PTC 电阻阻值在短 /时间内增加为高电阻值，从而起到限制故障电流的作用，己有相关应用于美国海军新型战略舰上。 由于 PTC 电阻在温度升高时电阻值瞬时增加到室温电阻的近一兆倍，在限制感性电网电流时会产生很大的过电压，因此在 PTC 电阻两端必须并联限过压设备。 PTC 电阻在限流过程中 会膨胀，必须采用特殊的连接设备和充分考虑连接设备的热的和机械的强度。 PTC 电阻固有的电压和电流额定值不高，只有几百伏 /几安，必须串并联使用，这限制了其在高压系统中的应用。 PTC 电阻在每次限制短路电流故障被切断后，需要好几分钟的恢复时间，并且这种限流器在使用多次后也会导致性能变坏，必须更换。 固态限流技术是建立在柔性交流输电技术基础上的一种短路限流技术。 它采用具有单独或综合功能的电力电子装置，对输电系统的主要参数 (如电压、相位、电抗等 )进行调整控制，使输电更加可靠，具有更大的安全性和有效 性。 这种将电力电子技术、微机处理技术、控制技术等高新技术应用于高压输电系统，以提高系统可靠性、可控性、运行性能和电能质量，并可获取大量节电效益的新型综合技术，在世界上引起了极大反响，从一开始就得到了业界及有关科技工作者的高度重视 电力电子技术在电力系统的应用为改善电能质量，提高输电线路的输电能力提供了性价比很高的解决方法，电力电子技术在电力系统的广泛应用说明目前电力电子技术比超导技术相对成熟。 这些应用对电力电子器件提出了更高的要求，促使电力电子器件向高压大电流、性能好价格低、体积小重量轻、功率损耗低、应用温 度高的方向发展，为降低固态故障限流器的投资成本，降低功率损耗，提高固态故障限流器的竞争力提供了良好的基础。 固态限流器还有其他很多种类： GTO 开关型限流器、谐振式限流器、可变阻抗式限流器、具有串联补偿作用的限流器、无损耗电阻器式限流器、混合限流器、桥式固态短路限流器等。 下面简要介绍一下这几种限流器。 12 （ 1） GTO 开关型限流器 EPRI 提出的固态限流器如图 24 所示，该限流器主要由一组反并联的GTO 与限流电感 L 并联组成，正常运行时 GTO 常通，将限流电感短接。 一旦发生短路，在短路电流达到第一个峰值前迅速将 GTO 断开，使电感 L 插入短路回路以限制短路电流。 这种限流器不仅要求使用昂贵的 GTO，而且要求保护电路具有极快的响应速度 ； 同时由于 GTO 快速截断数值远大于额定值的短路电流而使之转移至限流电感 L 中，将引起极大的 di/dt 及 dv/dt，因此必须另外采取有效措施以抑制由它所产生的高压及附加振荡，以免危及系统绝缘与安全。 吸收电路 吸收电路 吸收电路G T OZ n O 避雷器限流阻抗 图 24 美国 EPRI 提出的 GTO 限流器 （ 2）谐振式限流器 谐振式限流器主要是分别利用串联谐振电路的阻抗为零、并联谐振电路的导纳为零的特点设计成 串联谐振限流器和并联谐振限流器。 图 25 为串联谐振限流器，正常运行时， L2 与 C 发生串联谐振，阻抗为 O。 故障时， SCR闭合， L2 串入电路限流。 其中 L1仅是保护固态开关不受大电流冲击。 这种限流器的主要矛盾是在大负载电流系统中，由于限流电感值较小，则所需的补偿电容数量极大，根本无法投入实际应用。 第 2 章 各种短路限流器的原理及特性 13 L 1L 2CS C R 图 25 串联谐振式限流器 CS C RLGT OLC （ a） SCR 型并联谐振 式限流器 （ b） GTO 型并联谐振式限流器 图 26 并联谐振式限流器 图 (a)中，电容 C 与线路串联，提供串联补偿，当短路发生时，晶闸管SCR 触发导通，使电感 L与电容 C并联谐振电路工作，限制故障电流。 图 (b)中，正常运行情况下，电流流过 GTO 开关，当故障发生时， GTO 开关被切断，电流转移到并联谐。